基于WiFi 无线网络技术的新型矿井人员定位系统的设计研究

刘光远

（同煤集团晋华宫矿，山西大同 037016）

0 引言

煤矿安全问题一直以来都受到社会各界的广泛关注。虽然我国现在非常重视煤矿安全，但是在实践过程中偶尔还是会出现煤矿安全事故相关的报道［1]。说明煤矿安全问题并没有得到彻底解决，煤矿生产仍然存在很多安全隐患［2]。煤矿环境特殊，一旦发生安全事故，开展救援工作存在很大的难度［3]。在以往开展矿井应急救援工作时，由于不掌握井下具体情况，在做各项决策时就没有依据可循，往往会耽误黄金救援时间［4]。如果煤矿企业能够实时掌握井下所有人员的具体位置坐标，那么在开展救援工作时就会非常方便，具有很强的针对性。可见，根据矿井实际情况建立井下人员定位系统非常重要，在关键时刻能够挽救更多人的生命［5-6]。本文基于先进的WiFi无线网络技术设计研究了新型矿井人员定位系统，系统具有非常高的定位精度，在保障井下人员生命安全方面发挥着重要作用。

1 新型矿井人员定位系统总体结构分析

设计矿井人员定位系统的目的在于对井下人员的位置进行跟踪定位。系统主要由3 大部分构成，分别为井下位置信息采集部分、井上位置信息分析部分、数据信息传输部分。图1 所示为新型矿井人员定位系统总体结构示意图。

图1 新型矿井人员定位系统总体结构示意图

（1）井下人员定位信息采集部分

数据信息采集部分主要由两部分构成，分别为定位终端和定位标签。定位标签安装在煤矿巷道壁中，结合煤矿具体情况，将相邻两个定位标签间的距离设置为5 m。定位终端由井下人员携带，定位终端内部包含有WiFi模块和读卡器模块。系统工作时，定位标签会向外发出无方向性的信号，定位终端中的读卡器模块可以接收信号，经过处理后通过WiFi模块将包含有位置信息、时间信息以及人员ID信息的数据信息返回给定位标签。

（2）井上位置信息分析部分

井上部分主要由服务器以及安装在服务器中的定位软件、显示器等部分构成。井下部分采集得到的数据信息传输到井上部分后，利用安装在服务器中的软件对数据进行分析，具体的定位算法为三边定位方法。计算得到人员具体位置坐标，然后将结果显示在显示器中供工作人员查看。

（3）数据信息传输部分

系统中的数据信息传输主要有两部分。其一为定位标签和定位终端之间的数据传输，通过WiFi无线网络实现；其二为接入点与井上位置分析部分之间的数据传输，通过工业以太网实现。定位标签将接收到的数据信息输送至接入点，然后由接入点通过工业以太网传输到井上部分。

2 定位终端硬件的设计

2.1 硬件总体结构

在整个矿井人员定位系统中，定位终端是其中非常关键和核心的部分。因此这里主要对定位终端的硬件进行设计。图2所示为定位终端硬件部分的结构示意图。从图中可以看出定位终端硬件主要由3 部分构成，分别为CPU处理器、读卡器模块和WiFi模块。CPU的主要作用是下达指令对读卡器模块进行控制，确保读卡器能够准确的读取定位标签发射的信号。同时还需要对WiFi模块进行控制，确保能够准确地将相关数据信息进行打包后发送出去。

图2 定位终端结构示意图

各个硬件模块之间的工作流程如下：CPU模块对读卡器模块下达指令读取定位标签信息；读卡器模块接收到指令后按照指令内容对相关信息进行读取，然后将读取到的信息反馈给CPU；CPU将获得的标签数据信息传递至WiFi模块，并对WiFi模块下达指令将相关数据信息发送出去。

2.2 各模块的设计

（1）读卡器模块设计

该模块的作用是按照CPU 下达的指令准确读取标签终端的数据信息并将结果反馈给CPU。读卡器模块内部又包含有两个模块，其中一个模块的作用是对附近的定位标签进行有效识别，另一个模块的作用是读取识别到的定位标签发射出的信号。读卡器模块选用的是AS3990型芯片，内部集成有功率放大器，能够使整个系统变得更加简化，可通过编程的方式对其功能进行自定义，以满足各种实际使用场景。该型号该读卡器读取范围超过5 m，能满足系统实际使用需要。

