井下人员定位系统

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、ＷＩ。ＡＮ、ＳＤＲ技术的ＷＭＳＲＳ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ＷＭＳＲＳ监控系统主控软件结构体系框图。

关键词：ＷＭＳＲＳ；ＲＦＩＤ；定位；实时监控中图分类号：ＴＮ９２９．４

文献标识码：Ａ

文章编号：１００３—８３２９（２００６）０３—００５２—０３

ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｆＰｅｒｓｏｎｎｅｌＵｎｄｅｒ

ＸＵＣｈｕｎ—ｍｅｉ，

ＣＨＥＮＦａｎｇ—ｆａｎｇ

Ｍｉｎｅ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳＤＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄ

ＷＳＮ、ＲＦＩＤ、ＷＬＡＮ、

ＷＭＳＲＳ

ｓｙｓｔｅｍ。ｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ’Ｓｔｏｔａｌｏｂｊｅｃｔｉｖｅａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ

ｏｆｕｎｄｅｒｐｉｔ

ｌｏｃａｔｉｏｎ

ｂｙ

ｕｓｉｎｇｒａｄｉｏ

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｓｃｈｅｍｅ，ｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｌｉｓｔｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙ

ｏｐｅｒａｔｉｏｎ

ＷＭＳＲＳ

ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ’Ｓｆｒａｍｅｇｒａｐｈｏｆｄｏｍｉｎａｔｅｄｓｏｆｔｗａｒｅ

ｗｏｒｄｓ：ＷＭＳＲＳ；ＲＦＩＤ；ｌｏｃａｔｉｏｎ；ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ

ｃｏｎｔｒｏｌ

井下人员的信息沟通不及时，以至地面人员难以及

１前言

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（ＷＭＳＲＳ，ＷｉｒｅｌｅｓｓＭｉｎｅ

ａｎｄＲｅｓｃｕｅ

Ｓｅｃｕｒｅ

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

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，其传输范围大，成本低，因此备受关注。

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

一５２—

矿区报警等功能。ＷＭＳＲＳ系统的地下部分有两种

２

ＷＭＳＲＳ系统设计目标

（１）实时统计考勤与并下人车查询功能，主要

设备，一种是ＷＭＳＲＳＢＳ（ＷＭＳＲＳ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、

包括人员以及车辆的下井统计与报告（Ａｃｃｅｓｓ

Ｒｅｐｏｒｔ）、位置报告（ＰｏｓｉｔｉｏｎＲｅｐｏｒｔ）、工作时间报告（Ｗｏｒｋｅｒ

ＩｎｓｉｄｅｒＭｉｎｅＲｅｐｏｒｔ）。

Ｄｅｎｓｉｔｙ

ａｎｄ

（２）实时地进行瓦斯浓度报告（Ｇａｓ

Ｒｅｐｏｒｔ）、温度与湿度报告（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

Ｈｕｍｉｄｉｔｙ

Ｒｅｐｏｒｔ）、环境参数报告（Ｏｔｈｅｒ

ＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＰａｒａｍｅｔｅｒｓＲｅｐｏｒｔ）。

（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

匿萄萄国

图１

ＷＭＳＲＳ系统结构示意图

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，对采矿现场进行实时高清晰度图像监控。

图２

ＢＳ系统构成框图

３

ＷＭＳＲＳ系统整体方案

ＷＭＳＲＳ综合应用ｗＳＮ（Ｗｉｒｅｔｅｓｓ

Ｓｅｎｓｏｒ

一

Ｎｅｔｗｏｒｋ无线传感器网）、ＲＦＩＤ、ＷＩ。ＡＮ、ＳＤＲ

（ＳｈｏｒｔＤｉｓｔａｎｃｅ

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。

ＷＭＳＲＳ系统分为地上和地下两个部分。其地上部分主要为ＷＭＳＲＳ信息监控中心以及与其相关网络设备与硬软件平台。位于ＷＭＳＲＳ信息监控中心的ＷＭＳＲＳＳｅｖｅｒ主要是基于数据库技术的软

一

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压缩、加密处理，向Ｓｅｖｅｒ实时提交数据。另一种是ＷＭＳＲＳＳＤＲ，它的功能类似于一般的ＲＦＩＤ

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

件系统，通过适时采集的数据，系统软件对整个矿井（Ｒａｄｉｏ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

Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）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

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《无线通信技术》２００６年第３期

技术，主要装备在矿工、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ＢＳ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。

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

４井下定位原理

ＷＭＳＲＳ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ＣＣｌ０１０无线收发芯片，其系统结构如图４所示。ＣＣｌ０１０是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司推出的单片机可编程ＲＦ收发芯片，它基于Ｃｈｉｐｃｏｎ’Ｓ

ＳｍａｒｔＲＦ

所示。

图５用三边测距法确定未知节点的位置

技术，可工作在ＩＳＭ频段（３００～１０００ＭＨｚ）。ＣＣｌ０１０集成了射频发射、射频接收、ＰＬＩ。合成、

５管理软件系统结构

位于ｗＭｓＲＳ信息监控中心的ｗＭＳＲＳ

Ｓｅｖｅｒ

　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。

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，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４ＣＣｌＯｌ０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

