基于802.11n无线传感器网络的巷道人员定位技术研究

 张庆华，徐雪战，邹云龙

（1．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；

 2．中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

摘要：针对现阶段矿井人员定位系统定位精度低、成本高、可靠性差等问题，提出了一种基于802.11n无线传感器网络技术的真三维人员定位系统，该系统根据功能特征划分为现场设备管理层、系统运行监控层和地面监控管理层。工作时，定位分站将移动节点通过无线网络传输过来的位置坐标信息通过RS - 485总线传输到光纤冗余网中，紧接着将位置坐标信息通过CAN现场总线传输到地面数据服务器内进行解压、分析处理和可视化显示。实验结果表明：当加权因子k取1.1时，该系统在井下巷道测试环境中的平均误差仅为1. 15 m，且长期运行无故障，具有较高的定位精度和可靠性，降低了成本。

关键词：人员定位；无线传感网络；真三维定位算法；802.11n；加权质心

0  引言

 作为煤矿监控系统的重要组成部分，煤矿人员定位系统因其能够提供井下工作人员的实时位置状态信息，提高了矿井生产管理与防灾救援的效益，现已引起矿井生产管理部门以及相关科研单位的广泛重视。

 同时，无线数据传输网络因其非接触、实时、抗干扰能力强等技术优势，已有相关单位及技术研究人员尝试将其与矿井人员定位系统相结合，以解决现阶段人员定位系统数据延时、非全局人员定位、数据传输效率低等缺点。刘志高等在总结前人研究的基础上提出并实现了一种巷道全局定位系统，提高了系统运行的可靠性；王瑞锋等在LANDMARC定位算法的基础上，提出了系统自适应的LANDMARC k-邻算法，将巷道人员定位误差控制在了2.5 m范围以内，显著提高了人员定位精度；张志荣等将碰撞算法引入到了人员定位系统之中，为系统定位过程中的信息碰撞问题提供了解决方案；张治斌等利用ZigBee技术，提出了基于RSSI的加权质心人员定位优化算法，提高了系统定位精度；孟祥瑞等将三维可视化与无线传输技术应用到了人员定位系统之中，改善了人机交互的操作体验；刘书伦等结合超带宽技术，增大了人员定位信号的传输距离。

  但以上研究方法多集中于无线传感器硬件改造升级及局部人员定位之中，倘若应用在整个巷道网络之中，主要存在以下几个问题：首先，随着矿机的开拓回采，矿井巷道网络长达几千米或数十千米。而基于Zig-Bee和RFID无线传输技术的人员定位系统，单节点有限定位距离仅为几十米，倘若构建整个矿井全局人员定位系统定位成本较高。同时，由于煤矿井下多尘、潮湿、矸石冒落等复杂的生产环境，即使通过布置大量节点构建出了全矿井人员定位系统，也有可能因为外部环境的不确定因素造成部分定位盲区。再者，现阶段的人员定位算法也多集中于二维平面的算法优化研究，难以提供井下工作人员的空间三维地理位置信息。

  综合以上因素分析，现阶段矿井人员定位系统在全局人员定位与真三维实时人员定位技术之上尚未开展广泛研究。为此，本文提供了一种基于802.11n无线传感器网络与真三维人员定位算法优化的矿井人员定位技术。首先，利用防爆光纤交换机，将局部人员定位无线传感器收集到的人员定位信息传输到定位数据库之中，紧接着，利用先进的全局人员定位估算方法与数据处理技术，实时估算出井下工作人员的空间三维地理位置信息。显著提升了矿井智能化生产管理水平，进而解决了现阶段矿井人员定位系统安装成本高、定位精度低、操作体验差以及无法实时提供待测矿井工作人员空间三维位置状态信息等缺点。

1  实现全局人员定位系统的基本问题

  如何在满足定位精度、巷道盲区人员定位与实时定位信息传输的前提下，尽可能的提高待测矿井工作人员的定位精度，降低单个移动节点的定位时间以及降低系统设备研发成本是当前矿井全局人员定位系统研究的主要问题，具体可以归纳为以下几个部分：

 1)矿井人员定位系统的设计与实现，包括井下带巷道盲区的全局人员定位系统的设计分析、可行性分析、技术方针选择以及可能面临的技术管理问题以及解决方案。

 2)全局人员定位系统的数据模型构建，包括矿井的巷道网络结构模型、人员数据信息模型以及移动人员的位置估算数据模型。如何简化矿井巷道、待测人员的数据模型，进而满足矿井人员定位系统高精度、实时定位的数据信息处理需要是当前数据模型构建的主要问题。

 3)矿井定位以太环网的网络拓扑优化布置，在保证系统稳定运行的前提下，主要研究如何节省系统软硬件产品的投入成本，包括设计主要工作环网、局部环网与无线人员定位分站的分布问题。

 4)系统人员定位算法，包括有局部人员的定位算法和盲区的人员位置估算算法。选择怎样的人员定位算法关系到待测人员的定位精度问题，现阶段全局人员定位系统人员定位算法的研究主要集中在，如何实现待测人员位置信息的精准判定及盲区人员位置预估。

