井下人員定位系統(tǒng)

1、井下人員定位系統(tǒng)徐春妹,陳芳芳(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,南京210096)摘要：本文主要介紹了綜合應(yīng)用 WSN、RFID、WLAN、SDR技術(shù)的WM SRS系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)總體目標(biāo)、整體方案，詳細(xì)介紹了運(yùn)用射頻技術(shù)進(jìn)行井下定位的工作原理，給出了 WM -SRS監(jiān)控系統(tǒng)主控軟件結(jié)構(gòu)體系框圖。關(guān)鍵詞:WM SRS； RFID ；定位；實(shí)時(shí)監(jiān)控中圖分類號(hào):T N929. 4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8329( 2006) 03-0052-03Positioning System of Personnel U nder MineXU Chun-mei, CHEN Fang -fang(S

2、chool of Infor mation Science and Engineering, Southeast University , Nanjing 210096, China)Abstract : This article mainly introduces the integr ated application of WSN、RFID、WLAN、 SDR tech no log ies and WM SRS system , describes this system's total objective and complete scheme, presents the op

3、eration principles of underpit location by using radio frequency techno logy , lists the WM SRS con trol system's frame graph of do min ated soft ware structure system .Key words : WMSRS; RFID; locatio n; real-time contr ol無線通信技術(shù)2006年第3期也 52 311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH

4、 riglu：. zhvwA'nki.nd無線通信技術(shù)2006年第3期也 52 311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH riglu：. zhvwA'nki.nd1冃I言我國是世界第一產(chǎn)煤大國，煤礦礦山近3萬多個(gè)，其中大中型煤礦500多個(gè)，小煤礦2萬多個(gè)，井下 工作人員超過100萬人。近年來礦井危險(xiǎn)性事故時(shí) 有發(fā)生，煤礦事故死亡人數(shù)是世界上其他主要采煤 國家死亡人數(shù)的4倍。山西省小煤礦爆炸、北京大安 山煤礦巷道塌陷、吉林省萬寶煤礦火災(zāi)隨著對(duì) 煤炭需求量的不斷增大，近年來我國煤礦事故攀升 趨勢(shì)嚴(yán)重，煤礦安全狀況令

5、人擔(dān)憂。分析近期幾個(gè)煤 礦發(fā)生的特大事故時(shí)發(fā)現(xiàn)最主要的原因是地面與井下人員的信息溝通不及時(shí)，以至地面人員難以及時(shí) 動(dòng)態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，難以進(jìn)行精確人員定位。井下地形復(fù)雜給人員撤離和事故搶救 帶來了極大的困難。若能及早確定井下人員所處的 位置,會(huì)給營救工作帶來極大的方便，并且能節(jié)省大 量的時(shí)間，將人員損失減少到最小。無線礦井生命安 全與救援系統(tǒng)(WM SRS, WirelessM ine Secure and Rescue System)是基于 RFID (Radio Frequency Identification )技術(shù)進(jìn)行井下定位，可以在幾毫秒內(nèi) 得到厘米級(jí)定位精度的信息，其

6、傳輸范圍大，成本 低，因此備受關(guān)注。無線通信技術(shù)2006年第3期也 52 311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH riglu：. zhvwA'nki.nd無線通信技術(shù)2006年第3期也 52 311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH riglu：. zhvwA'nki.nd作者簡介：徐春妹，女,1977年生，江蘇連云港人，東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院在職研究生，連云港市職教中心教師 ,主要研究方向無線定位。無線通信技術(shù)2006年第3期也 52

7、311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH riglu：. zhvwA'nki.nd2 WM SRS系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)(1) 實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)考勤與井下人車查詢功能，主要包括人員以及車輛的下井統(tǒng)計(jì)與報(bào)告(Access Report )、位置報(bào)告(Position Report)、工作時(shí)間報(bào)告 (Worker Insider Mine Report)。(2) 實(shí)時(shí)地進(jìn)行瓦斯?jié)舛葓?bào)告(Gas Density Report)、溫度與 濕度 報(bào)告(Temper ature and Humidity Report) >環(huán)境參數(shù)報(bào)告 (Ot

