劉光遠(yuǎn)

（同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西大同 037016）

0 引言

煤礦安全問(wèn)題一直以來(lái)都受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。雖然我國(guó)現(xiàn)在非常重視煤礦安全，但是在實(shí)踐過(guò)程中偶爾還是會(huì)出現(xiàn)煤礦安全事故相關(guān)的報(bào)道［1]。說(shuō)明煤礦安全問(wèn)題并沒(méi)有得到徹底解決，煤礦生產(chǎn)仍然存在很多安全隱患［2]。煤礦環(huán)境特殊，一旦發(fā)生安全事故，開(kāi)展救援工作存在很大的難度［3]。在以往開(kāi)展礦井應(yīng)急救援工作時(shí)，由于不掌握井下具體情況，在做各項(xiàng)決策時(shí)就沒(méi)有依據(jù)可循，往往會(huì)耽誤黃金救援時(shí)間［4]。如果煤礦企業(yè)能夠?qū)崟r(shí)掌握井下所有人員的具體位置坐標(biāo)，那么在開(kāi)展救援工作時(shí)就會(huì)非常方便，具有很強(qiáng)的針對(duì)性。可見(jiàn)，根據(jù)礦井實(shí)際情況建立井下人員定位系統(tǒng)非常重要，在關(guān)鍵時(shí)刻能夠挽救更多人的生命［5-6]。本文基于先進(jìn)的WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)研究了新型礦井人員定位系統(tǒng)，系統(tǒng)具有非常高的定位精度，在保障井下人員生命安全方面發(fā)揮著重要作用。

1 新型礦井人員定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析

設(shè)計(jì)礦井人員定位系統(tǒng)的目的在于對(duì)井下人員的位置進(jìn)行跟蹤定位。系統(tǒng)主要由3 大部分構(gòu)成，分別為井下位置信息采集部分、井上位置信息分析部分、數(shù)據(jù)信息傳輸部分。圖1 所示為新型礦井人員定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 新型礦井人員定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

（1）井下人員定位信息采集部分

數(shù)據(jù)信息采集部分主要由兩部分構(gòu)成，分別為定位終端和定位標(biāo)簽。定位標(biāo)簽安裝在煤礦巷道壁中，結(jié)合煤礦具體情況，將相鄰兩個(gè)定位標(biāo)簽間的距離設(shè)置為5 m。定位終端由井下人員攜帶，定位終端內(nèi)部包含有WiFi模塊和讀卡器模塊。系統(tǒng)工作時(shí)，定位標(biāo)簽會(huì)向外發(fā)出無(wú)方向性的信號(hào)，定位終端中的讀卡器模塊可以接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)WiFi模塊將包含有位置信息、時(shí)間信息以及人員ID信息的數(shù)據(jù)信息返回給定位標(biāo)簽。

（2）井上位置信息分析部分

井上部分主要由服務(wù)器以及安裝在服務(wù)器中的定位軟件、顯示器等部分構(gòu)成。井下部分采集得到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)骄喜糠趾螅冒惭b在服務(wù)器中的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體的定位算法為三邊定位方法。計(jì)算得到人員具體位置坐標(biāo)，然后將結(jié)果顯示在顯示器中供工作人員查看。

（3）數(shù)據(jù)信息傳輸部分

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息傳輸主要有兩部分。其一為定位標(biāo)簽和定位終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)；其二為接入點(diǎn)與井上位置分析部分之間的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。定位標(biāo)簽將接收到的數(shù)據(jù)信息輸送至接入點(diǎn)，然后由接入點(diǎn)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)骄喜糠帧?/p>

2 定位終端硬件的設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

在整個(gè)礦井人員定位系統(tǒng)中，定位終端是其中非常關(guān)鍵和核心的部分。因此這里主要對(duì)定位終端的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖2所示為定位終端硬件部分的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出定位終端硬件主要由3 部分構(gòu)成，分別為CPU處理器、讀卡器模塊和WiFi模塊。CPU的主要作用是下達(dá)指令對(duì)讀卡器模塊進(jìn)行控制，確保讀卡器能夠準(zhǔn)確的讀取定位標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)。同時(shí)還需要對(duì)WiFi模塊進(jìn)行控制，確保能夠準(zhǔn)確地將相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行打包后發(fā)送出去。

圖2 定位終端結(jié)構(gòu)示意圖

各個(gè)硬件模塊之間的工作流程如下：CPU模塊對(duì)讀卡器模塊下達(dá)指令讀取定位標(biāo)簽信息；讀卡器模塊接收到指令后按照指令內(nèi)容對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行讀取，然后將讀取到的信息反饋給CPU；CPU將獲得的標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息傳遞至WiFi模塊，并對(duì)WiFi模塊下達(dá)指令將相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去。

2.2 各模塊的設(shè)計(jì)

（1）讀卡器模塊設(shè)計(jì)

該模塊的作用是按照CPU 下達(dá)的指令準(zhǔn)確讀取標(biāo)簽終端的數(shù)據(jù)信息并將結(jié)果反饋給CPU。讀卡器模塊內(nèi)部又包含有兩個(gè)模塊，其中一個(gè)模塊的作用是對(duì)附近的定位標(biāo)簽進(jìn)行有效識(shí)別，另一個(gè)模塊的作用是讀取識(shí)別到的定位標(biāo)簽發(fā)射出的信號(hào)。讀卡器模塊選用的是AS3990型芯片，內(nèi)部集成有功率放大器，能夠使整個(gè)系統(tǒng)變得更加簡(jiǎn)化，可通過(guò)編程的方式對(duì)其功能進(jìn)行自定義，以滿足各種實(shí)際使用場(chǎng)景。該型號(hào)該讀卡器讀取范圍超過(guò)5 m，能滿足系統(tǒng)實(shí)際使用需要。

