RSSI与步长估算的井下人员定位装置研究

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(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京100083)

引 言

由于基础薄弱，再加上煤矿井下作业深入地下、环境恶劣、设备简陋、地形复杂等种种客观原因，近年来，煤炭业生产安全事故频频发生。这已经成为限制煤炭企业发展的重要因素，直接造成重大的经济损失和不良的社会影响[1]。

煤矿开采拥有其特殊性，有线通信设备并不适用，RSSI、WiFi、ZigBee等一批具有优势性的无线通信技术在国内外的煤矿行业得到了广泛的应用。无线通信技术作为井下通信、以及定位等方面的有益补充，在煤炭企被广泛应用。WiFi无线通信技术以其容易组网、传输速度快等优势被广泛应用，具有广阔的发展前景。Ekahau公司开发了一套基于WiFi的实时定位系统，该系统由管理器、服务器和客户端构成，管理器收集WLAN信号，并构建一个位置数据库；服务器根据客户端的定位计算模型来计算位置信息；系统的准确性是收集到的信号数据数量的函数。中国煤矿行业有着地质条件复杂，井下空间狭小等一系列特点，导致信号衰减速度快，不能准确传输数据、无法达到定位精度等一系列问题[2]。

本课题结合WiFi定位技术与计步技术进一步提高井下人员定位精确度，且扩展了面向煤矿井下人员安全的综合功能，将井下人员误入危险区域检测、井下人员摔倒状态检测结合。把传统煤矿安全系统独立的检测井下人员各方面安全信息统一管理，综合分析。

该装置统一获取井下人员精确定位信息、误入危险区域检测信息、井下人员摔倒状态信息。该装置利用计步技术与步长估计算法提高井下人员的定位精确度。对误入危险区域的井下人员进行报警提醒，警示人员已经进入危险区域，应立即安全撤离。该装置实时监测井下人员是否摔倒，一旦发现井下人员有摔倒状况，则重点监测，若发现摔倒情况严重者，及时进行安全救助。该装置通过WiFi无线通信，与周围基站以及井上系统保持信息通信，由于WiFi无线通信具有带宽、无线电波覆盖范围广、传输速度快、易组网、成本低、发射功率低、终点便捷、兼容性好等特点，能保障地面与井下人员信息沟通的及时性以及对井下人员管理的便捷性[3]。

1 硬件设计

本装置由单片机STM32F103、WiFi模块DS0047CN-EMW3166、加速度传感器MMA7260Q、液晶显示屏LCD12864，4×4矩阵键盘以及电源管理模块组成，其硬件连接如图1所示。STM32F103属于32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3，该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品，低功耗、体积小，适合使用在可穿戴设备中。STM32F103连接各个模块，是整个装置的核心元件。它接收传感器和WiFi模块的信号，然后经过事先存储好的程序进行运算，得出结果，再把信号导出到显示屏上。

图1 硬件连接图

DS0047CN-EMW3166是低功耗、小体积、高性能嵌入式WiFi模块，内置高性能、低功耗Cortex-M4微控制器、256 KB SRAM+3 MB Flash，并具有多种模拟、数字外设接口，3.3 V单电源供电，工作温度在-30～+85 ℃，邮票孔封装形式，适合井下工作环境。携带WiFi模块的人员定位装置进行定位时，工作状态WiFi 基站向所在空间发出信号, WiFi模块接收附近基站发出的信号，通过比较接收到各基站信号的强弱完成数据处理，便可得知穿戴定位装置人员的位置，并将结果传送至单片机。

加速度传感器MMA7260Q的内部模块结构是在单一芯片上集成3个相互独立、测量方向相互垂直的敏感元的测量模块，其是由多晶硅微加工表面工艺制成的电容式加速度传感器；由硅片表面的弹性结构支撑起的质量块下面贴附电容的一个极板，电容的另一极板固定。当加速度引起质量块的相对位置变化时，电容值也发生变化，然后经过电容电压转换电路和放大滤波电路后输出与加速度成正比的电压信号。可穿戴装置实时采集三轴加速度数据，求得合加速度数据，结合合加速度幅值检测算法以及时间差检测算法，确定计步数据。根据步长模型算法得到对应步长数据，则可得到佩戴装置人员的具体位置，可在原有定位基础上提高定位的准确性。同时，可通过计算后的数据变化判断人员是否摔倒。

2 软件设计

2.1 定位功能软件设计

基于WiFi的井下人员定位系统在井下原有的基站和分站上加以改造，建立多个无线基站，建立WiFi网络实现井下巷道的无线覆盖，系统通过带有 WiFi模块与三轴加速度传感器的定位装置来进行定位、通信。当一个携带装置的井下人员进入工作区域之后，装置的WiFi模块自动扫描并选择信号强度最强的WiFi基站连接,这种选择是通过使用AP的MAC以及扫描到的信号强度指示RSSI值自动完成的。

当装置移动到不同的WiFi信号区域时，WiFi会重新扫描，并与信号强度较强的WiFi基站重新建立关联。关联得到的RSSI值会与设定的RSSI阈值进行强度判定。如果RSSI值大于设定的RSSI阈值，就以该基站的坐标位置进行定位，否则，就利用计步算法进行定位。当信号强度正好为设定RSSI阈值时，把当时的实时位置作为当前装置的初始坐标位置。同时，定位装置实时采集三轴加速度传感器数据，求得合加速度数据，结合合加速度赋值检测算法以及时间差检测算法，确定计步数据。根据步长模型算法得到对应步长数据，即携带装备的井下人员的移动距离，这样便可得到携带装置的井下人员的精确定位。最后通过井上服务器的电子地图得以显示其具体位置[4]。定位功能流程图如图2所示。

图2 定位功能流程图

2.2 防摔倒检测功能软件设计

综合功能定位装置通过实时采集三轴加速度传感器的数据，对得到的三轴加速度数据处理求得合加速度值，定位装置内记录一定时间内的加速度变化曲线，通过合加速度变化曲线判断用户摔倒状态。当某时刻合加速度值大于预先设定的合加速度阈值(考虑下蹲和俯身与摔倒的关系设定)，并在一定时间内加速度处于零且没有恢复正常的合加速度值时，判定该携带装置的井下人员摔倒。此时设备向井上服务器传达人员处于摔倒状态的信息，通知井上人员对该井下人员采取相应急救措施。如果是误报警，该携带装置的人员可以通过误报警按钮取消。防摔倒检测功能软件设计流程如图3所示。

图3 防摔倒检测功能软件设计流程

结 语

[1] 于平.煤矿井下人员定位系统的现状和发展[J].环球市场，2016(15)：41-43.

[2] 何伟刚，吴其琦.煤矿井下小型无线定位器的设计[J].煤矿机械，2013(10)：154-156.

[3] 苏静，吴桂义.煤矿井下人员定位系统现状与发展趋势[J].内蒙古煤炭经济，2012(9):111-112.

[4] 季利佳.基于WiFi和ZigBee技术的无线通信及人员定位系统在矿山的应用[J].电子世界，2016(14).