基于WIFI技术井下人员定位系统设计与研究

1.引言

我国是世界第一产煤大国，煤矿矿山近3万多个，其中大中型煤矿500多个，小煤矿2万多个，井下工作人员超过100万人。[1]但我国的煤炭生产安全形势不容乐观，百万吨死亡率居高不下，给社会造成不安定因素，给国家造成巨大损失。究其原因，一方面是由于我国现有的煤矿开采管理以及法律法规约束性不够；但另一方面也显示出我国现有的井下救援工作的不利。而井下人员定位系统则能够通过对井下人员的精确定位提升地上的救援速率，从而更好地改善我国现有的井下救援工作。

本文基于WiFi技术[5]，整个系统采用无线数据采集与传输的方式，采用多种抗干扰措施，以保证无线数据可靠的传输。本系统主要用于实时监测人员流动、流动车辆的数量、方向、区域、时间等，为人员、车辆的管理、考勤统计、安全保障提供可靠依据。本系统为矿用本质安全型，适用于瓦斯、煤尘爆炸危险的矿井中。系统的核心识别设备采用了具有国际先进水平的SUPER-RFID技术[4]。解决了中低频电磁波技术感应距离短防冲突能力差的致命弱点。

2.井下人员定位系统完整结构

井下无线通信的特点是整个的无线信号的传播都是在井下的巷道，是一个封闭的环境，与地面无线通信无相互干扰。考虑到井下通信状况以及对于通信设备本身的要求以及现代科学技术的进步同时结合所设计系统的实际情况，本系统采用WiFi作为无线通信的主要传输手段，人员位置信息获取和信息传输都通过WiFi无线网络技术进行。在通道内设置WiFi基站，设置中转站向地面传输地下信号以及员工具体的所在位置。具体如图1所示，整个系统主要由标识卡、读卡器、中继器、避雷器以及传输接口和交换机以及UPS等等组成。井下每个工作人员携带WiFi身份码或WiFi手机，通过存有人员信息的WiFi终端与基站(BS)进行信息交流。

整个系统主要组成部分包括：

(1)硬件构成：电子标签(身份码)、识别器、中继器、传输接口、系统主机、避雷器等；

(2)可视化软件平台：整合企业现有的软件，通过一个图形化的操作界面，在显示资产分布或人员移动区域地图上能够迅速检测、找寻到目标对象，操作清晰简单。

3.系统工作原理

首先在煤矿生产基地铺设好无线局域网，同时在每个工作人员佩带的矿灯上安置一个电子标签，当工作人员进入井下以后，无线BS马上能感应到电子标签的信号，同时立即上传到控制中心的计算机上，计算机马上就可判断出具体信息(如：是谁，在哪个位置，具体时间)，管理者也可以根据大屏幕上或电脑上的分布示意图点击井下某一位置，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。同时，发生事故也能保证人员的及时搜救欲寻找。

4.电子标签(标识卡)

电子标签主要用在井下人员和资产的监控和跟踪定位方面。目前，用于煤矿企业的电子标签主要有人员标签和资产标签。人员标签可以安装在安全帽上，井下工作人员必须佩戴装有电子标签的安全帽。通过WIFI实时定位系统可以对井下工作人员进行实时的跟踪，随时了解其状况和具体位置。身份码发送器，也可以称做移动台Mobile Station(MS)，每一位井下人员都有一个自己的身份码，通过这一发射器能够帮助救援人员及时了解不同员工在井下的位置，从而保证救援人员的及时到达，减少救援时间。系统的结构及组成如图2所示。

图1 系统整体结构

图2 身份码发送器系统结构

图3 数据传输接口总体框图

系统采用低功耗的CPU，以及低功耗的无线收发模块。电池提供的电压最高大约5.7V，随着电池能量的消耗电压会下降，正常使用时维持，在4.9V的时间最长。在系统正常过程中若出现意外导致电压突然降低然后电压回复正常值，由看门狗电路对系统进行监测复位。

5.识别器

本系统采用动态目标识别器，采用无线射频识别技术（RFID），其是基于全球公认的局域网权威工作组IEEE802工作组所建立的802.1协议的2.4GHzDSSS直接顺序扩屏技术，同时先进的校验技术和无线防冲突算法，保证了数据的可靠性及较高的抗干扰能力。

6.传输接口与传输方式

图3为数据传输接口的总体框图。井下和井上之间的数据传输主要通过数据传输接口实现，读卡分站通过CAN总线把井下的信息数据传送给数据传输接口。传输接口与井下通信主站以及井下通信主站之间通过CAN总线，连接现场总线则是安装在生产现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通讯双向传输的数据总线。[2]读卡分站通过CAN总线把井下的信息数据传送给数据传输接口，数据传输接口再通过MCP2515把数据传送给单片机Atmegal6，单片机与上位机之间实现通信采用RS-232接口。

7.系统安全性设计

系统设计充分考虑到井下特殊情况以及操作人员自身的实际综合素质，因此对于身份发射器以及相关WiFi基站的操作性与安全性设计方面，主要包括以及几方面：

(1)外部采用全金属外壳，结构牢固，防撞、防震。并且全密封设计，防水、防潮、防腐；

(2)设备的运行绝不能影响井下的安全问题。设备具备超低功耗，峰值功率小于1毫瓦；

(3)设备适应矿井上和井下各种不同的安装环境问题。设备具有非常高度抗干扰性，对安装现场基本无要求，即保证设备运行的高可靠性，又大大简化了安装个维护工作量；

(4)整个系统设计成为“傻瓜型”，对用户的技术要求极低，具有简易可调的功能、故障的自动巡检功能等等；

(5)坑道内简易施工和安装问题：产品采用在井下直接壁挂式，接入直流电源及网线连接头即可，同样对今后井下检测点的变更和添加一样非常方便轻松；

(6)故障处理的简单化：当有机器产生故障，用备用机器直接替换即可；

(7)系统内置了备份功能，可根据要求定时定期将数据进行储存(最短每5分钟保存一次)，同时系统设置了电源外接端口，可外接备份电源以保证系统在遇到突发状况时的有效运转。

8.结语

本研究将WiFi技术应用于煤矿井下人员定位系统中，借助Wifi本身信号传输快、信息传输准确以及具象化的特点，能够帮助以后的救援人员更好地了解被困人员的实际情况以及所处位置，是救援人员能够在最短时间内，根据被困人员实际所处环境采取更加有针对性的营救措施与策略，保证了被困人员的生面安全，为营救提供了更多的信息，从而在根本上降低了我国煤炭开采过程中公认的死亡率，在一定程度上提高了煤矿工人工作作业的安全性，在现阶段具有重要现实意义。

[1]孙继平.煤矿物联网特点与关键技术研究[J].煤炭学报,2011,36(1):167-171.

[2]孙彦景,钱建生,李世银等.煤矿物联网络系统理论与关键技术[J].煤炭科学技术,2011,39(2):69-72.

[3]苏金明,张莲花,刘波.MATLAB工具箱应用[M].北京:电子工业出版社,2004.

[4]卢恒惠,刘兴川等.基于三角形与位置指纹识别算法的WiFi定位比较[J].移动通信,2010,34(10):72-76.

[5]张军.基于WiFi技术的矿井无线救灾通讯系统研究[J].矿业安全与环保,2009,36(S1):11-13.