基于无线网络技术的煤矿井下人员定位系统研究

高丽聪

（霍州煤电集团吕梁山煤电公司方山木瓜煤矿， 山西 方山 033100）

引言

随着煤矿领域的快速发展，人们越来越关注煤矿安全问题。人员定位系统是保障煤矿井下工作人员安全的重要措施，由于煤矿作业环境的特殊性决定了对人员定位系统具有相对较高的要求[1-2]。随着科学技术的不断发展，越来越多的先进技术被应用到煤矿井下人员定位系统中，显著提升了定位系统运行的稳定性和可靠性，以及定位精度[3-4]。当前阶段Wifi 无线网络技术以其显著的优势在很多领域得到了非常广泛的应用，包括煤矿领域[5-6]。

1 煤矿井下人员定位系统总体设计

图1 所示为煤矿井下人员定位系统总体结构示意图。定位系统总体上可以划分成为两大部分，第一部分为井下数据信息采集，第二部分为井上数据信息处理。数据信息采集过程中需要用到Wifi技术，采集得到的数据信息通过Wifi无线传输技术和光纤网络传输到井上部分。

1.1 井下人员跟踪定位部分

这部分主要包括Wifi接入节点（AP）和Wifi移动节点、直流供电电源、交换机、光纤等。井下人员跟踪定位部分的主要作用是对整个矿井区域内部的所有工作人员位置信息进行收集与传输。移动节点基于Wifi无线网络技术向接入节点发送位置信息，接入节点将相关信息传输至交换机，最终传输至地面部分。系统中配备了直流供电电源，作用是在紧急情况下为人员定位系统提供电力供应，确保系统运行的可靠性。地面部分和井下部分之间通过光纤进行数据传输，以提升数据传输的效率和可靠性。系统中的Wifi移动节点包含多种类型，从图1 中可以看出主要包括Wifi手机、Wifi PAD、Wifi标签等。

1.2 地面集中控制中心

图1 煤矿井下人员定位系统总体结构示意图

地面集中控制中心将井下采集得到的人员信息，通过光纤网络传输至地面集中控制中心，由服务器对数据信息进行处理，判断得到人员的位置坐标，并且可以将分析所得结果显示在显示屏中，以供工作人员随时查看。此外所有的数据信息会存储在数据库中，以便后续调取使用。

2 煤矿井下Wifi 无线网络的规划研究

煤矿井下环境复杂，如何布置Wifi无线网络是系统设计中的关键问题，Wifi 无线网络规划质量好坏直接决定着人员定位系统定位效果和精度。但是煤矿井下空间较小、各个巷道之间相互交错，整体环境比较复杂，这对无线网络规划提出了较高要求。设计的人员定位系统需要传输的数据类型主要以文字和语音数据为主，因此对传输速度和数据量的要求不是非常高。基于相关理论和实践经验，并考虑煤矿井下实际情况，最终将相邻两个Wifi接入点的距离设置为300 m，能够实现矿井全区域覆盖。但是在一些特殊区域需要对Wifi接入点进行特殊处理，以保障人员定位系统没有盲区。如下页图2 所示为几种常见位置的Wifi接入点布置情况。

3 人员定位系统主要硬件的选型

在对人员定位系统的主要硬件进行选型时，不仅要考虑到当前阶段煤矿的实际使用需要，同时还要考虑到煤矿在未来一段时间的发展需要，下面对主要的硬件选型进行介绍。

图2 煤矿井下特殊位置的WiFi 无线网络布置示意图

3.1 建立Wifi 无线网络时用到的硬件

用到的光纤为两根12 芯单模光纤，通过该光纤实现井上部分和井下部分之间的数据信息传输。Wifi 无线网络中使用的硬件主要包含两个方面，分别为交换机和Wifi 接入点。

1）交换机。从上页图1 中可以看出，交换机是实现井下与工业以太网连接的重要部分，Wifi 无线接入点采集得到的数据信息，需要传输至交换机中，然后通过光纤传输至地面集中监控中心。考虑到煤矿企业未来的发展，所以在选用交换机型号时，要求交换机的性能较高。具体而言，必须要有较高的转发率、超过100 m/s 的传输速度等。系统中最终选用的交换机型号为CISCOWS-C3560G-24PS-S。该型号交换机具有良好的环境适应性，当环境湿度和温度分别在10%～85%和-5～45 ℃范围内时，均能够正常稳定工作[5-6]。

