胡 勁，鞠 波，楊 素，田海燕

（1.綿陽市維博電子有限責任公司，綿陽 621000；2. 中國兵器裝備集團自動化研究所，綿陽 621000）

0 引言

井下人員定位系統(tǒng)是通過建立一個完整、靈活和實時的井下網(wǎng)絡系統(tǒng)，對巷道人員分布信息進行管理，來實現(xiàn)井下人員管理的信息化和可視化，同時提高礦井開采生產(chǎn)管理和安全作業(yè)的水平，為發(fā)生緊急情況的救援活動提供幫助，其主要功能有：1）實時監(jiān)控：能實時采樣，并顯示井下人員位置、區(qū)域人員數(shù)量，實現(xiàn)人員定位功能；2）數(shù)據(jù)查詢：可以查詢井下人員的活動軌跡；3）統(tǒng)計報表：提供人員定位實時信息表、日報表和月報表，并進行打印。

1 系統(tǒng)結構

本系統(tǒng)采用電力線載波通訊技術，將遍布于井下坑道內(nèi)的照明輸電線路作為數(shù)據(jù)傳輸總線，在坑道中放置信息采集傳輸節(jié)點，完成無線、電力線通訊的轉(zhuǎn)換接收工作，形成一個遍布于整個井下坑道內(nèi)的通訊網(wǎng)絡。當井下工作人員攜帶身份識別器進入坑道內(nèi)后，可通過網(wǎng)絡獲取工作人員所在的位置，并可根據(jù)身份識別器確定人員身份；同時信息處理中心站可對網(wǎng)絡中的身份識別器進行通訊報警等操作，當發(fā)生安全隱患時可通知井下工作人員快速撤離。

整個井下人員定位系統(tǒng)由以下三個部分組成：1）身份識別器：由工作人員攜帶，標明了人員的身份；2）信息采集傳輸節(jié)點：安置于井下坑道內(nèi)，通過無線方式與身份識別器進行數(shù)據(jù)交換，并通過電力載波模塊接入井下網(wǎng)絡中；3）信息綜合處理中心站：由一臺PC機或服務器構成，它通過電力載波通訊模塊接入通訊網(wǎng)絡中，獲取通訊網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)總體控制。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 身份識別器

圖2 身份識別器組成示意圖

身份識別器通過無線方式發(fā)送人員編號信息和人員報警信息，并接收信息綜合處理中心站通過信息采集傳輸節(jié)點發(fā)送的系統(tǒng)報警信息、輪詢信息。

考慮到井下工作的實際情況，身份識別器的設計重在兩方面：一是體積小，便于攜帶；二是功耗小，可持續(xù)工作時間長，使用電池供電，不能頻繁更換電池。因此，如何減小體積和節(jié)省電能是身份識別器設計的首要問題。

身份識別器由電池、報警按鈕、控制核心、無線收發(fā)模塊、報警指示燈和蜂鳴器組成。本設計采用MSP430F1611控制芯片為控制核心，它是具有超低功耗特點的16位單片機，可以在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作，并且在惡劣條件下工作性能穩(wěn)定；采用CC2500芯片為核心組成無線收發(fā)模塊，通過SPI方式與控制核心通信，該芯片體積小、功耗低，非常適合于低功耗的應用系統(tǒng)，并在本設計中使用PCB引線天線來減小設備體積；報警按鈕用于人員輸入報警信號，報警指示燈和蜂鳴器用于收到廣播告警信號后，提示人員進行撤離。

身份識別器嵌入式控制軟件編程語言為C語言，編譯環(huán)境為IAR Embedded Workbench，開發(fā)工具為MSPFET430UIF。軟件編程的基本思路是：先對控制核心的SPI、CC2500控制端口初始化；使能SPI端口，對CC2500芯片初始化；開啟接收機后，就可以運行任務程序了，以實現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。軟件工作流程如圖3所示。

圖3 身份識別器軟件處理流程圖

2.2 信息采集傳輸節(jié)點

信息采集傳輸節(jié)點分布在井下坑道內(nèi)，通過電力線接收信息綜合處理中心站發(fā)送的詢問、對時和告警命令，再將詢問和告警信息通過無線方式發(fā)送給身份識別器。身份識別器通過無線方式將應答信息和報警信息發(fā)送給信息采集傳輸節(jié)點，信息采集傳輸節(jié)點再將無線接收到的信息通過電力線傳輸?shù)叫畔⒕C合處理中心站進行處理。

