煤矿井下人员定位系统的现状和发展

于 平

大同市杏儿沟煤业有限责任公司

煤矿井下人员定位系统的现状和发展

于 平

大同市杏儿沟煤业有限责任公司

人员定位系统可以作为煤矿监控子系统单独建设，也可嵌入煤矿综合监控系统中。整个系统由地面监控主机、网络传输接口、监控分站、读卡器和人员卡等组成，煤矿地面设有监控主机，对煤矿井下人员和其分布信息进行动态处理，并可以通过显示器提供友好界面，实现井下人员定位的直观展示，监控主机同样能够存储井下人员定位信息的存储功能，方便管理人员进行数据分析，完成人员调度、风险预判等工作。基于此，本文将着重分析探讨煤矿井下人员定位系统，以期能为以后的实际工作起到一定的借鉴作用。

煤矿；井下人员；定位系统

1、煤矿井下人员定位系统概述

地面监控主机通过以太网与井下监控分站互联，井下以太网络为环型，增强了网路的容错能力，保证井下人员定位信息及时传上地面监控主机。井下各监控分站则接收所辖区域内所有无线定位信息读卡器上传的井下人员实时定位数据。监控分站采用轮循方式接收读卡器上传数据，并通过以太网传输给地面监控主机，监控分站能够在通信中断时存储接收到的数据，并在通信恢复后上传到地面，实现定位信息的连贯有效性。

由读卡器与人员卡组成的井下无线定位信息采集系统则完成下井人员定位信息的实时采集。煤矿井下多采用射频识别技术完成人员定位采集，这是由井下巷道蜿蜒曲折、井下电源获取不便等因素决定的。该技术通过射频信号，读卡器与人员卡不需要接线，就能实现信息的传递识别，并具有低成本、低损耗、工作距离长的优势。人员卡可嵌入安全帽、腰带、矿灯中，下井人员下井前佩戴这些衣服器具，在井下，人员穿过读卡器的射频载波感应区，人员卡就会被其激活，将含有人员身份、时间、定位的信息通过射频信号发送给读卡器，读卡器在进一步传递给监控分站，最终通过以太网传递给地面监控主机。

2、煤矿井下人员定位系统设计要点

2.1 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1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，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。

2.2 系统的主要软件设计

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)井下人员定位管理系统。人员定位管理系统主要由三部分组成。人员定位管理系统完成的功能有：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；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；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；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；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。

图1

3、煤矿井下人员定位系统具体定位算法及功能

无线通信技术定位算法主要分为两种：1)距离式的算法；2)非距离式的算法。前者是依据所测量的各个节点之间的距离，借助最大似然估计法来计算节点之间的具体位置，其中最常用的技术有RSSI、LQL等测量距离的技术。而后者则是不需要使用具体的距离信息，而是直接依据网络连通性的特点来对各个节点进行定位。

本次试验主要采取测量距离的技术是在RSSI的基础上进行的，RSSI是用来表示节点无线信号强弱的技术。使用RSSI测距公式RSSI=A-10nlg(d)导出距离d，这样就得到了未知节点和某ID信标节点的距离。具体来说，在利用RSSI技术的前提下，能够提前知道节点所发射的信号强弱，而接收的节点则会依据发射节点所发射的信号强弱来直接计算该信号的损耗。同时通过理论与实践模型，能够把损耗转换为距离，从而在基于三角定位理论上，正确找到节点的具体位置。假设n个节点的坐标分别为B1(x1，y1)，B2(x2，y2)，…，Bn(xn，yn)，所测节点的位置坐标为O(x，y)，那么所测节点到各节点的距离分别是d1，d2，…，dn，根据二维空间距离计算公式，可以得到节点O的坐标估计值为：