8、her Surrounding Parameters Report)。(3) 事故救援：出現(xiàn)任何形式的事故，比如塌 方、瓦斯爆炸等，可對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)被埋人員進(jìn)行搜尋和 定位，與其進(jìn)行簡單通信(語音、數(shù)據(jù)及視頻),以便 有效準(zhǔn)確的進(jìn)行救援，最大限度的減少人員的損失， 并且可以通過通訊手段將事故的發(fā)生地點(diǎn)和事故性 質(zhì)進(jìn)行通知，進(jìn)而可以指揮井下工作人員選擇最合 理的逃生路線及進(jìn)行自救。(4) 安全保障功能：實(shí)現(xiàn)人員定位，阻止違章事件,并將違章人員記錄在案。如出現(xiàn)人員丟失即時(shí)報(bào) 警或發(fā)現(xiàn)井下人員超過規(guī)定時(shí)間，自動(dòng)報(bào)警提示并提供相關(guān)人員的名單。(5) 視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控：BS可裝備帶圖像編碼的數(shù) 字網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，對(duì)

9、采礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)高清晰度圖像 監(jiān)控。3 WM SRS系統(tǒng)整體方案WMSRS 綜合應(yīng)用 WSN( Wireless Sensor Network 無線傳感器 網(wǎng))、RFID > WLAN、SDR( Short Distanee Radio短距離無線通信設(shè)備)技術(shù)相結(jié)合 實(shí)現(xiàn)一套高效、高可靠性、低成本、布設(shè)容易的無線 礦井安全與救援系統(tǒng)。它是采用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)井 下人員進(jìn)行識(shí)別，利用無線傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳 送。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。WM SRS系統(tǒng)分為地上和地下兩個(gè)部分。其地 上部分主要為WM SRS信息監(jiān)控中心以及與其相關(guān) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與硬軟件平臺(tái)。位于WM SRS信息監(jiān)控中心的WMSRS

10、Sever主要是基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的軟件 系統(tǒng)，通過適時(shí)采集的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件對(duì)整個(gè)礦井進(jìn) 行適時(shí)監(jiān)控，同時(shí)該軟件也具備考勤記錄功能，環(huán)境數(shù)據(jù)分析與比較以及通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)礦區(qū)報(bào)警等功能。WM SRS系統(tǒng)的地下部分有兩種設(shè) 備，一種是 WM SRS BS(WM SRS無線基站)，結(jié)構(gòu) 如圖2 所示，BS實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)的AP功能，收集與 采集同樣裝備有SDR設(shè)備的礦工、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備和 礦車的位置信息、狀態(tài)信息以及礦井下瓦斯、i rh弘kanw NMI1圖1 WMSRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2 BS系統(tǒng)構(gòu)成框圖調(diào)垃與耀#下ft按口圖3 SDR系統(tǒng)構(gòu)成框圖CO、溫度、濕度等環(huán)境信息，并將這些信息作本地的

11、 壓縮、加密處理，向Sever實(shí)時(shí)提交數(shù)據(jù)。另一種是WMSRS SDR，它的功能類似于一般的 RFID (Radio Frequency Identificatio n)標(biāo)簽，利用射頻方式進(jìn)行 非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別目的。SDR設(shè)備采用ISM頻段的短距離無線電通信技術(shù)，主要無線通信技術(shù)2006年第3期© 10!M-2011 China Academic Jounul Elccirfmic Publishing Hbusa. AU rights feserved. bll：. 53 裝備在礦工、礦車以及環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備三個(gè)實(shí)體上。 結(jié) 構(gòu)如圖3所示,在礦工在井下工作時(shí)通過與 B

12、S的通 信,監(jiān)測(cè)其位置以及持續(xù)工作時(shí)間 ；必要時(shí)，礦工可 控制其向BS發(fā)送呼救、請(qǐng)求、應(yīng)答等預(yù)設(shè)信息。并且 可以將各種傳感器采集到的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹S。4井下定位原理WM SRS系統(tǒng)將BS安裝在井下需要監(jiān)控的地 方,分布區(qū)域的大小可視井下具體環(huán)境而定,SDR設(shè)備插在礦工的礦帽上。采用信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)的方法， 實(shí)現(xiàn)地面控制中心對(duì)井下人員的實(shí)時(shí)通信與位置監(jiān) 測(cè)。通過傳感設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下重要儀器設(shè)備進(jìn) 行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)報(bào)。SDR設(shè)備RF芯片選用了Chipcon公司的CC1010無線收發(fā)芯片,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖4所示。CC1010是Chipcon公司推出的單片機(jī) 可編程RF收發(fā)芯片，它基于Chipc