圖4 信息采集傳輸節(jié)點組成示意圖

信息采集傳輸節(jié)點由濾波器、電源模塊、主板、電力線通信模塊和OLED屏組成。信息采集傳輸節(jié)點輸入220V交流電源，經(jīng)濾波器后由電源模塊轉(zhuǎn)換為12V直流電源給主板和電力線通信模塊供電；主板通過無線方式接收身份識別器的編號信息和報警信息，并將信息綜合處理中心站發(fā)布的系統(tǒng)告警信息發(fā)送給身份識別器；電力線載波通信模塊與系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸總線相連接，實現(xiàn)信息采集傳輸節(jié)點與信息綜合處理中心站之間的數(shù)據(jù)傳輸；OLED屏在調(diào)試維修時顯示關鍵數(shù)據(jù)，以方便調(diào)試。

信息采集傳輸節(jié)點嵌入式控制軟件基于TI公司的MSP430F5659MCU內(nèi)核而寫，編程環(huán)境與身份識別器相同。軟件設計遵循軟件模塊化的設計理念，按照功能不同分為：信息顯示處理模塊、RF控制模塊和通信處理模塊。這三個模塊都是通過總控程序進行調(diào)度，總控程序流程圖如圖5所示。

圖5 總控程序流程圖

2.3 信息綜合處理中心站

信息綜合處理中心站軟件開發(fā)環(huán)境為Windows 2000/XP，采用Delphi、MSSQL Sever數(shù)據(jù)庫、MAPX數(shù)字地圖組件進行開發(fā)，運行環(huán)境為Windows NT/2000/XP。軟件通過電力線載波通訊模塊與信息采集傳輸節(jié)點和身份識別器進行通訊，獲取井下人員的信息；在軟件界面中使用GIS技術顯示煤礦井下結構，并顯示人員所處的位置等信息，便于井上操控人員直觀的掌握井下工作人員的位置等信息。信息綜合處理中心站軟件的結構如圖6所示。

圖6 信息綜合處理中心站軟件功能模塊框圖

信息綜合處理中心站軟件的各個模塊相互獨立，通過主程序進行調(diào)用。主模塊主要完成其它功能模塊的調(diào)用，根據(jù)其任務分析，其輸入信息就是鼠標或者鍵盤消息，輸出信息為各個模塊的調(diào)用觸發(fā)消息?；A數(shù)據(jù)管理模塊主要針對系統(tǒng)運行的關鍵數(shù)據(jù)進行管理維護，這些數(shù)據(jù)包括：采掘區(qū)域信息、人員信息、班次信息、檢測站點即信息采集節(jié)點信息、便攜式無線收發(fā)器信息和生產(chǎn)作業(yè)信息。通訊管理模塊主要完成對各個信息采集點的輪訊、接收各個采集點的通訊及報警信號、下發(fā)報警指令等工作。數(shù)字地圖顯示處理模塊完成數(shù)字地圖的顯示，并標繪信息采集傳輸節(jié)點及身份識別器（人員）的位置，便于操作人員便捷直觀的確定井下工作狀況，當出現(xiàn)節(jié)點錯誤等狀況時，能及時顯示錯誤點信息，并進行醒目提醒，便于維護人員進行維護。數(shù)據(jù)庫管理模塊用于對數(shù)據(jù)庫資料進行備份及恢復。

3 系統(tǒng)應用實現(xiàn)

本系統(tǒng)能夠自動檢測井下坑道人員經(jīng)過該信息采集傳輸節(jié)點的時間、地點信息，并自動實現(xiàn)對人員的考勤作業(yè)、統(tǒng)計及監(jiān)測管理。安裝在井下各通道的信息采集傳輸節(jié)點，實時將采集到的信息傳送到信息綜合處理中心站，整個過程無需人為干預。系統(tǒng)軟件具備專用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，包括工人通過坑道的信息采集和統(tǒng)計分析系統(tǒng)，考勤作業(yè)的統(tǒng)計與管理分析系統(tǒng)，顯示并打印各種統(tǒng)計報表資料，為高層管理人員的查詢與管理提供全方位的服務。

圖7為系統(tǒng)工作主界面，主界面列表顯示信息采集傳輸節(jié)點采集到的井下人員實時數(shù)據(jù)，并每隔5秒刷新一次。若需詳細了解井下人員活動的實時情況以及歷史軌跡回顯，可進入電子地圖人員定位瀏覽界面，其界面在地圖上標示出人員的實時信息，如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)工作主界面

圖8 人員定位界面圖

4 結束語

井下人員定位系統(tǒng)采用有無線相結合的方式將信息綜合處理中心站、信息采集傳輸節(jié)點以及身份識別器緊密的聯(lián)系起來，構成了一個信息采集、處理和傳輸?shù)膭討B(tài)網(wǎng)絡，具有操作簡單，功能完整，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，可以便捷的接收各種數(shù)據(jù)、發(fā)送工作指令、危險警告等信息，在發(fā)生井下事故等情況時可以快速、準確的確定人員所處的位置，便于進行相應的搶救，并大大提高生產(chǎn)的科學管理水平。

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