基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井人員識別與定位系統(tǒng)

程金明　閔輝

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型化的嵌入式系統(tǒng)，在分析嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)和組成的基礎(chǔ)上，給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和一個(gè)參考設(shè)計(jì)，構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了一個(gè)WSN試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于礦井人員識別與定位系統(tǒng)，獲得了良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 礦井人員識別與定位

目前國內(nèi)有很多企業(yè)從事井下人員跟蹤系統(tǒng)的研究與開發(fā)，井下人員跟蹤系統(tǒng)大都采用RFID技術(shù)。這類方法存在下列幾個(gè)問題：（1）射頻卡讀寫系統(tǒng)讀寫距離非常有限，它只能用于上下礦井人員的考勤紀(jì)錄：（2）射頻卡讀寫系統(tǒng)使用的頻率都較低，抗干擾能力差：（3）這種系統(tǒng)讀卡速度十分有限，不能處理多人同時(shí)快速通過讀卡系統(tǒng)的情況，系統(tǒng)往往會出現(xiàn)漏讀；（4）如果使用遠(yuǎn)距離射頻卡（RFID）系統(tǒng)，讀寫器價(jià)格都較貴。將無線傳感器試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)，應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控中，研制出一個(gè)礦井下人員識別與定位系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

首先鋪設(shè)分布式基站節(jié)點(diǎn)固定在巷道或者工作面上，建立及時(shí)采集環(huán)境信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；每個(gè)礦工佩戴安裝有射頻模塊的節(jié)點(diǎn)的安全帽，以自組織網(wǎng)絡(luò)方式加入網(wǎng)絡(luò)，并把身份信息、環(huán)境信息、礦燈電壓、以及突發(fā)事件報(bào)警信號通過網(wǎng)絡(luò)上傳地面監(jiān)控中心；中心根據(jù)基站的區(qū)域定位功能感知礦工位置，方便動(dòng)態(tài)管理與實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（1）工作人員的頭戴式安全帽中植入重量輕、體積小的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)由礦燈的充電電池供電，電源電壓為3.6～4V可調(diào)；設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成3.3伏電壓向通信節(jié)點(diǎn)供電。另外，節(jié)點(diǎn)上還可以安裝體積較小的空氣質(zhì)量傳感器；實(shí)時(shí)監(jiān)控巷道內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，增加防爆?bào)警功能。安全帽上除礦燈開關(guān)外，再增加一個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)“一鍵報(bào)警”功能：此信號有最高優(yōu)先級，由基站感應(yīng)后，上傳地面控制中心，方便及時(shí)處理突發(fā)事件。

（2）巷道內(nèi)安裝射頻基站，除了能完成與節(jié)點(diǎn)的射頻通信功能外，還能改變數(shù)據(jù)封裝，轉(zhuǎn)換成CAN總線或者LINE總線利用電纜直接將井下情況上傳地面監(jiān)控中心。另外，還方便增加信號燈的無線識別功能。利用ZigBee低功耗和低成本的特點(diǎn)，使用電池供電；可以在需要定位的任何地方安裝，而無須擔(dān)心投資太大：也可以隨著坑道向前推進(jìn)，靈活機(jī)動(dòng)的安放在任意位置。

（3）地面監(jiān)控中心的信息管理軟件，設(shè)置專門的數(shù)據(jù)庫，記錄當(dāng)前時(shí)刻的工作人員井下分布圖。當(dāng)意外情況發(fā)生時(shí)，查詢數(shù)據(jù)庫，即可了解事故前一時(shí)刻礦井人員分布，方便及時(shí)搶救。即使看不見，也可以檢測到。

二、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

①根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要，沿坑道每隔500M距離，工作面的距離則可降低為150M在坑道適當(dāng)位置（例如頂部）；安裝一個(gè)基站模塊（可采用電池或連接式電源），同時(shí)在其它需要定位和網(wǎng)絡(luò)連接的地方，也安置相應(yīng)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊；為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有無線網(wǎng)絡(luò)模塊使用的都是抗干擾的直序擴(kuò)頻通信方式，而且，每個(gè)模塊都有接收信號強(qiáng)弱指示功能（RSSI）。