2）WiFi 无线接入点。为了实现整个矿井区域WiFi 无线网络的全覆盖，采用的是双模Wifi 无线接入点，并且要求接入点符合802.11 b 标准。要求无线网络接入点具有良好的网络稳定性，避免出现盲区。系统使用的是Cisco Small Business Model WAP200型Wifi 无线网络接入点。此外，无线接入点中还使用了RangeBooster 技术，该项技术的使用能够显著提升接入点的覆盖范围以及每个接入点的数据容量。接入点可以通过直流供电电源进行供电，在外部供电线路出现故障问题，无法正常供电时，可以调用直流电源进行供电，显著提升了系统的可靠性。所选择的硬件设备在湿度和温度分别在10%～85%和0～45 ℃范围内都能够安全稳定工作，完全能够满足矿井实际使用需要。

3.2 Wifi 定位节点硬件选型

人员定位系统中Wifi定位节点佩戴在工作人员身上，所选择的硬件设施必须要具备Wifi功能，可以实现与Wifi接入点之间的无线网络通信。可以作为定位节点的硬件设施类型比较多，常见的包括Wifi手机、Wifi PAD、Wifi笔记本、Wifi标签等，设计的人员定位系统中最终选用的Wifi定位节点硬件设施主要包含两种，分别为Wifi手机和Wifi标签。

1）Wifi 标签。可供选用的Wifi标签类型有很多种，但考虑到煤矿企业未来的发展，系统最终选用的Wifi标签型号为EkahauT 301，该型号Wifi标签具有良好的兼容性和拓展性，可以满足人员定位系统后续的升级改造。不仅需要符合Wifi通信协议，同时还需要符合Ekahau 串口协议。

2）Wifi 手机。同样的，选用的Wifi手机也要符合Wifi通信协议和Ekahau 串口协议。当前市场上很多手机都能够满足以上这些基本的要求，最终选用的是HTC 品牌手机，需要在手机内安装相关的软件程序。

3.3 地面集中监控中心服务器的选型

井下部分采集得到的人员位置信息需要传输到地面集中监控中心，然后利用服务器对数据进行分析和处理。因此服务器的质量对数据分析效果和速度有非常重要的影响，这对服务器的性能提出了很高的要求，只有计算速度快才能满足系统的实时性要求。选用的服务器为英特尔i5 处理器，工作频率超过1.86 GHz，内存为32 GB。另外，监控中心还配备了LED 显示屏，主要作用是对井下人员定位处理结果进行实时显示，以供工作人员查看。选用的是科泰公司设计加工的P8.0 型工业显示器。为提升系统的可拓展性，还可以直接将笔记本电脑与系统进行连接，实现数据的处理分析与查看。

4 人员定位系统的软件程序设计

对于煤矿井下人员定位系统而言，井下人员信息的采集与传输是最为关键和核心的内容。Wifi接入节点可以对Wifi移动节点进行侦听，Wifi 移动节点也可以主动向外发射位置信息，并被接入节点接收，通过这样的方式实现井下人员位置信息的采集。数据信息传输方面，Wifi 接入节点通过无线网络的形式将信息传输至交换机，然后利用光纤网络输送至地面集中监控中心进行处理。下页图3 所示为人员定位系统的软件工作流程图。

Wifi移动节点在向外发送位置信息时需要一同发送对应的人员编号，以便处理系统能够识别位置信息对应的工作人员。地面集中监控中心在接收得到人员位置信息后，基于系统内部已经设定的人员定位算法，对数据进行处理，可以得到具体的人员位置坐标，从而达到煤矿井下工作人员定位的目的。

5 结论

1）将Wifi 无线网络技术应用到矿井人员定位系统中，不仅能够大大简化整个系统，而且能够提升数据传输的效率和质量。

图3 人员定位系统的软件工作流程图

2）基于无线网络传输技术的煤矿井下人员定位系统可将人员定位精度可达到2 m，完全能够满足实际使用需要。