（2）WiFi模塊設(shè)計(jì)

定位終端中的WiFi 模塊作用是將CPU 發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，按照CPU下達(dá)的指令發(fā)射出去，最終讓這些數(shù)據(jù)傳遞到井上位置信息分析部分。另一方面，WiFi模塊還需要接收來(lái)自井上服務(wù)器發(fā)送的指令。CPU模塊和WiFi模塊之間通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)通信，CPU 模塊基于使能引腳對(duì)WiFi 模塊進(jìn)行控制。WiFi模塊選用的是GS1010 芯片，由美國(guó)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，其傳輸速度超過(guò)2 Mb/s。該型號(hào)芯片的閃存大小為380 kb，內(nèi)部包含有2個(gè)ARM7 微控制器，需要1.8 V的直流電源對(duì)其進(jìn)行供電。體積很小，縮小了整個(gè)定位終端的規(guī)格。WiFi模塊工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 WiFi模塊工作原理示意圖

（3）CPU模塊設(shè)計(jì)

定位終端是配備在井下人員身上的，CPU 模塊內(nèi)部寫(xiě)入了對(duì)應(yīng)人員的相關(guān)信息。CPU模塊的作用是對(duì)讀卡器模塊和WiFi模塊進(jìn)行有效控制，將讀取到的定位標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給WiFi模塊時(shí)會(huì)一并發(fā)送人員ID信息。

2.3 終端接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的定位終端接口主要包含兩部分，分別為CPU模塊和讀卡器模塊間的接口、WiFi 模塊和CPU 模塊間的接口。第一個(gè)接口的作用是CPU向讀卡器模塊下達(dá)指令、讀卡器模塊將讀取到的信號(hào)傳遞給CPU，接口通過(guò)8 位并行口實(shí)現(xiàn)通信。第二個(gè)接口的作用是CPU將標(biāo)簽終端中的數(shù)據(jù)信息以及人員ID信息傳輸給WiFi 模塊、WiFi 模塊將接收到的井上部分下達(dá)的指令傳遞給CPU，該接口通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)通信。

3 定位系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 定位終端軟件程序設(shè)計(jì)

圖4所示為井下人員定位系統(tǒng)定位終端的軟件程序工作流程圖。

圖4 定位終端的軟件程序工作流程圖

定位系統(tǒng)會(huì)無(wú)時(shí)無(wú)刻地在整個(gè)礦井范圍內(nèi)搜索定位終端信號(hào)。當(dāng)攜帶定位終端的工作人員進(jìn)入礦井內(nèi)部時(shí)，其中的讀卡器模塊就會(huì)掃描附近的定位標(biāo)簽，如果沒(méi)有則會(huì)定期進(jìn)行再次掃描，直到發(fā)現(xiàn)有定位標(biāo)簽為止。如果發(fā)現(xiàn)有定位標(biāo)簽，則還需要對(duì)定位標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，確保識(shí)別到的定位標(biāo)簽為唯一標(biāo)簽，然后才會(huì)與該標(biāo)簽進(jìn)行信號(hào)傳遞。如果發(fā)現(xiàn)不是唯一標(biāo)簽則需要通過(guò)設(shè)定的防沖突算法進(jìn)行處理后再進(jìn)行訪問(wèn)。定位終端中的讀卡器模塊讀取定位標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息，然后通過(guò)WiFi模塊將信號(hào)數(shù)據(jù)打包發(fā)送至接入點(diǎn)。接入點(diǎn)將所有的信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)骄喜糠?，通過(guò)服務(wù)器計(jì)算分析得到井下人員的具體位置坐標(biāo)。

3.2 井上部分定位算法研究

本研究中通過(guò)三邊定位算法實(shí)現(xiàn)井下人員位置的確定。圖5所示為三邊定位算法基本原理示意圖。定位終端和定位標(biāo)簽之間在進(jìn)行通信過(guò)程中，系統(tǒng)可以根據(jù)兩者之間信號(hào)通信的強(qiáng)弱來(lái)判斷它們之間的距離，但是無(wú)法有效判斷方向。定位終端可以同時(shí)和礦井內(nèi)的多個(gè)定位標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)通訊。理想狀態(tài)下，只需要知道定位終端與其中三個(gè)定位標(biāo)簽之間的距離就可以通過(guò)如圖5（a）所示的基本原理定位得到定位終端的具體位置，即可實(shí)現(xiàn)井下人員的精確定位。

圖5 三邊定位算法原理示意圖

但是在實(shí)踐過(guò)程中，不管是在數(shù)據(jù)讀取還是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中都會(huì)存在一定程度的誤差，導(dǎo)致在計(jì)算定位終端和定位標(biāo)簽之間距離時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差。系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中很難達(dá)到圖5（a）所示的理想狀態(tài)，更多情況下是得到圖5（b）所示的結(jié)果。圖中陰影部分是定位終端的位置區(qū)域，通常情況下取該部分的質(zhì)心，認(rèn)為就是井下人員的具體位置坐標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著煤礦領(lǐng)域的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注煤礦安全問(wèn)題。在這樣的大背景下，越來(lái)越多的礦井都建設(shè)了井下人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)在保障井下人員安全方面具有重要的作用。WiFi技術(shù)以其顯著的通信優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。本文就是基于WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)搭建了煤礦井下人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)投入使用后發(fā)揮了重要作用，能夠通過(guò)井上的顯示器實(shí)時(shí)查看井下人員的位置信息和狀態(tài)。對(duì)于提升礦井的安全性具有重要的實(shí)踐意義。