基于RSSI的煤矿井下智能头盔人员定位技术研究

摘 要 煤矿产业对于人员的配置和工程实施的准确性有着严格的要求，它需要做到既能勘测探查又能与地面工作站的调度人员沟通交流，所以一款基于硬件测距定位算法下的RSSI系统头盔，对煤矿企业的安全生产、文明生产和科学生产具有重要的意义。

【关键词】煤矿 反聩回流技术 RSSI 测距

1 引言

2016年，世界经济全面进入增长饱和期，传统煤矿产业的发展全部进入发展的“天花板”阶段，为了更好的接受和适应煤矿产业对于我国经济的影响。我国的科技开发企业纷纷进入“以人为本，科技优先，大力发展应用技术和通用科学领域”，从而各种相对领域的产品应运而出。在各种新奇的产品中，有的负责原料的二次精加工，有的负责元素物质的“检测”。而煤矿的远程人员监控定位技术的应用也被推上科技研发的“断梁桥”，随着科技的继续深入和研究，人们逐渐发现，RSSI系统稳定性传输的特性似乎非常适合恶劣环境下的距离测量，RSSI的计算方法和传输方式和同时代的测距系统相比有着明显的不同，它不是通过传统的对时间常数的计算来完成测距而是通过点对点的相对位置来完成计算，因为计算方式的改变，所以RSSI系统的准确性和适应性大大提高，它不会和传统反馈计算一样受限于冰川和回波矿洞，所以在极地环境下也可以进行正常使用。

2 系统构成

2.1 系统总体流程

发射信号通过RSSI系统的内部解码处理，系统形成一段无规律的特定频率波形，再通过RSSI硬件设计上的无线传输功能发射给二级工作基带或者是放大基带，二级处理后将其波形进行噪音处理，通过对噪音的处理分级将各个阶段的信息实时传输给相应部门完成总体的指令传达，如图1所示。

2.2 RSSI的基本介绍

RSSI（全称为Received Signal Strength Indication）它把接收的信号通过解码处理进行非可视的强度处理指示，它的无线发射和无线接收为可选方式，它拥有一个判断链接用来判断物体发射的总质量，从而决定是否增大广播的通用发射强度。它通过高频方式接收到的信号强度来测试信号发射点和信号接收点的距离长短，再通过DSP算法来进行定位计算的一种定位技术。

RSSI的主要特征是在反向通道基带接收滤波器之后进行的。为了更好的对反向信号进行无差别解码的获取，它利用内部IC基带芯片IQ的功率积分功能，从而得到RSSI的瞬时值即RSSI（瞬时）=sum（I^2+Q^2），继而通过瞬时值计算出RSSI的平均值和限时功率。RSSI的功率计算IC与其天线发射并无关系，所以反向通道不会对它的计算功率和发射功率有所影响。

2.3 电磁基带的总体计算

RSSI为了获得准确的定位效果需要一个相对稳定的无线电电磁辐射较小的环境。电磁的计算公式总体可以规划为 PN = 10lg（KTW），对于不同环境下电磁的反射计算略有不同，但是总体来说电磁的反射水平和计算方式并无太大的不同，只是一些基本计算和同位素辐射干扰对信号的接收有着些许影响，可以通过硬件电路的改进对干扰进行最小化处理，从而将RSSI系统功率最大化，保证RSSI系统使用者的安全和正确上线率。RSSI信号也有一定的带宽率，具体可以理解为网络信号的“带宽率”但是它的单位却是HZ。也就是说它从本质上来说可以理解为“电磁底噪”，电磁底噪水平的计算公式：噪声基底=-174+10 log（BW） + 噪声指数。假设我们要计算CDMA系统的带宽的电磁底噪的数值的话，我们可以利用噪声基底=-174+10log（1.25*10^6）=-113dBm来进行准确计算。由于天线端并没有经过有源设备，因此噪声系数为0。如果计算基站LNA噪声基底就要加LNA的增益和LNA的噪声系数。

2.4 RSSI反馈负值出现的具体原因

RSSI的数值输出方式是靠无线接收，但是无线接收的信号是负值，所以通过无线的RSSI输出信号数值也是负值。而且无线信号的等级大多数都是mW这个级别的，如果我们对RSSI信号的解码进行多极化处理，再将其进行dBm格式化之后，我们表示的信号就不再为负数指示了，那么对于我们分析数据来说此时的1mW就等于0dBm，那么小于1mW的对于我们来说就可以看成是负数格式了。同理，我们也可以把对于RSSI值的分析应用与dBm值上，因为mW对dBm值的限制，导致dBm值的最大数就为0，所以不管我们怎么改变或者测量，得出来的数就始终为负数，这时候我们就不要盲目的去查看无线功能的数值或者ISP值了因为是mW的限制导致了负数的产生，我们只用对其数据进行升值处理或者在计算的时候进行降值计算就可以得出正确的结果。