②所安裝的基站將自動(dòng)組成一個(gè)ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際就是一個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)定位點(diǎn)，只不過比起使用RFID來定位的方法，我們的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可通過讀取移動(dòng)目標(biāo)的信號強(qiáng)度，來確定移動(dòng)目標(biāo)的位置信息。

③ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積要小得多，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信，不一定要使用額外的光纖或通信電纜來進(jìn)行連接（當(dāng)然，如果將有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)互為備份通信通道更好）。

（2）移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)

①每個(gè)工作人員（即，需要定位的移動(dòng)目標(biāo)），都需要隨身攜帶一個(gè)無線身份卡模塊，或固定在安全帽上的一個(gè)全封閉的模塊約（40x19x8 mm）大小，每個(gè)模塊的發(fā)射功率小于1/1000W。

②為了增加電池使用壽命，傳感器節(jié)電每隔5～30s發(fā)射一個(gè)身份碼信號。為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有m—node模塊使用的都是抗干擾的直序擴(kuò)頻通信方式；同時(shí)，在緊急情況時(shí)，還可以通過m.node上的按鈕，隨時(shí)發(fā)出緊急求救信息。

③該無線身份模塊還可與瓦斯探測等傳感器相連，這樣，不僅可以根據(jù)需要，機(jī)動(dòng)靈活的在不同位置（特別是采掘面）采集各種安全生產(chǎn)所需的信息（例如瓦斯?jié)舛?，風(fēng)壓風(fēng)速等），同時(shí)自動(dòng)地將采集點(diǎn)的位置信息和相關(guān)信息傳給監(jiān)控中心。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，該無線模塊可以立即通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將濃度信息，位置信息和報(bào)警信號傳往監(jiān)控中心，必要時(shí)，將同時(shí)啟動(dòng)其它聯(lián)動(dòng)的應(yīng)急設(shè)備；

（3）移動(dòng)目標(biāo)位置的確定

當(dāng)利用信號強(qiáng)度改進(jìn)定位精度時(shí)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到的某個(gè)移動(dòng)身份卡的信號強(qiáng)弱，還可用來決定該移動(dòng)目標(biāo)距離這個(gè)定位節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)近，信號越強(qiáng)，則離開這個(gè)定位節(jié)點(diǎn)越近，信號強(qiáng)度與到該定位點(diǎn)距離的函數(shù)關(guān)系，可以通過預(yù)先的簡單實(shí)際測量獲得。當(dāng)有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到某一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)的信號時(shí)，就可以確定，移動(dòng)目標(biāo)必定位于這兩個(gè)定位節(jié)點(diǎn)之間的某處，其具體的位置，可以利用這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)所接收到的該移動(dòng)目標(biāo)信號強(qiáng)度的具體值，通過簡單計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測校正來得到。值得注意的是，在環(huán)境較為復(fù)雜的地方，特別是定位區(qū)域并非線狀的地方，例如某些作業(yè)面，我們需要通過增加定位節(jié)點(diǎn)數(shù)量的方法來提高定位精度。

利用ZigBee無線通訊技術(shù)，射頻區(qū)域定位技術(shù)，數(shù)字化礦井相關(guān)技術(shù)來研制井下人員定位與數(shù)字化機(jī)車裝置，能提供井下人員定位，機(jī)車綜合管理，井下人員身份管理等多種服務(wù)，可以廣泛應(yīng)用于各種礦井，尤其是人員流動(dòng)大，井下坑道復(fù)雜的大中型礦井。系統(tǒng)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)和嵌入式技術(shù)的基礎(chǔ)上完成無線定位和人員身份及機(jī)車信息的傳輸，具有定位精度高、速度快，傳輸及時(shí)、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]邵鵬.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與以數(shù)據(jù)為中心的應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[D].2003-1

[2]任豐原，黃海寧，林闖，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]軟件學(xué)報(bào)，2003.1

作者簡介：

程金明，本科，研究方向：自動(dòng)控制。