无线传感网络煤矿井下人员定位系统设计

    煤矿安全生产事关人民群众的生命和国家财产安全，我国各级政府一贯高度重视煤矿企业的安全生产问题，但是由于基础薄弱，对井下人员管理模式落后等种种原因，煤矿企业的安全生产状况依然不容乐观。当矿井危险性事故发生时，及时掌握井下人员的分布情况，对于指挥抢险救灾、尽可能减少灾害损失和人员伤亡具有十分重要的意义，因此建立以灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标的井下人员定位系统势在必行。

    近两年随着对无线传感网络的广泛应用，国内各高校及科研院所对基于无线传感网络的煤矿井下人员定位技术进行了深入的研究。基于Zigbee 技术架构的无线传感网络具有自组织、低功耗、廉价、可快速部署和可扩张性强等优点，非常适合在特殊时刻、特殊环境中快速构建信息基础设施。Zigbee作为一种低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信新技术，在煤矿安全生中中已有初步应用。采用Zigbee 技术实现煤矿井下人员定位，可消除地面管理人员对井下作业人员视野盲区，提高对井下作业人员的有效监控和调度，增强矿井灾害发生时井下作业人员的快速反应能力，以改善煤矿的安全生产和管理。

    1 系统架构

    煤矿井下人员定位系统由3 大部分组成: 井上监控中心、井下定位基站、人员定位终端设备。井上监控中心通过LAN 连接到井下中心站，井下中心站通过无线网络与井下各定位基站通讯，定位基站与人员定位终端进行无线网络通讯建立数据连接，架构底层的无线数据通讯平台，系统结构示意图如图1 所示。

    井上管理人员在监控中心通过监控定位软件系统实现对井下人员分布情况的实时显示，及时准确掌握井下人员分布及作业情况，并可根据监测情况向井下人员发送预警信息。井上定位软件系统采由以下几个子系统组成: 人员定位子系统、井下环境监测子系统、地面预警子系统、通信子系统、数据库管理子系统。人员定位子系统通过收集井下各定位基站( 信标节点) 获取井下人员定位终端与各信标节点的通讯的信号强度( RSSI) ，采用质心算法计算井下人员与信标节点的距离，实现人员的定位，并在屏幕上显示其具体位置。井下环境监测子系统，通过采集井下定位基站的瓦斯、温度、湿度传感器的信息，实现对井下工况的监测。地面预警子系统根据采集的井下工况信息判断是否要做出预警处理，在监控中心显示出险位置的同时，根据出险位置将预警信息通过井下定位基站及时传递到井下人员定位终端设备进行预警提示，以便相关人员及时撤离，并采取相应的减灾处置。通信子系统实现监控中心与井下中心站的数据通讯，并通过井下中心站可以实现对各个井下定位基站及井下人员定位终端设数据通讯。数据库管理子系统实现对下井人员信息的管理、井下环境监测数据的管理、预警信息的管理、并提供系统综合数据的统计、查询、备份功能。

    井下定位基站是一个完全功能设备( FFD) ，FFD 节点，支持网络数据转发、数据融合和数据采集功能，可与其他FFD 节点通信也可与RFD 节点通信，负责构建井下无线通讯网络，每2 s 发送一次广播信息，与附件的人员定位终端设备建立无线通讯链路，以实现人员定位。井下定位基站部署在矿井巷道及工作面，可视关系的节点之间间距200 m 以内，工作面附件的节点间距不超过50 m。井下定位基站采用JENNIC － 5139 模块作为节点控制与通讯的核心单元，其工作电压3 V，无线通讯时工作电流37 mA，休眠状态电流为2． 6 μA，模块内嵌Zigbee 无线通讯协议，支持无线传感网络通讯，采用32 位的RISC CPU，内部集成了96 KB RAM、192KB ROM、4个12 位的ADC，用于检测井下瓦斯和湿度，电压检测传感器实现系统电压的监测，环境温度检测由模块内的温度传感器实现，根据温度实现对瓦斯和湿度传感器检测参数的动态补偿，提高检测精度、2 个UART 可在中心站构建CAN 总线接口，作为备用的通讯通道。JENNIC － 5139 功能强大，便于扩展。电源模块采用电池供电和外部辅助供电两套并存的供电模式，当没有外部辅助电源时，由电池供电，但外接辅助电源时，由外部电源供电，同时为电池充电。井下定位基站的系统结构如图2 所示。 

    人员定位终端设备是简单功能设备( RFD) ，安装在矿工安全帽上，发送当前矿工的位置信息，并提供声光报警功能。其核心模块也采用JENNIC －5139 实现，每一个终端采用电池供电，分配一个唯一的ID 作为身份识别标识，通过与井下定位基站这些信标节点通讯，确定人员所在位置。RFD 终端有一个按键可以发送求救信息，还有LED 预警灯和蜂鸣预警器，在井上监控中心发出预警信号时，可以实现声光预警。

    2 定位算法设计与实现

    煤矿井下人员定位具有其特殊性，无线传感网络中各节点( FFD，RFD) 受到资源有限、随机部署、通信易受环境干扰等限制，因此定位算法必须满足高精度、自组织、健壮性、能量高效、分布式计算等要求。

    实现一个未知节点的定位基本步骤是距离测量( 未知节点到定标节点) 、坐标计算。距离测量常用的方法为: TOA( Time of Arrival) ，通过计算信号传播时间进行距离测量、TDOA( Time Difference of Arrival)通过记录不同信号传播的时间差测距; RSSI( Received Signal Strength Indicator) 接受信号强度测距; AOA( Angle of Arrival) 通过信号传播角度实现距离测量。该系统采用JENNIC － 5139 模块，只有RSSI测距法不需要额外的硬件，但基于信号强调的测距法容易受信号多径、反射等情况的干扰，降低测量精度。坐标计算定位算法: 有三角定位法、三边定位法、最大似然估计法、质心法等。如果直接使用上述定位算法基于RSSI 测距进行定位，无法得到满意的测量精度。该系统的定位机制是建立全巷道RSSI数据库的方式测距和质心算法混合机制实现人员定位。 

    此算法的运算前2 个步骤，定标节点搜索及信号强度排序工作由在井下定位基站实现并将运算结果上传到井上监控中心，求均方差和求质心节点即定位人员坐标，由井上监控中心的计算机完成。这样分布式运算的优点是减少网络通信量，充分发挥井下定位基站运算功能。这种混合定位机制方法的精度取决于离散数据库建立时的测量精度，要提高精度可以通过缩短测量间距实现。不足之处在于煤矿井下工作面是不断的扩展，而此定位算法要预先建立位置和信号强度关系数据库，因此必须及时对数据库进行数据更新。

    3 结语

    基于无线传感网络的煤矿井下人员定位系统在河南省新密市景岗煤矿进行了井下测试，该定位系统能够及时、准确的将井下各个区域人员的动态情况及矿井的环境参数反映到地面监控中心的计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员的分布情况和每个矿工的运动轨迹，系统定位精度在1 m 以内。该系统还适用于矿难救援，救援人员也可根据井下人员定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率，大大提高煤矿企业的安全生产和管理水平。