井下人员定位系统

1、井下人员定位系统徐春妹,陈芳芳(东南大学信息科学与工程学院,南京210096)摘要：本文主要介绍了综合应用 WSN、RFID、WLAN、SDR技术的WM SRS系统，描述了系统总体目标、整体方案，详细介绍了运用射频技术进行井下定位的工作原理，给出了 WM -SRS监控系统主控软件结构体系框图。关键词:WM SRS； RFID ；定位；实时监控中图分类号:T N929. 4文献标识码：A 文章编号：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无线通信技术2006年第3期也 52 311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH

4、 riglu：. zhvwA'nki.nd无线通信技术2006年第3期也 52 311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH riglu：. zhvwA'nki.nd1冃I言我国是世界第一产煤大国，煤矿矿山近3万多个，其中大中型煤矿500多个，小煤矿2万多个，井下 工作人员超过100万人。近年来矿井危险性事故时 有发生，煤矿事故死亡人数是世界上其他主要采煤 国家死亡人数的4倍。山西省小煤矿爆炸、北京大安 山煤矿巷道塌陷、吉林省万宝煤矿火灾随着对 煤炭需求量的不断增大，近年来我国煤矿事故攀升 趋势严重，煤矿安全状况令

5、人担忧。分析近期几个煤 矿发生的特大事故时发现最主要的原因是地面与井下人员的信息沟通不及时，以至地面人员难以及时 动态掌握井下人员的分布及作业情况，难以进行精确人员定位。井下地形复杂给人员撤离和事故抢救 带来了极大的困难。若能及早确定井下人员所处的 位置,会给营救工作带来极大的方便，并且能节省大 量的时间，将人员损失减少到最小。无线矿井生命安 全与救援系统(WM SRS, WirelessM ine Secure and Rescue System)是基于 RFID (Radio Frequency Identification )技术进行井下定位，可以在几毫秒内 得到厘米级定位精度的信息，其

6、传输范围大，成本 低，因此备受关注。无线通信技术2006年第3期也 52 311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH riglu：. zhvwA'nki.nd无线通信技术2006年第3期也 52 311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH riglu：. zhvwA'nki.nd作者简介：徐春妹，女,1977年生，江苏连云港人，东南大学信息科学与工程学院在职研究生，连云港市职教中心教师 ,主要研究方向无线定位。无线通信技术2006年第3期也 52

7、311 Chmj A<adcmic Journal Eke Ironic Pub is! lingAH riglu：. zhvwA'nki.nd2 WM SRS系统设计目标(1) 实时统计考勤与井下人车查询功能，主要包括人员以及车辆的下井统计与报告(Access Report )、位置报告(Position Report)、工作时间报告 (Worker Insider Mine Report)。(2) 实时地进行瓦斯浓度报告(Gas Density Report)、温度与 湿度 报告(Temper ature and Humidity Report) >环境参数报告 (Ot

8、her Surrounding Parameters Report)。(3) 事故救援：出现任何形式的事故，比如塌 方、瓦斯爆炸等，可对事故现场被埋人员进行搜寻和 定位，与其进行简单通信(语音、数据及视频),以便 有效准确的进行救援，最大限度的减少人员的损失， 并且可以通过通讯手段将事故的发生地点和事故性 质进行通知，进而可以指挥井下工作人员选择最合 理的逃生路线及进行自救。(4) 安全保障功能：实现人员定位，阻止违章事件,并将违章人员记录在案。如出现人员丢失即时报 警或发现井下人员超过规定时间，自动报警提示并提供相关人员的名单。(5) 视频实时监控：BS可装备带图像编码的数 字网络摄像机，对

9、采矿现场进行实时高清晰度图像 监控。3 WM SRS系统整体方案WMSRS 综合应用 WSN( Wireless Sensor Network 无线传感器 网)、RFID > WLAN、SDR( Short Distanee Radio短距离无线通信设备)技术相结合 实现一套高效、高可靠性、低成本、布设容易的无线 矿井安全与救援系统。它是采用射频识别技术对井 下人员进行识别，利用无线传感网进行数据采集、传 送。系统结构如图1所示。WM SRS系统分为地上和地下两个部分。其地 上部分主要为WM SRS信息监控中心以及与其相关 网络设备与硬软件平台。位于WM SRS信息监控中心的WMSRS

10、Sever主要是基于数据库技术的软件 系统，通过适时采集的数据，系统软件对整个矿井进 行适时监控，同时该软件也具备考勤记录功能，环境数据分析与比较以及通过有线和无线网络在整个矿区报警等功能。WM SRS系统的地下部分有两种设 备，一种是 WM SRS BS(WM SRS无线基站)，结构 如图2 所示，BS实现WSN网络的AP功能，收集与 采集同样装备有SDR设备的矿工、环境监测设备和 矿车的位置信息、状态信息以及矿井下瓦斯、i rh弘kanw NMI1图1 WMSRS系统结构示意图图2 BS系统构成框图调垃与耀#下ft按口图3 SDR系统构成框图CO、温度、湿度等环境信息，并将这些信息作本地的