ＳｉｇｎａｌＳｔｒｅｎｇｔｈ

Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ），在已图６并下监控系统主控软件结构体系框图

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

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基于人员定位的ＷＭＳＲＳ系统综合应用ＷＳＮ、ＲＦＩＤ、ＷＬＡＮ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）

《无线通信技术》２００６年第３期

ｔｈｉｎ

ｆｉｌｍｓ［Ｊ］．

ＩＥＥＥｍｉｃｒｏｗａｖｅ

ｎｏ

ａｎｄｗｉｒｌｅｓｓ

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。

［４］

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｌｅｔｔｅｒｓｖ０１．１２２３９．

７，ｊｕｌｙ２００２，ＰＰ．２３７ｒ一

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社，２００１年．

［３］ＤｏｎｇｓｕＫｉｍ，ＹｏｏｎｓｕＣｈｏｉ，ＭａｒｋＧ．Ａｌｌｅｎ，Ｊ．

Ｓｔｅｖｅｎｓｏｎ

Ｋｅｎｎｅｙ，ａｎｄＤａｖｉｄＫｉｅｓｌｉｎｇ。Ａ

ａｔ

Ｗｉｄｅ－

ＢａｎｄＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ－ＴｙｐｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔｅｒ

Ｓ－ＢａｎｄＵｓｉｎｇ

ｏｎ

ＢＳＴＣｏａｔｅｄＳｕｂｓｔｒａｔｅ［－ｊ］．ＩＥＥＥｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ

ｍｉｃｒｏｗａｖｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｖｏｌ，５０，ｎｏ．１２，２００２。ＰＰ．２９０３—２９０９．

ＲｅｉｎｈｏｌｄＬｕｄｗｉｇ，Ｐａｖｅｌ

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ＪａｍｅｓＳ．Ｓｐｅｃｋ．ａｎｄＲｏｂｅｒｔＡ．Ｙｏｒｋ．ＡｎｅｗｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｅｒｕｓｉｎｇＢａｘＳｒｌ—ｘＴｉ０３

客盍穴客套客触能能叁客客套盘能客触客客贻艄能能客套怂能客穴客客套能客船客蛊盒穴客客能套盘客客能般盘客能套触客套盘能奢盎贻客客盒盘能客客贻触套盎

（上接第５１页）

　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ

２３６—２４０．

Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（ＩＰＤＰＳ２００５）［Ｃ］：

Ｔｒｅｅｓｗｉｔｈ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ｔｏｔｈｅ

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

ｏｆ

ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＯｐｅｒａｔｉｏｎｓＲｅｓｅａｒｃｈ，

Ｖ０１．４７，ｎｏ．４，ＰＰ．６１９——６３１．１９９９．

［８］

Ｃｈｅｎｇｆａ

Ｌｉ，ＭａｏＹｅａｎｄＧｕｉｈａｉＣｈｅｎ．ＡｎＥｎｅｒｇｙ——

ＭｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓ

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ

Ｏｎ

ＥｆｆｉｃｉｅｎｔＵｎｅｑｕａｌＣｌｕｓｔｅｒｉｎｇＳｅｎｓｏｒＩＥＥＥ

［１０］Ｓ．Ｂａｎｄｙｏｐａｄｈｙａｙ，Ｅ．Ｊ．Ｃｏｙｌｅ．ＡｎＥｎｅｒｇｙＥｆｆｉｃｉｅｎｔ

ＨｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌＳｅｎｓｏｒ

Ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ

Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ

ｆｏｒ

Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ａ］．ｉｎ

ｔｈｅ２ｎｄ

Ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＭｏｂｉｌｅＡｄ—ｈｏｅ

Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ｉｎＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩＮＦＯＣＯＭ，

ａｎｄＳｅｎｓｏｒ

６０４．

Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＡＳＳ）［Ｃ］，Ｎｏｖ．２００５：５９７—

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［９］Ｆ．ＢａｅｃｅｌｌｉａｎｄＳ．Ｚｕｙｅｖ．ＰｏｉｓｓｏｎＶｏｒｏｎｏｉＳｐａｎｎｉｎｇ

盒盎盒客套客客盎奢套盎棠客客２：盒盎盎客叠盘客套套盎盎；溶套盎盎盎客盘盎度；演客客客奢客套＃嚏客客套套嚣：盒盎盎岩溶盘客盘盎客盎客套＃：客客套客盘盘客客客客套盘盎客客套舞会＃ｇ｝盎盎盎＃：客套客车｝盘

（上接第５４页）

和故障预报，可快速指导矿井突发性事故的救护工作，是一种先进实用的井下人员跟踪定位系统。ＷＭＳＲＳ系统有着非常大的社会意义和市场前景。

参考文献

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《无线通信技术》２００６年第３期

一６２一

井下人员定位系统

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

徐春妹， 陈芳芳， XU Chun-mei， CHEN Fang-fang东南大学信息科学与工程学院,南京,210096无线通信技术

WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGY2006,15(3)8次

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