基于无线传感网络的井下定位系统设计与实现

胡建宏

（武威职业学院，甘肃 武威 733000）

随着矿产资源应用范围的不断扩大，我国对矿产资源生产安全的重视程度也逐渐提升，由于矿井内部环境复杂，且采矿过程中存在大量的安全隐患[1]，因此对井下人员进行准确的定位具有重要的现实意义。现阶段，我国对井下人员的定位多采用遗传定位系统，虽能完成常规的定位活动，但定位精度不高，且常出现定位偏差等问题，为此，本文提出并设计了一种基于无线传感网络的井下定位系统。所谓无线传感网络，就是一种分布式数据通信网络，它的末梢是可以感知和检测外部数据环境的，并通过无线通信的方式，与系统终端进行直接交流，以随时更改系统的定位设置。最后在IAR EW8051环境内进行系统的开发与实现，验证了本文系统的可行性，实验结果表明，基于无线传感网络的定位系统较传统定位系统的井下定位精度高27.1%，具备极高的有效性。

1 井下定位系统硬件设计

（1）无线传感器。传感器的优化设计主要利用无线传感网络技术，对系统网关功能进行发起的同时，组建通信网络，并利用系统的最小外围器件构建传感器的射频输入与输出电路。射频电路接口采用CC2530F64芯片为主要控制载体，能够同时接收多个定位信息，并对系统的封装尺寸、引脚等规格进行有效调整，实现井下定位信息的快速通信过程。接收天线选择PCB天线，当系统下发定位指令后，PCB天线会立即将定位指令传输至各个功能模块[2]，结合无线传感网络，该优化设计的传感器能够全方位辐射每个方向上的传输信号，将定位指令进行准确传输。

（2）I/O控制器。I/O控制器负责定位线上的所有引脚，当系统CPU检测模块的其他控制单元被占用时，控制器便自动打开刀闸开关，对CPU进行I/O转换，使被占用的检测模块立即停止运行，对定位数据进行重新获取。若系统CPU处于空闲状态，控制器便对定位信息进行重新判断，判断过程将定位数据进行输入或输出，实现灵活、准确的定位控制。控制器内部引入8051单片机芯片，同时配置8GB内存的随机存储器与868MHz的工作频段，实现控制器内部引脚与外部引脚间的随机选择，进而为系统的软件运行提供较为强大的控制载体。

2 井下定位系统软件设计

系统软件在IAR EW8051环境下开发，由于井下环境恶劣，因此用调试器验证了该系统的可行性，同时引入C+语言对系统的运行代码进行编写，以保证系统的稳态运行。

对无线网络定位信号的强度值进行接收并记录，将接收到的信号按照强度由高到低的顺序进行排列，将所有定位信号控制在一个接收矩阵内，以降低无线通信过程中的信号损耗。定位信息的控制计算如下：

式中，F代表定位信息的控制矩阵；G1、G2分别代表接收与发射天线的增益结果；λ代表无线传感器传输过程中出现的通信波长；P代表线路总功率；l代表通信过程中的信号损耗。

通过对定位信息矩阵的确定，将传输过程的损耗值换算为欧式距离，再将质心算法引入井下人员位置的获取过程，得出井下人员的定位节点坐标：

其中，Rx、Ry、Rz代表井下作业人员的空间坐标，Rx代表横坐标，Ry代表纵坐标；Rz代表高度坐标；d代表井下作业人员的实际位置；d0代表定位过程中的参考位置；L代表定位信息传输过程中的欧氏距离计算系数，此次计算不做定向分析。

经过上述定义，将基于无线传感网络的井下定位系统在IAR EW8051环境下进行开发，将定位节点接收到的各个参考值进行权值对比后，若对比结果的偏差范围在10以内，则实现对井下作业人员的精准定位，完成基于无线传感网络的井下定位系统的设计过程。

3 实验

实验在Matlat平台内模拟井下巷道环境，巷道长60m，宽1.9m，高4m。同时，将无线传感网络设置在巷道两侧，其间隔设置15m，引用4个参考节点对实验结果进行校正，利用本文系统对井下巷道人员的位置信息进行定位测试，以验证本文系统的可行性。为了保证实验的严谨性，采用传统定位系统作为参照，在改变作业人员位置、井深的条件下，对两系统的井下定位精度进行统计与分析。其实验结果如表1所示。

表1 井下定位精度对比结果

分析表1数据可知，在相同的定位条件下，本文系统的有效定位率均不低于95%；而传统系统的有效定位率均低于90%，因此在井下人员的有效定位方面，本文系统具有明显的优势。

同时，本文系统的定位失误率也很低，较传统系统的定位失误率平均低3.5%，计算可知，本文系统的井下定位精度比传统系统的井下定位精度高27.1%。

因此可以得出结论，本文设计的基于无线传感网络的井下定位系统具备可行性和有效性，能够同时兼顾井下人员定位与位置信息传输的统一，最终的井下定位效果较为理想。

4 结语

本文利用无线传感网络技术，设计了一种井下定位系统，经实验验证，确定本文系统的有效性。但在本次研究中，还存在一系列的不足，例如实验环境的模拟、系统硬件的优化设计等，希望在下次的研究中能够将理论结合实际，进一步增强实验结果的说明性，以为我国井下定位系统的研究与发展提供基础。