物联网技术在井下人员定位系统中的应用

(鸡西大学电气与信息工程系，黑龙江 鸡西158100）

随着我国煤炭开采深度和强度的提高，物联网技术在井下人员定位系统中的应用成为一个研究的新的方向[1]。目前，煤炭开采中还有很多尚未破解的难点，煤炭行业科技水平有待进一步提高。由于井下事故具有很强的不确定性，在事故发生之后，依照现场的实际情况对井下人员进行救援。我国目前的煤矿多是一些技术相对传统的老企业，井上对井下的实时监控因受到地理、生产环境、人员等多方面因素的限制，经常会出现事故发生后无法及时明确井下人员信息，影响做出正确决策，导致抢险不及时贻误生命抢救。如何应用现代化的技术和装备，对井下人员进行科学的管理，以保证抢险救灾、安全救护的高效运作以及如何更好地解决煤矿井下人员定位问题，就显得尤为重要和紧迫。随着RFID(射频识别）技术[2-3]的兴起，出现了一种基于物联网技术的煤矿安全井下人员定位系统，在一定程度上可以实现地面对井下人员动态实时监控，从而为煤矿企业安全生产提供有力的支持。

1 基于物联网技术的井下人员定位系统的主要研究内容

1．1 井下RFID频段的选择

目前通常将射频识别标签的工作频率从高到低分为3类：低频段射频标签(30～300KHz）、中高频段射频标签(3～30MHz）和超高频与微波标签(典型433MHz，2．45GHz，5．8GHz）。国内有学者结合不同频率的无线电波在煤矿井下巷道中的传输特性，对30多家企业生产的人员定位系统中的射频收发系统进行了归类比较，得出2．4GHz的中心频率在抗衰减、提高速率、可用信道、传输距离等方面更容易满足煤矿安全需要的结论，并在此基础上研制了基于2．4GHz的射频收发系统。

1．2 基于RFID的矿工身份识别定位和环境监测

由于煤炭行业生产环境的特殊性，监管系统就需要应对并监测井下的恶劣环境。目前已有设计成功的基于RFID技术设计的煤矿安全智能化监控系统。该系统可以实时检测井中甲烷等有害气体的浓度，对携带RFID的井下工作人员和重要设备进行自动位置检测、身份识别和信息管理。系统使用总线型拓扑结构的网络进行数据的采集和传送，并利用监管中心的远端PC实现显示及存储等功能，适用于各类环境下煤矿的安全管理。另外，基于GIS和RFID的煤矿井下人员跟踪定位与监控系统能够很好的解决井下人员的实时定位与监控管理等问题，为井下救援与管理带来极大方便，从而使我国的煤矿安全生产与事故救护更加规范与科学。

1．3 基于Zigbee的煤矿无线传感网

Zigbee是基于IEEE802．15．4协议的全球性通信标准，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，能够解决当前煤矿安全管理系统中存在的问题，具有一定的市场前景。目前，有不少研究基于Zigbee技术的无线传感网络与光纤通信网相结合的煤矿安全监测及人员定位的系统。这些系统实现了井上人员实时监测井下区域的瓦斯浓度，并实时跟踪定位井下人员，方便工作人员有效地管理矿井的安全工作。

1．4 UWB技术

UWB（Ultra Wide Band，超高速无线接入技术）是一种利用ns级宽度极窄脉冲作载体的无线传输技术，其射频(RF）传输带宽通常超过1GHz。这种超宽带传输方式相对常规窄带传输方式有低功率谱、低截获、抗干扰能力强、可高速数据传输等优点，用途非常广泛，在精确定位、雷达、无线检测、无线通信等诸多方面都有重要应用。在矿井中，UWB技术具有低功耗、高数据率、抗多径能力强、系统复杂性低等特点，针对煤矿井下频谱的使用限制不是很严格、对数据速率的要求也不很高的情况，在煤矿井下应用UWB技术具有很强的现实意义。

2 基于物联网技术的井下人员定位系统的要点

2．1 井下人员定位系统设计的主要思路

依照一般中型煤矿规模进行考虑设计，局域网络设定有效的距离是30km左右；基站总数量约为100～400个；无线通信距离为5～10m；基站间距离为80～100m；通信器移动速度为0～5m／s；读写器最大射频输出功率为2．4GHz，较低的功率可以有效避免人为的安全隐患；读卡速度为每32bit读取时间6ms。在设计具体的方案时，井下的信号因为环境、障碍物、干扰等诸多因素，衰减很大。所以基站的设置不仅仅要考虑传输距离，同时还要考虑工作区域信号衰减度的问题。

2．2 井下人员定位系统的主要技术

定位系统主要的技术涉及到的有地面计算机与井下各个基站、各个基站与射频识别卡之间的通信。其中井上计算机与井下基站属于有线通信，这部分相对比较容易涉及，主要考虑好适用的标准接口即可，在设计中用的是CAN总线接口及CAN通信协议。各个基站与射频识别卡之间的通信是系统中的无线通信部分，这部分是整个系统设计中的难点和重点。只有保证了无线数据采集可靠性，才能保证系统对井下人员的准确定位。

2．3 井下人员定位系统的工作原理

主要包含有基站和射频识别卡的工作原理、硬件设计和软件设计2个大方面。

1）基站和射频识别卡的工作原理 基站在工作时，首先上电由控制器进行系统初始化。检测系统状态，是否可以进行信息的接受。若有信息的传递，就实时进行信息解码和信息校验。若信息有误，为了减少系统数据的冗余、节约资源，可以直接考虑将错误数据删除。若信息准确就可以直接将信息交给地面计算机处理。而射频识别卡在工作时，首先上电由控制器初始化之后，选定频率，通过射频芯片编码后将数据传给基站。在这里要考虑数据传顺的延迟问题，通常不应该超过30s，超过可以重新发送数据。

2）硬件和软件设计 井下人员定位系统的硬件环节设计主要考虑的是地面计算机、井下的基站和矿工所带的射频识别卡组成。射频识别卡中的芯片要依据不同井下的地理环境调整就可以。而基站主要由CPU工作模块、供电模块、接口CAN模块、时钟模块、地址设定模块、JTAG接口电路模块、无线数据接收电路模块和数据存储电路模块组成。井下人员定位系统的软件环节设计主要考虑基站与地面计算机，基站与射频识别卡的软件设计。基站与地面计算机之间主要是数据发送、接收和处理。主要工作原理和步骤为基站数据初始化，将数据送入缓冲区，按照确定的基站CAN协议，通过数据传输总线将数据写入到缓冲区。如果缓冲区空闲可以直接接收到数据，但若是被占用则会出现一次数据传输失败。基站与射频识别卡之间的信息传递原理和步骤为，首先判断信息是否有效，为了避免数据冗余和资源浪费，无效数据直接删除。若数据有效则要先测试通信总线是否可以进行数据传输，成功就选择频率将数据发送。这个过程可以有30s的延迟，目的就是考虑到井下矿工在工作过程中可能出现地下环境信号屏蔽的可能。通常基站直接的有效距离可以在30s的延迟内相互信号覆盖。

[1]王保云．物联网技术研究综述 [J]．电子测量与仪器学报，2009（12）：1-7．

[2]傅智河．基于RFID的矿山井下人员定位系统设计 [J]．龙岩学院学报，2007，25（6）：50-52．

[3]张书建，汪云甲，范忻．基于RFID技术的矿山物联网关键问题及其仿真 [J]．金属矿山，2011（5）：113-116．