关于WiFi 通信技术的煤矿井下人员定位系统改进的研究

李治锦

（山西阳城阳泰集团西冯街煤业有限公司，山西 阳城 048100）

0 引 言

众所周知，煤矿开采环境非常恶劣，安全事故时有发生。且煤矿事故发生往往具有很强的随机性、不可预测性，同时井下通信条件差，传统的电缆传输技术手段无法有效地保障井下与地面之间高效的信息传输。目前主流的无线通信技术是井下定位系统研究热点，其拥有众多优势，可以快速布置、适应性好、可扩展性强等[1]。

基于无线传输WiFi 通信技术的煤矿井下人员定位系统，管理人员可实现对井下人员、设备动态情况的实时查询。一旦发生安全事故，系统可以自动报警，并提交人员位置信息，为第一时间施救提供了有效保障。本文基于WiFi 通信技术对现有的煤矿人员定位系统进行了改进，提升了系统的监测能力、定位精度以及可扩展性，对于对于煤矿井下监控系统的升级改造具有良好的借鉴意义[2]。

1 井下定位系统需求分析

煤矿开采的井下作业一直也来都是一项比较危险的工作，为了尽可能降低事故对工作人员的伤害，需建立和完善一套人员定位系统，以助于咋事故发生时能够第一时间了解人员所在位置并实施救助。

井下环境复杂，地面通信设备信号无法传输到下端，且在相对密闭的环境中容易出现瓦斯浓度偏高、环境温度、空气质量等问题。在设计人员定位系统时，为了满足定位精确、信息传输能力强、操作方便的要求，对系统的设计需求进行分析。

1.1 功能需求

为了最大限度的保护井下作业人员的安全，应确保万无一失，在突发的安全事故发生时，能够发挥系统各项功能，解救被困人员，因此就要求井下人员定位系统具备如下几个功能[3]：

1）能够实现对井下所有人员位置的定位、显示。

2）能够实现对位置信号的记录，并最终以轨迹的形式，显示于地图之中。

3）能够查询指定区域内，在一段时间内所有定位对象的分布情况。

4）当发生安全事故，系统能进行报警，并准确提供人员位置信息。

1.2 系统性能需求

矿井人员定位应用WiFi 技术，并结合企业自身的实际需求，以及通信特点，要求系统应具备如下的性能要求[4]：

1）高定位精度要求。理论上定位精度越高，越有利于实现对人员的准确定位，从而减少不必要的信息误判。基于WiFi 技术实现的人员定位系统，结合高效准确的定位算法，可以有效提高其定位精度。

2）时效性。要求定位系统数据传输应具有较好的实时性，适当提高信号传输网络通量，提升系统响应时间，确保人员在移动位置时，系统能及时更新。

3）系统的容量。系统容量大，可扩展性好；相反，如果系统容量小，当矿井规模不断扩大的时候，系统可能不发兼容那么多设备，考虑到后期可扩展的要求，应保证系统容量足够大[5]。

2 系统总体设计

定位系统以WiFi 通信技术为基础实现对井下人员信息与相关设备的监控，系统通过终端节点与信号器之间的通信传输，采集井下工人的位置信息。并将采集的信息经路由器无线传回地面服务器。定位系统初步设定目标是对工人位置的实时监控，对井下鱼人考勤，以及活动轨迹的记录，同时具备灾害事故报警能力。如图1 所示，为该系统架构示意图。

图1 井下人员定位系统架构图

根据WiFi 通信技术的特点以及系统的应用需求，系统需要满足相应的技术条件，如：低成本、低功耗、小型化、可拓展性、精度高，根据设计目标对系统硬件与软件进行设计，确保系统性能达到使用要求。

2.1 系统硬件设计

WiFi 通信技术定位系统中节点通常由定位传感器、处理器模块、无线通信模块、能量供应4 个模块组成（见图2），下面对主要的硬件设备进行说明[6]。

图2 WiFi 通信网络节点硬件模型

1）定位终端。如图3 所示，选择了M201A 型定位终端，其具有支持多种频道WiFi 网络信号的特点，且能够自动上传位置信息。具备紧急呼救功能，设置了报警按钮，可实现人员的主动报警，和被动监测，对于作业人员的定位具有重要意义。

图3 M201A 型定位终端

2）处理器。选择了德州仪器公司生产SC2380 处理器，具有较好的使用性能，硬件支持CSMA/CA 功能，且具有较低的功耗，系统在处于休眠模式下仅0.5

uA 的流耗。集成适用于IEEE 802.1.2 标准的信号收发器，可以保障定位系统通信性能以及无线接收灵敏度，同时具有较强的抗干扰能力。

2.2 系统软件设计

图4 Wi-Fi 技术煤矿井下人员定位安全系统

图4 为井下人员定位系统主界面，软件操作系统主要基于IAR Embedded Workbench（又称EW）开发工具，对煤矿井下人员定位管理系统进行了开发设计，结合煤矿自身特点，改进系统硬件配置，网络传输硬件设备以及服务器。EW 用于对汇编的最大特点在于能够兼容C 语言，易学容易上手。对原有操作界面上进行了集约化设计，创建将新增设的事故报警栏。

左侧设置工具栏包括：人员监测、统计查询、报警查询、设备信息、人员管理、系统设置六大模块。

3 人员定位系统测试运行

在完成人员定位系统的搭建后，需对系统性能进行实验测试。根据系统布置到位后先期的运行情况来看。系统达到了设计目标，可以实现信息的及时交互、人员定位精度最大值不超过4 m。实现了对人员定位位置信息的记录，并绘制人员运动轨迹如图5 所示，为系统所记录某人员在一段时间内在煤矿巷道中的轨迹图。由于篇幅所限在此不再对每个功能实现的界面进行展示。

图5 井下人员定位系统历史轨迹界面

煤矿井下人员定位安全系统软硬件的设计搭建成功，为煤矿矿井人员监测，提供了可靠有力的措施。在系统后期的使用中也证实达到了预期设定目标，系统在硬件、软件层面均得到了改进优化。保障了企业的安全生产，很好地满足了煤矿井下人员定位的实际需求。

4 结 论

1）针对现有定位系统存在定位精度低、硬件性能差等情况，对定位系统进行优化设计。首先，分析了系统的设计需求，并根据需求选择相应的硬件，改进服务器、通信系统、定位终端，最后基于EW 开发工具对软件操作系统进行了简约化设计，改进软件界面，提高实用性，最终完成对定位系统的构建。

2）对井下人员定位系统进行实验测试分析，验证了系统升级达到了预期设定目标，系统在硬件、软件层面均得到了改进优化，提高了系统的精度与可靠性。能够较好实现对井下人员轨迹追踪，可为后续深入研究提供参考。