基于WiFi技术的煤矿井下人员定位系统研究

(神华包头能源有限责任公司李家壕煤矿 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

前言

随着现代机械化开采技术在煤矿地下开采中广泛使用，开采深度随之增加，使得井下的安全问题更加严峻，当井下出现突发事故时，可以通过人员定位系统知道井下被困人员的具体位置，方便实施有效的搜救。因此，本文提出一种基于wifi技术的煤矿井下人员定位系统，该系统采用低成本的定位设备和高精度的定位技术，实现井下人员位置信息的采集和传输，这将有助于煤矿的安全生产和管理，具有很强的实用性。

一、WiFi定位

WiFi(WiReless Fidelity)是一种短程无线网络传输技术，它可以通过一定的协议和认证实现PC、智能手机、Pad等终端产品以无线方式相互连接访问。经过多年的技术革新和实践改善，目前使用的版本为IEEE802.11系列标准，基于此标准下的WiFi技术采用5.8GHz频段，最大输送速度可达54bit/s，并且发射信号功率小于100mw，满足我国煤矿安全技术标准的规定[1]。

二、系统网络拓扑结构

该系统结构分为井上地面和井下两部分，如图1所示。地面部分主要由监控管理中心、服务器和转换器组成，井上部分主要有以太网、WiFi智能终端设备和AP(Access point)基站组成。地面监控管理中心通过无线网络实现对智能终端的管理和监测。

图1 系统结构

三、定位原理

根据煤矿井下的具体情况，通过在巷道中合理的设置WiFi热点(AP基站)，确保WiFi无线网络能够覆盖井下每个角落,基站之间以支线光纤连接。每个下井的人员随身携带一个记录着人员身份信息的WiFi智能终端设备，在井下该设备会自动的选择与矿工最近的AP基站连接，并结合每个信号的强弱程度，经过定位算法计算确定出煤矿井下人员的实际位置。

四、人员定位算法

根据具体的定位机制，现有的无线网络定位方法可分为三边定位算法和位置指纹识别算法。相比于室内定位应用较广泛的三边定位算法，位置指纹识别算法更能实现定位的准确度。为了估算测试节点的坐标，选用最近邻法NN(Nearest Neighbor)作为匹配位置指纹识别算法的匹配算法，该方法在匹配时首先采用式(1)中的方法，计算得到接受信号强度矢量与数据库中各指纹数据矢量之间的距离，然后选取最小距离对应的数据库矢量，并以其位置坐标作为当前移动终端的定位结果。

(1)

五、系统功能设计与实现

(一)系统功能设计。煤矿井下人员定位系统主要用来实时检测井下工作人员的动态信息，如人员具体位置、各个区域内人数等，以便井下发生事故能够进行有效地制定搜救方案。同时其还具备的主要功能有：井下人员考勤管理、实时监测、实时定位、信息查询、历史轨迹查询、动态地图显示等各项功能。

(二)基于Android平台的实现。本文在Android平台上设计并实现基于WiFi技术的煤矿井下人员定位系统，采用Java语言在eclipse开发软件上开发Android客户端，系统后台数据库选用SQL Server 2012数据库。通过Socket编程建立客户端与wifi信道双向的通信连接，实现数据信息交换。

1.系统定位的实现。基于Android平台从网络层面上来实现整个离线数据采集阶段和在线定位阶段。离线数据采集阶段，首先收集每个WiFi接入点(AP基站)的具体位置，对每个基站进行唯一的标示，在数据库中注明这些接入点的具体位置。图2、图3分别是服务于该定位系统所设计的井下人员手持移动设备应用界面和地面监测管理中心应用界面。

图2井下人员手持设备定位界面图3定位系统地面监控界面

2.系统测试。在煤矿井下巷道内选取100个测试点，采用同种布置网络节点的方式，分别通过WiFi定位系统、ZigBee定位系统和RFID定位系统，对这100个点从定位成功率、响应时间范围和平均误差等指标进行测试，测试结果见表1.

表1 网络定位测试

由上表测试结果表明，基于WiFi技术的煤矿井下人员定位系统，可以有效地提高定位的准确度和可靠性，同时也克服了传统定位系统响应时间较慢的缺陷。

六、结语

基于WiFi技术的煤矿井下人员定位系统采用新兴的WiFi无线网络通信技术，克服了煤矿井下复杂环境所造成通讯的干扰，解决了传统定位系统响应时间长、定位精度差的问题，显著提高了系统定位的可靠性和精确度，将该定位系统应用到煤矿井下特殊的环境中，对进一步优化井下安全生产管理和提高工作效率有着十分重要的作用，具有很好的应用价值。