13、on's Smart RF技 術(shù)，可工作在ISM 頻段（3001000MHz）。CC1010 集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制解 調(diào)、可編程控制等多種功能。它配置最常用的通信參 數(shù),如接收/發(fā)射方式、射頻輸出的功率、射頻輸出頻 率、數(shù)據(jù)傳輸率和數(shù)據(jù)編碼等。圖4 CC1010系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)采用的定位算法主要是基于信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距法 RSSI （Received Sig nal Streng th Indicator ）,在已 知發(fā)射功率的情況下，在接收點(diǎn)測(cè)量接收功率，通過 測(cè)量接收到的信號(hào)強(qiáng)度可以推算出井下移動(dòng)物體到 基站的距離，計(jì)算傳播損耗，使用理論和經(jīng)驗(yàn)的信號(hào) 傳播模型將

14、傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。得到SDR與BS之間的大概距離后，采用三邊測(cè)距法計(jì)算出SDR的位置。三邊計(jì)算的理論依據(jù)是，在三維空間中，知道 了一個(gè)SDR設(shè)備到三個(gè)BS的距離來確定該點(diǎn)的坐 標(biāo)。三邊測(cè)距法在二維平面上用幾何圖形表示出來 的意義是：當(dāng)?shù)玫轿粗?jié)點(diǎn)到一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，就可以確定此未知節(jié)點(diǎn)在以此錨節(jié)點(diǎn)為圓心、以距離為半徑的圓上；得到未知節(jié)點(diǎn)到 3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距 離時(shí),3個(gè)圓的交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置。如圖5所示。圖5用三邊測(cè)距法確定未知節(jié)點(diǎn)的位置5管理軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)位于 W MSRS信息監(jiān)控中心的 WM SRS Sever 主要是基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的軟件系統(tǒng)，通過適時(shí)采集 的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件對(duì)整個(gè)礦井進(jìn)行

15、適時(shí)監(jiān)控，是一套綜合性的煤礦監(jiān)控 軟件，監(jiān)測(cè)內(nèi)容多、處理數(shù)據(jù)量 大、實(shí)時(shí)性要求高、控制能力強(qiáng)、功能多。圖6為系統(tǒng) 主控軟件結(jié)構(gòu)體系示意圖。圖6井下監(jiān)控系統(tǒng)主控軟件結(jié)構(gòu)體系框圖基于人員定位的 WM SRS系統(tǒng)綜合應(yīng)用 WSN、 RFID、WLA N技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)一套高效、高可靠 性、低成本、布設(shè)容易的無線礦井安全與救援系統(tǒng)。 該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位，對(duì)井下重要儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控（下轉(zhuǎn)第62頁）4總結(jié)本文根據(jù)BST移相器的電路原理，使用Matlab 軟件編程，對(duì)移相器電路進(jìn)行仿真求出各項(xiàng)參數(shù)。利用軟件強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算工具箱實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路結(jié)構(gòu)的 優(yōu)化,創(chuàng)新性地提出了 BST電容非周期性

16、加載的結(jié) 構(gòu),保證了較大的相移量，又減小了傳輸線的反射損 耗。這種結(jié)構(gòu)經(jīng)過了仿真論證，可以作為可信的依據(jù) 指導(dǎo)實(shí)際電路的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。參考文獻(xiàn)1 Baki Acikel, Troy R. Taylor, Peter J. Hansen, James S Speck, and Robert A. York. A new high perfo rmance phase shifter using BaxSr1 - x TiO3 thin films J. IEEE microwave and wirless components letter s vol. 12 no 7, july 2002 ,

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18、03- 2909.4 Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko. 射頻電路設(shè)計(jì) M.北京：電子工業(yè)出版社，2002年.5 蘇金明，張蓮花，劉波.MATLAB工具箱應(yīng)用M. 北京：電子工業(yè)出版社,2004年.（收稿日期:2006- 05- 22）無線通信技術(shù)2006年第3期3 54 -2<HI Cjhhj AvaJcmic Journal Eke Ironic Publishing House. AH right?.無線通信技術(shù)2006年第3期3 54 -2<HI Cjhhj AvaJcmic Journal Eke Ironic Publishing Hous

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