井下人员定位系统设计

胡 劲，鞠 波，杨 素，田海燕

（1.绵阳市维博电子有限责任公司，绵阳 621000；2. 中国兵器装备集团自动化研究所，绵阳 621000）

0 引言

井下人员定位系统是通过建立一个完整、灵活和实时的井下网络系统，对巷道人员分布信息进行管理，来实现井下人员管理的信息化和可视化，同时提高矿井开采生产管理和安全作业的水平，为发生紧急情况的救援活动提供帮助，其主要功能有：1）实时监控：能实时采样，并显示井下人员位置、区域人员数量，实现人员定位功能；2）数据查询：可以查询井下人员的活动轨迹；3）统计报表：提供人员定位实时信息表、日报表和月报表，并进行打印。

1 系统结构

本系统采用电力线载波通讯技术，将遍布于井下坑道内的照明输电线路作为数据传输总线，在坑道中放置信息采集传输节点，完成无线、电力线通讯的转换接收工作，形成一个遍布于整个井下坑道内的通讯网络。当井下工作人员携带身份识别器进入坑道内后，可通过网络获取工作人员所在的位置，并可根据身份识别器确定人员身份；同时信息处理中心站可对网络中的身份识别器进行通讯报警等操作，当发生安全隐患时可通知井下工作人员快速撤离。

整个井下人员定位系统由以下三个部分组成：1）身份识别器：由工作人员携带，标明了人员的身份；2）信息采集传输节点：安置于井下坑道内，通过无线方式与身份识别器进行数据交换，并通过电力载波模块接入井下网络中；3）信息综合处理中心站：由一台PC机或服务器构成，它通过电力载波通讯模块接入通讯网络中，获取通讯网络中的数据，进行系统总体控制。

图1 系统总体结构图

2 系统设计

2.1 身份识别器

图2 身份识别器组成示意图

身份识别器通过无线方式发送人员编号信息和人员报警信息，并接收信息综合处理中心站通过信息采集传输节点发送的系统报警信息、轮询信息。

考虑到井下工作的实际情况，身份识别器的设计重在两方面：一是体积小，便于携带；二是功耗小，可持续工作时间长，使用电池供电，不能频繁更换电池。因此，如何减小体积和节省电能是身份识别器设计的首要问题。

身份识别器由电池、报警按钮、控制核心、无线收发模块、报警指示灯和蜂鸣器组成。本设计采用MSP430F1611控制芯片为控制核心，它是具有超低功耗特点的16位单片机，可以在低电压下以超低功耗状态工作，并且在恶劣条件下工作性能稳定；采用CC2500芯片为核心组成无线收发模块，通过SPI方式与控制核心通信，该芯片体积小、功耗低，非常适合于低功耗的应用系统，并在本设计中使用PCB引线天线来减小设备体积；报警按钮用于人员输入报警信号，报警指示灯和蜂鸣器用于收到广播告警信号后，提示人员进行撤离。

身份识别器嵌入式控制软件编程语言为C语言，编译环境为IAR Embedded Workbench，开发工具为MSPFET430UIF。软件编程的基本思路是：先对控制核心的SPI、CC2500控制端口初始化；使能SPI端口，对CC2500芯片初始化；开启接收机后，就可以运行任务程序了，以实现接收或发送数据。软件工作流程如图3所示。

图3 身份识别器软件处理流程图

2.2 信息采集传输节点

信息采集传输节点分布在井下坑道内，通过电力线接收信息综合处理中心站发送的询问、对时和告警命令，再将询问和告警信息通过无线方式发送给身份识别器。身份识别器通过无线方式将应答信息和报警信息发送给信息采集传输节点，信息采集传输节点再将无线接收到的信息通过电力线传输到信息综合处理中心站进行处理。

图4 信息采集传输节点组成示意图

信息采集传输节点由滤波器、电源模块、主板、电力线通信模块和OLED屏组成。信息采集传输节点输入220V交流电源，经滤波器后由电源模块转换为12V直流电源给主板和电力线通信模块供电；主板通过无线方式接收身份识别器的编号信息和报警信息，并将信息综合处理中心站发布的系统告警信息发送给身份识别器；电力线载波通信模块与系统数据传输总线相连接，实现信息采集传输节点与信息综合处理中心站之间的数据传输；OLED屏在调试维修时显示关键数据，以方便调试。

信息采集传输节点嵌入式控制软件基于TI公司的MSP430F5659MCU内核而写，编程环境与身份识别器相同。软件设计遵循软件模块化的设计理念，按照功能不同分为：信息显示处理模块、RF控制模块和通信处理模块。这三个模块都是通过总控程序进行调度，总控程序流程图如图5所示。

图5 总控程序流程图

2.3 信息综合处理中心站

信息综合处理中心站软件开发环境为Windows 2000/XP，采用Delphi、MSSQL Sever数据库、MAPX数字地图组件进行开发，运行环境为Windows NT/2000/XP。软件通过电力线载波通讯模块与信息采集传输节点和身份识别器进行通讯，获取井下人员的信息；在软件界面中使用GIS技术显示煤矿井下结构，并显示人员所处的位置等信息，便于井上操控人员直观的掌握井下工作人员的位置等信息。信息综合处理中心站软件的结构如图6所示。

图6 信息综合处理中心站软件功能模块框图

信息综合处理中心站软件的各个模块相互独立，通过主程序进行调用。主模块主要完成其它功能模块的调用，根据其任务分析，其输入信息就是鼠标或者键盘消息，输出信息为各个模块的调用触发消息。基础数据管理模块主要针对系统运行的关键数据进行管理维护，这些数据包括：采掘区域信息、人员信息、班次信息、检测站点即信息采集节点信息、便携式无线收发器信息和生产作业信息。通讯管理模块主要完成对各个信息采集点的轮讯、接收各个采集点的通讯及报警信号、下发报警指令等工作。数字地图显示处理模块完成数字地图的显示，并标绘信息采集传输节点及身份识别器（人员）的位置，便于操作人员便捷直观的确定井下工作状况，当出现节点错误等状况时，能及时显示错误点信息，并进行醒目提醒，便于维护人员进行维护。数据库管理模块用于对数据库资料进行备份及恢复。

3 系统应用实现

本系统能够自动检测井下坑道人员经过该信息采集传输节点的时间、地点信息，并自动实现对人员的考勤作业、统计及监测管理。安装在井下各通道的信息采集传输节点，实时将采集到的信息传送到信息综合处理中心站，整个过程无需人为干预。系统软件具备专用数据库管理系统，包括工人通过坑道的信息采集和统计分析系统，考勤作业的统计与管理分析系统，显示并打印各种统计报表资料，为高层管理人员的查询与管理提供全方位的服务。

图7为系统工作主界面，主界面列表显示信息采集传输节点采集到的井下人员实时数据，并每隔5秒刷新一次。若需详细了解井下人员活动的实时情况以及历史轨迹回显，可进入电子地图人员定位浏览界面，其界面在地图上标示出人员的实时信息，如图8所示。

图7 系统工作主界面

图8 人员定位界面图

4 结束语

井下人员定位系统采用有无线相结合的方式将信息综合处理中心站、信息采集传输节点以及身份识别器紧密的联系起来，构成了一个信息采集、处理和传输的动态网络，具有操作简单，功能完整，稳定可靠等优点，可以便捷的接收各种数据、发送工作指令、危险警告等信息，在发生井下事故等情况时可以快速、准确的确定人员所处的位置，便于进行相应的抢救，并大大提高生产的科学管理水平。

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