（2）WiFi模块设计

定位终端中的WiFi 模块作用是将CPU 发送过来的数据信号，按照CPU下达的指令发射出去，最终让这些数据传递到井上位置信息分析部分。另一方面，WiFi模块还需要接收来自井上服务器发送的指令。CPU模块和WiFi模块之间通过串口实现通信，CPU 模块基于使能引脚对WiFi 模块进行控制。WiFi模块选用的是GS1010 芯片，由美国公司设计生产，其传输速度超过2 Mb/s。该型号芯片的闪存大小为380 kb，内部包含有2个ARM7 微控制器，需要1.8 V的直流电源对其进行供电。体积很小，缩小了整个定位终端的规格。WiFi模块工作原理示意图如图3所示。

图3 WiFi模块工作原理示意图

（3）CPU模块设计

定位终端是配备在井下人员身上的，CPU 模块内部写入了对应人员的相关信息。CPU模块的作用是对读卡器模块和WiFi模块进行有效控制，将读取到的定位标签数据信息转发给WiFi模块时会一并发送人员ID信息。

2.3 终端接口设计

本系统中的定位终端接口主要包含两部分，分别为CPU模块和读卡器模块间的接口、WiFi 模块和CPU 模块间的接口。第一个接口的作用是CPU向读卡器模块下达指令、读卡器模块将读取到的信号传递给CPU，接口通过8 位并行口实现通信。第二个接口的作用是CPU将标签终端中的数据信息以及人员ID信息传输给WiFi 模块、WiFi 模块将接收到的井上部分下达的指令传递给CPU，该接口通过串口实现通信。

3 定位系统软件程序设计

3.1 定位终端软件程序设计

图4所示为井下人员定位系统定位终端的软件程序工作流程图。

图4 定位终端的软件程序工作流程图

定位系统会无时无刻地在整个矿井范围内搜索定位终端信号。当携带定位终端的工作人员进入矿井内部时，其中的读卡器模块就会扫描附近的定位标签，如果没有则会定期进行再次扫描，直到发现有定位标签为止。如果发现有定位标签，则还需要对定位标签进行识别，确保识别到的定位标签为唯一标签，然后才会与该标签进行信号传递。如果发现不是唯一标签则需要通过设定的防冲突算法进行处理后再进行访问。定位终端中的读卡器模块读取定位标签中的数据信息，然后通过WiFi模块将信号数据打包发送至接入点。接入点将所有的信号数据通过工业以太网传输到井上部分，通过服务器计算分析得到井下人员的具体位置坐标。

3.2 井上部分定位算法研究

本研究中通过三边定位算法实现井下人员位置的确定。图5所示为三边定位算法基本原理示意图。定位终端和定位标签之间在进行通信过程中，系统可以根据两者之间信号通信的强弱来判断它们之间的距离，但是无法有效判断方向。定位终端可以同时和矿井内的多个定位标签实现通讯。理想状态下，只需要知道定位终端与其中三个定位标签之间的距离就可以通过如图5（a）所示的基本原理定位得到定位终端的具体位置，即可实现井下人员的精确定位。

图5 三边定位算法原理示意图

但是在实践过程中，不管是在数据读取还是数据传输过程中都会存在一定程度的误差，导致在计算定位终端和定位标签之间距离时会产生误差。系统在实际使用过程中很难达到图5（a）所示的理想状态，更多情况下是得到图5（b）所示的结果。图中阴影部分是定位终端的位置区域，通常情况下取该部分的质心，认为就是井下人员的具体位置坐标。

4 结束语

随着煤矿领域的发展，人们越来越关注煤矿安全问题。在这样的大背景下，越来越多的矿井都建设了井下人员定位系统，该系统在保障井下人员安全方面具有重要的作用。WiFi技术以其显著的通信优势，当前在各行各业都有广泛的应用。本文就是基于WiFi无线网络通信技术搭建了煤矿井下人员定位系统，该系统投入使用后发挥了重要作用，能够通过井上的显示器实时查看井下人员的位置信息和状态。对于提升矿井的安全性具有重要的实践意义。