基于RSSI的煤矿井下人员定位系统研究

郝维来　白洁

摘 要： 目前我国煤矿井下人员定位系统主要采用区域定位方法，存在着定位精度不高，出现事故后反映不及时等现象。为了解决如上问题，根据煤矿井下的特殊作业环境，建立了一种基于RSSI技术的煤矿井下精确定位模型，利用收到信号的强度计算被测人员到双接收节点距离，进行人员精确定位。结合煤矿井下的特殊应用环境，建立RSSI通信模型，实现了实时追踪定位功能，对煤矿安全生产具有显著的社会效益和经济效益。

关键词： 人员精确定位； 定位技术； 接收信号强度指示； 煤矿

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）04?0048?03

Abstract： Now the regional location method is mainly used in personnel positioning system in Chinese underground coal mine. The method not only has low positioning accuracy， but also can't respond in time when accident occurs. To solve all these problems， a personnel precise location model based on RSSI technology is established according to the special working environment in underground coal mine， which locates the persons accurately by the distance of the quizzee to the double receiving nodes which is calculated by signal strength. According to the specific applications environment in underground coal mine， the RSSI communication system model was built and the real?time tracking positioning function was realized. The method has the significantly social and economic benefits on the safety of the coal mine production.

Keywords： personnel precise positioning； positioning technology； RSSI； coal mine

我国的煤矿生产多是地下作业，空间狭窄、环境恶劣，巷道交错，人员分布复杂，因此实现人员精确定位管理十分困难。尤其是在突发事故后无法对井下人员精确定位，实施有效的救援[1]。因此如何精确定位工作人员，进行高效管理和应急救援成为亟待解决的问题。

目前，大多煤矿所用井下人员定位系统多采用射频识别技术，通过设置在煤矿入口和一些重要通道的射频读卡器，读取井下人员随身携带写有自身信息的射频标签，从而登记井下人员工作状态。此类人员定位系统在辅助人员考勤管理作用比较好，却不能实现对井下人员的实时定位，具有区域定位的局限[2]。本文设计了一种基于RSSI的煤矿井下人员定位系统；系统具有抗干扰能力强、稳定可靠性高、人员定位准确等特点，对煤矿业安全生产具有显著的社会效益和经济效益。

1 系统设计原理

井下人员定位系统对高效协调日常工作、加强井下人员管理水平、事故发生后提供人员位置信息、及时进行救援起到重要作用。但是井下巷道是一个受限空间，无线信号的传播过程与地面相比更为复杂，读卡器接收到的信号会受到很大的影响，进而导致测量的人员位置信息误差较大，达不到精度定位要求[3]。因此，定位算法和井下巷道模型的选择，直接关系到位置数据的可靠性，严重影响到井下定位的精度。

1.1 巷道模型

地下矿井是电磁波受限的狭长空间，地形错综复杂，巷道的截面和形状随矿藏的形状不断变化，这些给井下信号传输、移动通信和人员定位都带来很大不便。经过分析可以把井下信道环境分为3类：巷道，开阔的平面，倾斜、分支或拐弯的特殊区域[4]。在我国煤矿井下，大多是巷道，人员和机车主要是在巷道中进行工作，特殊区域与开阔的平面相对较少。在建立井下模型时，采取在巷道的倾斜、分支或拐弯等特殊区域设置一个位置已知的锚节点的方法，将其分成两个巷道以减小误差。本设计根据煤矿巷道狭长的特点，采用双机接收信号，再根据接收到的RSSI值判定待定节点的位置，其中双机测位如图1所示。

图1中，黑圆点表示已知坐标的射频读卡器；黑三角号表示待定位井下人员即射频标签。图1（a）为理想状态下双机测量待定节点的情况。图1（b）为受环境等因素影响下双机测量情况，阴影部分未知节点可能存在的区域。把RSSI测距原理应用到井下巷道，其巷道模型如图2所示。

由于巷道内部环境复杂，射频读卡器选中安装在巷道壁上。设巷道的宽度为d，相邻两射频读卡器的距离为s，读卡器与射频标签的数据传输距离为l，则在安装射频读卡器时应满足：[s<2l，l>d]。

1.2 RSSI定位算法

RSSI算法是指根据无线传感器接收到的待定节点发出的信号指示强度，根据公式计算出待测信号在传播路径中的损耗，然后根据理论或经验的信号传播模型，把信号强度转换成距离[5]。作为一个基本的测距方法RSSI定位方法具有外围硬件设备少、实现简单、经济实用的优点，在定位系统中得到了广泛应用。在本设计中，已知射频读卡器（已知节点）发射的信号强度，矿井人员随身携带射频标签（待测节点）接收读卡器发射的信号强度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型把传播过程中的损耗转换为距离，然后再利用已知的射频读卡器间的实际距离，根据双机测位模型通过一定的算法计算出射频标签的移动位置。根据所测得位置实现井下人员定位。

RSSI是无线信号，在运用到井下人员定位时，像其他信号一样，容易受到反射、散射和衍射的影响，极大地影响了RSSI数据的接收。为了减少上述误差，使用时常采用将发射功率调至最大和选择精度较高的理论公式。