11、 压缩、加密处理，向Sever实时提交数据。另一种是WMSRS SDR，它的功能类似于一般的 RFID (Radio Frequency Identificatio n)标签，利用射频方式进行 非接触式双向通信交换数据以达到识别目的。SDR设备采用ISM频段的短距离无线电通信技术，主要无线通信技术2006年第3期© 10!M-2011 China Academic Jounul Elccirfmic Publishing Hbusa. AU rights feserved. bll：. 53 装备在矿工、矿车以及环境监测设备三个实体上。 结 构如图3所示,在矿工在井下工作时通过与 B

12、S的通 信,监测其位置以及持续工作时间 ；必要时，矿工可 控制其向BS发送呼救、请求、应答等预设信息。并且 可以将各种传感器采集到的环境监测数据传输到BS。4井下定位原理WM SRS系统将BS安装在井下需要监控的地 方,分布区域的大小可视井下具体环境而定,SDR设备插在矿工的矿帽上。采用信号强度检测的方法， 实现地面控制中心对井下人员的实时通信与位置监 测。通过传感设备可以实现对井下重要仪器设备进 行实时监控和故障预报。SDR设备RF芯片选用了Chipcon公司的CC1010无线收发芯片,其系统结构 如图4所示。CC1010是Chipcon公司推出的单片机 可编程RF收发芯片，它基于Chipc

13、on's Smart RF技 术，可工作在ISM 频段（3001000MHz）。CC1010 集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解 调、可编程控制等多种功能。它配置最常用的通信参 数,如接收/发射方式、射频输出的功率、射频输出频 率、数据传输率和数据编码等。图4 CC1010系统结构图系统采用的定位算法主要是基于信号强度测距法 RSSI （Received Sig nal Streng th Indicator ）,在已 知发射功率的情况下，在接收点测量接收功率，通过 测量接收到的信号强度可以推算出井下移动物体到 基站的距离，计算传播损耗，使用理论和经验的信号 传播模型将

14、传播损耗转化为距离。得到SDR与BS之间的大概距离后，采用三边测距法计算出SDR的位置。三边计算的理论依据是，在三维空间中，知道 了一个SDR设备到三个BS的距离来确定该点的坐 标。三边测距法在二维平面上用几何图形表示出来 的意义是：当得到未知节点到一个锚节点的距离时，就可以确定此未知节点在以此锚节点为圆心、以距离为半径的圆上；得到未知节点到 3个锚节点的距 离时,3个圆的交点就是未知节点的位置。如图5所示。图5用三边测距法确定未知节点的位置5管理软件系统结构位于 W MSRS信息监控中心的 WM SRS Sever 主要是基于数据库技术的软件系统，通过适时采集 的数据，系统软件对整个矿井进行

15、适时监控，是一套综合性的煤矿监控 软件，监测内容多、处理数据量 大、实时性要求高、控制能力强、功能多。图6为系统 主控软件结构体系示意图。图6井下监控系统主控软件结构体系框图基于人员定位的 WM SRS系统综合应用 WSN、 RFID、WLA N技术相结合实现一套高效、高可靠 性、低成本、布设容易的无线矿井安全与救援系统。 该系统可实现对井下人员进行实时跟踪定位，对井下重要仪器设备进行实时监控（下转第62页）4总结本文根据BST移相器的电路原理，使用Matlab 软件编程，对移相器电路进行仿真求出各项参数。利用软件强大的科学计算工具箱实现了对电路结构的 优化,创新性地提出了 BST电容非周期性

16、加载的结 构,保证了较大的相移量，又减小了传输线的反射损 耗。这种结构经过了仿真论证，可以作为可信的依据 指导实际电路的设计和改进。参考文献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 ,

17、pp. 237- 239.2 廖承恩.微波技术 基础M .西安电子科技大学出版 社,2001年.3 Dongsu Kim, Yoonsu Choi, Mark G. A llen, J.Stevenson Kenney, and David Kiesling . A WideBand Reflectio n-Type Phase Shifter at S-Band U sing BST Coated Substr ate J. IEEE tr ansactions on microwave theory and techniques, vol, 50, no. 12, 2002, pp. 29

18、03- 2909.4 Reinhold Ludwig, Pavel Bretchko. 射频电路设计 M.北京：电子工业出版社，2002年.5 苏金明，张莲花，刘波.MATLAB工具箱应用M. 北京：电子工业出版社,2004年.（收稿日期:2006- 05- 22）无线通信技术2006年第3期3 54 -2<HI Cjhhj AvaJcmic Journal Eke Ironic Publishing House. AH right?.无线通信技术2006年第3期3 54 -2<HI Cjhhj AvaJcmic Journal Eke Ironic Publishing Hous

19、e. AH right?.（上接第51页）Distr ibuted Processing Symposium （IPDPS 2005） c: 236- 240.8 Chengfa Li, Mao Ye and Guihai Chen. An EnergyEfficient Unequal Cluster ing Mechanism for Wireless Sensor Networks A . in Proceedings of the 2ndIEEE International Conference on Mobile Ad - hoc and Sensor Systems （M ASS）

20、 C, N ov. 2005: 597604.9 F. Baccelli and S. Zuyev. Poisson Voronoi Spanning Trees with Applica tions to the Optimization of Com- municatio n N etworks J . Operations Research, Vol.47, no. 4, pp. 619- 631, 1999.10 S. Bandyopadhyay, E. J. Coyle. An Energy Efficient Hierar chical Cluster ing Algorithm for Wireless Sensor Netw orks J. in Proceedings of IN FOCOM , March 2003, 3:1713- 1723.（收稿日期:2006-