2.5 RSSI 工作IC的地面人员电平数据分析

因为RSSI是对于一个系统中的RX位进行操作，所以可以通过电平的模拟估值来进行简单了解，主要因为值基于 RX 信号链中当前的增益设置和信道中测得的信号电平，所以在 RX 模式下，RSSI 值能连续地从 RSSI 状态寄存器中读取，直到解调器检测到一个同步字为止（同步字检测有效）。此时，RSSI 读取值被冻结，直到下一次芯片进入 RX 状态为止。

从 RSSI 状态寄存器中读取的 RSSI 值为一个 2 的补数。可使用下列步骤将RSSI 读数转换为一个绝对功率电平 （RSSI_dBm）：

（1）读取 RSSI 状态寄存器；

（2）将读数从一个十六进制数转换为一个十进数 （RSSI_dec）；

（3）如果 RSSI_dec ≥ 128，则 RSSI_dBm = （RSSI_dec - 256）/2 – RSSI_offset

（4）如果 RSSI_dec< 128，則 RSSI_dBm = （RSSI_dec）/2–RSSI_offset）。

图2列举了 RSSI_offset 的一些典型值。图 3 和图4 为 RSSI 读数的典

型曲线图，其为不同数据速率下输入功率级的一个函数。

所以根据下图我们可以得出如果 RSSI_dec< 128，则 RSSI_dBm = （RSSI_dec）/2–RSSI_offset）。注：（RSSI_dBm =101/2-75= -25dBm）。

2.6 RSSI定位计算

RSSI的基本公式为p（d）=A-10nlgd+x。这个公式是基于无线电强度下的计算方法，它通过假定两点D1和D2两点，然后通过D1，D2两点下的盲点计算来定位信息的基本的位置，假如矿工通过佩戴RSSI系统头盔在矿洞地下行走，那么它的位置就是D1，如果矿工向前行走道X米处，那么它的行径路程就为D-D1，但是因为没有设计D2的具体位置所以不能进行计算，但是我们通过计算D-D1到D1的相对位置可以计算出矿工的移动位置，然后通过p（d）=A-10nlgd+x公式带入X然后把发来的电平波形解码得出16进制数，再把16进制结果代入d（注：带入结果为nlgd中的d），从而得出总体的D2位置，然后再把D2代入p（d）=A-10nlgd+x公式中，最后得出距离位置结果，假如矿工没有移动，那么x就为0。

3 软件构成

计算公式：d = 10^（（abs（RSSI） - A） / （10 * n）其中： d - 计算所得距离RSSI - 接收信号强度（负值） A - 发射端和接收端 相隔1米时的信号强度 n - 环境衰减因子。传入RSSI值，返回距离（单位：米）。其中，A参数赋了59，n赋了2.0。由于所处环境不同，每台发射源对应参数值都不一样。按道理，公式里的每项参数都应该做实验（校准）获得。

4 结束语

通过研究RSSI的电磁基带反馈率以及噪音回馈系数我们可以得知在地下矿井中RSSI的测距反馈系统完全可以胜任煤矿地带矿工人员的远程定位问题，不管地底施工人员在那种地层基段位置，在地面基站的RSSI測距反馈接收平台都可以实时的接收他们的位置信号从而保证矿井下施工人员的安全。同样，假如发生了人为不可控的意外事故时，地面救援人员也可通过RSSI系统的定位功能找到被困人员的具体位置，从而减少不必要的搜索探寻时间，增大煤矿井下的被困人员的救援存活几率。

参考文献

[1]赵昭，陈小惠.无线传感器基于RSSI的改进定位计算法[J].传感器学报，2009.

[2]陈三凤，陈万民.基于RSSI误差分析的无线传感器网络定位研究[J].计算机工程与应用，2011.

[3]陈维克.基于RSSI的无线传感器网络加权质心定位算法[J].武汉理工大学学报，2006.

[4]刘俞铭.煤矿保护与监控技术及综合自动化管理实用手册[M].银川：宁夏大地出版社，2005.

[5]任丰源，黄海宁，林闯.无线传感器网络[J].软件学报，2003.

[6]王福豹，史龙，任丰源.无线传感器网络中的自身定位系统和算法[J].软件学报，2005.

作者简介

邓优林，女，湖南省岳阳市人。在读硕士。现为湖南安全技术职业学院讲师。研究方向为电子与通信技术。

作者单位

湖南安全技术职业学院 湖南省长沙市 410151