基于无线传感器网络的矿井人员识别与定位系统

程金明　闵辉

摘要：无线传感器网络节点是一个微型化的嵌入式系统，在分析嵌入式系统特点和组成的基础上，给出了无线传感器网络节点的设计要点和一个参考设计，构建实现了一个WSN试验网络，将无线传感器网络应用于矿井人员识别与定位系统，获得了良好的应用前景。

关键词：无线传感器网络 矿井人员识别与定位

目前国内有很多企业从事井下人员跟踪系统的研究与开发，井下人员跟踪系统大都采用RFID技术。这类方法存在下列几个问题：（1）射频卡读写系统读写距离非常有限，它只能用于上下矿井人员的考勤纪录：（2）射频卡读写系统使用的频率都较低，抗干扰能力差：（3）这种系统读卡速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况，系统往往会出现漏读；（4）如果使用远距离射频卡（RFID）系统，读写器价格都较贵。将无线传感器试验网络的相关技术，应用于煤矿安全生产监控中，研制出一个矿井下人员识别与定位系统。

一、系统总体设计方案

首先铺设分布式基站节点固定在巷道或者工作面上，建立及时采集环境信息的无线传感器网络；每个矿工佩戴安装有射频模块的节点的安全帽，以自组织网络方式加入网络，并把身份信息、环境信息、矿灯电压、以及突发事件报警信号通过网络上传地面监控中心；中心根据基站的区域定位功能感知矿工位置，方便动态管理与实时监控。

（1）工作人员的头戴式安全帽中植入重量轻、体积小的无线传感器节点，该节点由矿灯的充电电池供电，电源电压为3.6～4V可调；设计电源转换电路，将其转换成3.3伏电压向通信节点供电。另外，节点上还可以安装体积较小的空气质量传感器；实时监控巷道内的瓦斯浓度，增加防爆报警功能。安全帽上除矿灯开关外，再增加一个按键，实现“一键报警”功能：此信号有最高优先级，由基站感应后，上传地面控制中心，方便及时处理突发事件。

（2）巷道内安装射频基站，除了能完成与节点的射频通信功能外，还能改变数据封装，转换成CAN总线或者LINE总线利用电缆直接将井下情况上传地面监控中心。另外，还方便增加信号灯的无线识别功能。利用ZigBee低功耗和低成本的特点，使用电池供电；可以在需要定位的任何地方安装，而无须担心投资太大：也可以随着坑道向前推进，灵活机动的安放在任意位置。

（3）地面监控中心的信息管理软件，设置专门的数据库，记录当前时刻的工作人员井下分布图。当意外情况发生时，查询数据库，即可了解事故前一时刻矿井人员分布，方便及时抢救。即使看不见，也可以检测到。

二、系统详细设计

（1）建立无线传感器网络

①根据现场实际需要，沿坑道每隔500M距离，工作面的距离则可降低为150M在坑道适当位置（例如顶部）；安装一个基站模块（可采用电池或连接式电源），同时在其它需要定位和网络连接的地方，也安置相应的Zigbee网络模块；为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线网络模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式，而且，每个模块都有接收信号强弱指示功能（RSSI）。

②所安装的基站将自动组成一个ZigBee通信网络。这个通信网络实际就是一个定位网络，每一个网络节点就是一个定位点，只不过比起使用RFID来定位的方法，我们的网络节点还可通过读取移动目标的信号强度，来确定移动目标的位置信息。

③ZigBee网络节点体积要小得多，而且网络节点之间的通信，不一定要使用额外的光纤或通信电缆来进行连接（当然，如果将有线网络和无线网络互为备份通信通道更好）。

（2）移动目标节点

①每个工作人员（即，需要定位的移动目标），都需要随身携带一个无线身份卡模块，或固定在安全帽上的一个全封闭的模块约（40x19x8 mm）大小，每个模块的发射功率小于1/1000W。

②为了增加电池使用寿命，传感器节电每隔5～30s发射一个身份码信号。为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有m—node模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式；同时，在紧急情况时，还可以通过m.node上的按钮，随时发出紧急求救信息。

③该无线身份模块还可与瓦斯探测等传感器相连，这样，不仅可以根据需要，机动灵活的在不同位置（特别是采掘面）采集各种安全生产所需的信息（例如瓦斯浓度，风压风速等），同时自动地将采集点的位置信息和相关信息传给监控中心。当瓦斯浓度超标时，该无线模块可以立即通过ZigBee网络，将浓度信息，位置信息和报警信号传往监控中心，必要时，将同时启动其它联动的应急设备；

（3）移动目标位置的确定

当利用信号强度改进定位精度时，某个节点接收到的某个移动身份卡的信号强弱，还可用来决定该移动目标距离这个定位节点远近，信号越强，则离开这个定位节点越近，信号强度与到该定位点距离的函数关系，可以通过预先的简单实际测量获得。当有两个节点同时接收到某一个移动目标的信号时，就可以确定，移动目标必定位于这两个定位节点之间的某处，其具体的位置，可以利用这两个节点所接收到的该移动目标信号强度的具体值，通过简单计算和现场实测校正来得到。值得注意的是，在环境较为复杂的地方，特别是定位区域并非线状的地方，例如某些作业面，我们需要通过增加定位节点数量的方法来提高定位精度。

利用ZigBee无线通讯技术，射频区域定位技术，数字化矿井相关技术来研制井下人员定位与数字化机车装置，能提供井下人员定位，机车综合管理，井下人员身份管理等多种服务，可以广泛应用于各种矿井，尤其是人员流动大，井下坑道复杂的大中型矿井。系统在ZigBee网络和嵌入式技术的基础上完成无线定位和人员身份及机车信息的传输，具有定位精度高、速度快，传输及时、保密性强等特点。

参考文献

[1]邵鹏.无线传感器网络的研究与以数据为中心的应用系统的实现[D].2003-1

[2]任丰原，黄海宁，林闯，无线传感器网络[M]软件学报，2003.1

作者简介：

程金明，本科，研究方向：自动控制。