2 井下人员定位系统设计

本系统用来解决井下工作人员实时跟踪定位的问题。系统设计需要满足以下三个条件：

（1） 为了在安全性能上得到保证，整个定位系统的设计都依据煤矿安全规程与规范标准进行。

（2） 在误差允许范围内，该系统能对井下工作人员的具体位置进行实时监控；能对工作人员进行考勤；能统计人员下井的时间和地点；能够显示何时下井、何时离井、具体位置等信息。

（3） 在满足了安全要求和实现系统的定位功基础上，提高了系统的可靠性，并且数据传输更加完整、及时和准确。

为了实现上述定位系统的功能，把整个系统分成硬件设计和软件设计两个部分[7]。

2.1 系统结构

井下人员定位系统是由井下定位部分与井上监测部分组成的。井下定位部分由CAN总线连接的众多井下人员定位单元组成；井上部分由中继器把井下部分测得数据传输到监测中心；如图3所示。

2.2 系统的主要硬件设计

硬件系统主要由射频标签、射频读卡器分站、CAN总线、中继器和地面监测中心的监测计算机5部分组成。

图3所示的定位单元是实现人员定位的核心部分，由射频读卡器分站和射频标签两部分组成。作为连接地面监控计算机和射频识别定位系统的桥梁，射频读卡器的硬件电路主要由4个功能模块组成：C8051F020主控制模块、由主控制模块中的单片机控制实现的NRF2401信号收发模块、LCD显示模块、串行通信和下载模块。硬件电路中的NRF2401信号收发模块在接收到单片机的指令后，通过射频读卡器的天线发送信息给标签并能从标签天线接收信息，单片机将接收到的有用信息显示在LCD上[6]，并且通过串口CAN总线经电平转换后发送给地面监控计算机。

射频标签的核心电路结构为：C8051F020控制模块和CC2500无线模块。射频标签为有源标签，用矿灯电池对其供电，上电后C8051F020单片机首先要读取E2PROM中的程序和相关的数据放进自身的存储器中，然后运行调入单片机的程序并开始运行射频标签的通信协议，通过单片机对无线模块的控制，实现信息从天线的发射或接收。同时CC2500无线模块设置成RX模式，从RSSI状态寄存器中连续读取RSSI值。

2.3 系统的主要软件设计

本设计中系统软件主要由井下定位子系统和井下人员定位管理系统两部分组成。主要用到的开发工具有Keil Vision 2.0和 Microsoft Visual C++ 6.0[8]。其中，井下定位子系统主要用来获取和处理现场人员的信息并且发送出去，人员定位管理系统主要用来收集、显示、查询井下人员的信息。

2.3.1 井下定位子系统

井下定位子系统主要由三部分组成：定位分站软件设计、已知节点软件设计和待测节点软件设计。

定位分站的主要功能：建立无线网络、对无线网络管理和维护、接收无线信息与负责CAN总线的数据交换。

已知节点的主要功能：为待测节点和定位分站提供自身位置信息和RSSI值的定位信息。

待测节点的主要功能：接收定位命令、向已知节点广播RSSI值、接收返回的RSSI值、利用自身定位引擎计算位置并上传、突发情况紧急报警。

2.3.2 井下人员定位管理系统

煤矿井下人员定位管理系统是人员定位系统中提供给用户操作的部分，它以友好的界面形式实现人机交互，并且能够把巷道内人员分布情况直接展示出来[9]。人员定位管理系统主要由三部分组成，如图4所示。

人员定位管理系统完成的功能有：

（1） 日常考勤。自动统计下井人员的下井时间，当前位置，生成考勤报表。

（2） 人员定位与跟踪。把矿井图按比例显示在此用户图形界面上，标注各已知节点和读卡分站的位置，用动态的图标表示井下人员的移动。

（3） 数据存储、查询、打印。存储井下人员的出勤和活动轨迹，设置查询和打印功能。

（4） 安防救护。定期对人员定位系统和井下紧急避难设备进行检查，遇到紧急情况实时显示井下人员的数量、身份、位置。

（5） 其他功能。管理软件有联网功能，提供远程登陆和访问；针对矿井可能的人员变化和定位节点变化设置了扩容功能；为解决日后对更多功能的需求问题设置了升级功能。

3 结 语

基于RSSI的井下人员定位系统通过测量RSSI的值，结合双机测定待测节点的算法计算出人员的位置。通过这种测距方法进行定位，成本低、易实现。所设计的定位软件采用CAN总线进行数据传输，具有抗干扰能力强和传输实时性好等特点。系统对煤矿井下人员的实时追踪定位的应用上，有较强的推广价值。

参考文献

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[2] 刘志高，李春文，邢智鹏，等.巷道网络全局定位系统关键技术分析与实验[J].煤炭学报，2011（3）：519?526.

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[4] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5] 谭志，张卉.无线传感器网络RSSI定位技术的研究与改进[J].北京邮电大学学报，2013，36（3）：88?91.

[6] 韩东升，杨维，刘洋，等.煤矿井下基于RSSI的加权质心定位算法[J].煤炭学报，2013，38（3）：522?528.

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[8] 孙波，刘冬阳，徐奉，等.基于RSSI的煤矿井下巷道定位技术误差分析[J].煤炭学报，2014，39（z2）：609?614.

[9] 刘亚秋，李鹏，景维鹏.基于RSSI的井下人员定位技术研究[J].煤炭技术，2013，32（5）：96?97.