(神華包頭能源有限責任公司李家壕煤礦 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)
隨著現(xiàn)代機械化開采技術(shù)在煤礦地下開采中廣泛使用,開采深度隨之增加,使得井下的安全問題更加嚴峻,當井下出現(xiàn)突發(fā)事故時,可以通過人員定位系統(tǒng)知道井下被困人員的具體位置,方便實施有效的搜救。因此,本文提出一種基于wifi技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng),該系統(tǒng)采用低成本的定位設備和高精度的定位技術(shù),實現(xiàn)井下人員位置信息的采集和傳輸,這將有助于煤礦的安全生產(chǎn)和管理,具有很強的實用性。
WiFi(WiReless Fidelity)是一種短程無線網(wǎng)絡傳輸技術(shù),它可以通過一定的協(xié)議和認證實現(xiàn)PC、智能手機、Pad等終端產(chǎn)品以無線方式相互連接訪問。經(jīng)過多年的技術(shù)革新和實踐改善,目前使用的版本為IEEE802.11系列標準,基于此標準下的WiFi技術(shù)采用5.8GHz頻段,最大輸送速度可達54bit/s,并且發(fā)射信號功率小于100mw,滿足我國煤礦安全技術(shù)標準的規(guī)定[1]。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為井上地面和井下兩部分,如圖1所示。地面部分主要由監(jiān)控管理中心、服務器和轉(zhuǎn)換器組成,井上部分主要有以太網(wǎng)、WiFi智能終端設備和AP(Access point)基站組成。地面監(jiān)控管理中心通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)對智能終端的管理和監(jiān)測。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)煤礦井下的具體情況,通過在巷道中合理的設置WiFi熱點(AP基站),確保WiFi無線網(wǎng)絡能夠覆蓋井下每個角落,基站之間以支線光纖連接。每個下井的人員隨身攜帶一個記錄著人員身份信息的WiFi智能終端設備,在井下該設備會自動的選擇與礦工最近的AP基站連接,并結(jié)合每個信號的強弱程度,經(jīng)過定位算法計算確定出煤礦井下人員的實際位置。
根據(jù)具體的定位機制,現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡定位方法可分為三邊定位算法和位置指紋識別算法。相比于室內(nèi)定位應用較廣泛的三邊定位算法,位置指紋識別算法更能實現(xiàn)定位的準確度。為了估算測試節(jié)點的坐標,選用最近鄰法NN(Nearest Neighbor)作為匹配位置指紋識別算法的匹配算法,該方法在匹配時首先采用式(1)中的方法,計算得到接受信號強度矢量與數(shù)據(jù)庫中各指紋數(shù)據(jù)矢量之間的距離,然后選取最小距離對應的數(shù)據(jù)庫矢量,并以其位置坐標作為當前移動終端的定位結(jié)果。
(1)
(一)系統(tǒng)功能設計。煤礦井下人員定位系統(tǒng)主要用來實時檢測井下工作人員的動態(tài)信息,如人員具體位置、各個區(qū)域內(nèi)人數(shù)等,以便井下發(fā)生事故能夠進行有效地制定搜救方案。同時其還具備的主要功能有:井下人員考勤管理、實時監(jiān)測、實時定位、信息查詢、歷史軌跡查詢、動態(tài)地圖顯示等各項功能。
(二)基于Android平臺的實現(xiàn)。本文在Android平臺上設計并實現(xiàn)基于WiFi技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng),采用Java語言在eclipse開發(fā)軟件上開發(fā)Android客戶端,系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫選用SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫。通過Socket編程建立客戶端與wifi信道雙向的通信連接,實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換。
1.系統(tǒng)定位的實現(xiàn)?;贏ndroid平臺從網(wǎng)絡層面上來實現(xiàn)整個離線數(shù)據(jù)采集階段和在線定位階段。離線數(shù)據(jù)采集階段,首先收集每個WiFi接入點(AP基站)的具體位置,對每個基站進行唯一的標示,在數(shù)據(jù)庫中注明這些接入點的具體位置。圖2、圖3分別是服務于該定位系統(tǒng)所設計的井下人員手持移動設備應用界面和地面監(jiān)測管理中心應用界面。
圖2井下人員手持設備定位界面圖3定位系統(tǒng)地面監(jiān)控界面
2.系統(tǒng)測試。在煤礦井下巷道內(nèi)選取100個測試點,采用同種布置網(wǎng)絡節(jié)點的方式,分別通過WiFi定位系統(tǒng)、ZigBee定位系統(tǒng)和RFID定位系統(tǒng),對這100個點從定位成功率、響應時間范圍和平均誤差等指標進行測試,測試結(jié)果見表1.
表1 網(wǎng)絡定位測試
由上表測試結(jié)果表明,基于WiFi技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng),可以有效地提高定位的準確度和可靠性,同時也克服了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)響應時間較慢的缺陷。
基于WiFi技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)采用新興的WiFi無線網(wǎng)絡通信技術(shù),克服了煤礦井下復雜環(huán)境所造成通訊的干擾,解決了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)響應時間長、定位精度差的問題,顯著提高了系統(tǒng)定位的可靠性和精確度,將該定位系統(tǒng)應用到煤礦井下特殊的環(huán)境中,對進一步優(yōu)化井下安全生產(chǎn)管理和提高工作效率有著十分重要的作用,具有很好的應用價值。