浅谈基于网络和无线传输的井下人员定位系统

摘要：从井下事故频繁发生的现状出发，说明开发井下人员定位系统在跟踪定位，灾后急救等方面的重要性。本文介绍了一种以移动无线终端人员定位控制技术和以单片机为核心的计算机网络终端开发应用技术相结合的井下人员定位系统的设计方案。是一种以无线采集、网络传输的方式对井下人员进行实时定位，这种方法能将人员定位在一个小区域范围内，大大加强了定位的精度。

关键词：人员定位 单片机网络 无线传输技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0034-02

随着国民经济的快速发展，井下作业日益增多，随之而来的是井下事故的发生也越发频繁，在分析近几年的几个重大井下事故时，我们发现问题的关键所在：（1）井下作业人员与地面的控制中心不能进行实时的信息沟通。（2）地面控制中心难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确人员定位。（3）一旦事故或险情发生，对井下作业人员的抢救缺乏可靠的位置信息，搜救效果差，抢险救灾效率低。

人是安全生产的核心，而井下人员定位系统的开发，是实现井下安全作业的重要保证之一。因此各井下作业行业迫切的需要相应的井下人员定位系统，对井下工作人员进行考勤统计和实时的自动跟踪，动态掌握井下人员的位置分布及作业情况，以确保井下作业人员的安全及事故或险情发生后的及时救助。

1 系统总体方案设计

系统总体可分为井上网络和井下网络两部分，系统的井上网络为计算机巡回检测控制中心（即工作站），主要由监控主机、转换器（HUB）以及因特网等部分组成，负责对人员定位系统发送巡回检测命令，调用数据等；同时也接收井下网络采集到的人员状态、位置信息等数据，通过计算机信息管理系统等软件对数据进行分析、处理后进行实时显示等；井上的安全监控人员可以通过工作站向下层发送命令，对各节点工作状态以及人员位置等信息进行查询。

系统的井下部分为无线定位系统，是由若干具有固定坐标位置的单片机服务器及移动识别卡组成的无线网络通信系统。每一个子网络都包括单片机服务器、固定的参考节点（与单片机连接的无线传输模块）、移动节点（移动人员佩戴的无线传输模块即识别卡）等部分；将单片机服务器布置在采掘面、危险场合（如盲巷）及主巷道和作业面的交叉道口等处。并且每一位井下工作人员都要随身携带一个具有自己独立身份码的识别卡（可安置在安全帽，腰带等处）。单片机服务器的主要功能是存储无线定位系统采集的环境参数和移动节点的坐标等信息，同时在工作站发送调用命令时，与地面控制中心进行网络通信，将采集到的数据打包通过网线传送到地面控制中心，供监控人员进行参考。移动节点也采用的是无线传输模块设计，与单片机服务器上的无线传输模块相互协作，搭建无线网络通信系统，并定时发送定位请求信号。整个系统采用的是有线无线相互配合的方式进行工作，井上部分采用有线的以单片机为核心的计算机网络终端开发应用技术，而井下部分采用的是移动无线终端人员定位控制技术。

2 系统工作过程

在井下将单片机服务器安装完成之后，将单片机服务器自身的位置坐标存储在计算机中。启动系统之后，单片机服务器与移动识别卡组成无线通信网络。当携带识别卡的移动人员进入无线感应区时，使用中的识别卡将不间断的发射代表井下人员身份特征的无线数字编码信号及定位的RSSI值。在单片机服务器上的固定节点收到后把数据存储到单片机服务器上，当监控主机发送调用命令时，再把数据经网线传输给监控主机。监控主机内部的计算机信息管理系统等软件（数据处理服务器等）根据传送的RSSI信息及已知的固定节点坐标信息和定位算法，即可计算出移动人员的位置坐标。

3 以单片机为核心的计算机网络终端开发应用技术

本文的单片机服务器即是利用的以单片机为核心的计算机网络终端开发应用技术，即单片机与网络通信应用技术两者的结合，从原理上讲，要实现单片机和网络的连接，是借助以太网控制芯片RTL8019AS，在单片机中嵌入TCP/IP协议，使用户终端以单片机服务器为媒介，将数据通过网络进行输入与输出。但是由于8位和16位的单片机，其本身的资源和处理能力有限，所以要对现有的TCP/IP协议进行简化。uIP0.9是一个适用于8/16位机上的小型嵌入式TCP/IP协议栈，它的特点是简单易用，资源占用少。它去掉了TCP/IP协议栈中许多不常用的功能，而保留网络通信所必要的协议机制。IP、ICMP和TCP协议的实现是其的设计重点，将这三个模块合为一个有机的整体，而将UDP和ARP协议实现作为可选模块，因此，单片机网络的系统框图可以表示如图2。

4 移动无线终端人员定位控制技术

因无线传输技术的先进性、优越性及其迅猛发展，无线传输技术被越来越广泛的应用于井下人员定位系统中，本文系统的井下部分的定位系统，即是采用的无线传输技术。其中比较热门的短距离无线传输技术有：蓝牙技术（Bluetooth）、ZigBee技术、射频识别技术等。

蓝牙技术（Bluetooth）一种工作在2.4GHz的ISM频段的无线网络传输技术，其工作频段并不需要申请许可，是一个不受限制的自由频段。Bluetooth能够在不同的设备间实现灵活方便，安全可靠，低功耗，低成本的数据和语音的传输，传输距离一般在10米以内。

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，工作于2.4GHz的频段，是一种介于蓝牙技术与无线局域网技术之间的技术，主要用作短距离无线连接。

射频识别技术（RFID，即Radio Frequency Identification）是利用射频方式进行非接触双向通信，实现对人员、设备或其他物品自动识别和数据交换的技术。

本文的井下定位系统是由一个无线定位主网络和多个移动的目标节点构成，所以无论采取哪种无线传输技术，其首要的一点是都建立无线网络。沿井道每隔20的间距，根据需要将携带有无线传感器的单片机服务器安置在井道的适当位置。这些固定的节点将会自发的组建成一个无线网络。此固定的携带无线传输模块的单片机服务器的具置已知，并已将其数据存储在计算机中供定位计算参考。每个下井的移动人员都携带各自识别卡，并不断的发送自身独有的身份码，固定节点接收到移动节点的身份码及信号强度指示RSSI信息，并将数据传送给监控中心，即可根据这些信息，计算出移动人员与固定节点的具体距离，实现人员的精确定位。其中采用的定位算法主要是基于信号强度RSSI的测距法，其系统组成结构图如图3所示。

5 结语

井下人员定位系统的设计开发，对于我国井下安全作业具有十分重要的意义。并且其设计到无线传输技术、移动无线终端人员定位控制技术、计算机网络传输技术、以单片机为核心的计算机网络终端开发应用技术|、计算机管理信息系统开发技术等多方面的技术。本文是就移动无线终端人员定位控制技术和以单片机为核心的计算机网络终端开发应用技术这两个主要方面介绍了基于网络和无线传输的井下人员定位系统的开发设计。通过该系统，人员作业时能动态的掌握井下人员的活动轨迹和分布情况，事故发生后，能够将受难人员定位在小范围区域内，大大提高营救效率。

参考文献

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