2  系统建模与技术分析

2.1  矿井巷道网络

 为了简化系统的设计研发流程，提高产品的开发效率，如图1所示，根据煤矿井下巷道网络的实际分布情况，本文进行了如下定义：

 1)水平：在矿井回采过程中，同一回采煤层形成的空间地理集合称为一个水平，根据矿井煤炭的实际埋深不同，本文由上及下依次将矿井定义为Levell、Leve12……Level n等多个水平。

 2)结点：矿井巷道网络弧段的端点或两两巷道的交叉点称之为结点，在矿井巷道网络中，结点可以用来表示为矿井同一空间水平巷道之间的交点或水平巷道与上下山之间的交点等，本文用Nodel、Node2……Node n来表示。

 3)节点：在巷道网络结构中，存在两两巷道或多个巷道交叉的情况，当一个交叉点有且仅有两个巷道弧段构成时，称该交叉点为节点，本文用Pointl、Point2……Point n来表示。

4)弧段：在矿井巷道网络中，两个结点／节点之间的巷道称为弧段。在矿井中，弧段是构成巷道网络的基本元素，本文用Arcl、Arc2-- ...Arcn来表示弧段。

2.2  全局定位系统建模

 在矿井生产回采过程中，根据煤层的赋存结构特点，矿井多采用分层的生产开拓方式进行煤炭回采。同时，多水平之间，又通过上下山来连接贯通，就构成了矿井多水平，空间立体交互式的巷道网络结构。基于以上特点，采用单一水平的巷道网络建模难以涵盖全矿井所有的巷道网络信息，不能够满足矿井全局人员定位的需求。另外，现阶段矿井人员定位系统的建模主要集中在矿山地球地理信息系统( MineGIS)、巷道空间网络结构和巷道数据模型的研究上，注重矿井巷道网络的静态结构。而在矿井的实际生产过程中，巷道网络是一个复杂的三维立体空间网络结构，并且随着煤炭的回采，其结构也在不断的发生改变，如何结合已测定的巷道网络数据，实时更新不断变化的巷道网络模型，是巷道网络模型建模研究的关键问题。

2.2.1  巷道网络模型

 在巷道网络模型的构建过程中，本文用一个带权向量集S={N，E，V}表示，其中N用以表示巷道网络中的顶点集合，包括结点和节点；E用以表示巷道网络中的边集合，包括弧段、弧长和上下山；v用以表示定位过程中，巷道网络相应边所对应的权重，由正实数集合表示。在人员定位过程中，待测人员的位置信息位于巷道网络的边e上，其中eeE，单个工作人员的位置结点用M={m．。，m，，m，，m：}表示，其中m。为工作人员位置标识，m，，m，，m：为待定位人员在巷道网络中的空间几何位置坐标信息。

地面定位服务器通过调用巷道弧段表、节点表、结点表和水平几张巷道数据信息表，构建成为一个空间三维巷道网络拓扑结构，其中巷道网络模型变量的数据如表1所示。

2.2.2  人员测定网络模型

 人员测定网络为系统定位过程中，根据人员定位需要而设置的网络模型，由网关、参考节点和移动节点几部分组成，用D=lG，R，B}表示，其中G={Gid,，Gid：，…，Gid。}用以表示定位系统中的网关集合；R={Rid,，Rid，…，Rid。}用以表示定位系统内所有参考节点的电子数据信息集合；H={ Bid,，Bid：，…，Bid。}用以表示定位系统中待测的移动节点信息。

在人员测定网络模型的构建过程中，将定位网关G布置在巷道网络的节点N上，参考节点R分布于网关网络覆盖的巷道网络中，地面人员定位服务器通过调用网关表、参考节点表和移动节点表构建人员测定网络，其中网关、参考节点和移动节点的数据结构如表2所示。

2.2.3  人员信息数据模型

 为了更好的满足矿井的人员定位需求，全局人员定位系统建模除了对矿井的所有巷道网络进行数据模型的创建以外，还需对井下人员测定的数据网络模型和待测矿井人员数据信息模型进行构建，并使三者通过逻辑模型、数理模型等有机的结合起来。本文在全局人员定位系统模型的构建过程中，根据矿井全局人员定位的需求，依次构建出全局巷道网络模型、人员测定网络模型和人员信息数据模型，并通过数据结构关系实现三者的有机结合，实现了多层次、多目标、实时定位更新的全局人员定位系统模型。

2.3基于加权质心的三维人员定位算法

 现阶段，矿井人员定位系统多采用RSSI( ReceivedSignal Strength Indication)基于接收信号强度的人员定位技术进行井下工作人员定位，但由于煤矿井下潮湿、多尘、巷道狭长以及矿车行人与气流扰动等复杂的工作环境，往往造成即使在同一位置，相同距离的情况下，在不同的时刻却测出不同的RSSI值，定位效果不甚令人满意。为了解决以上问题，提高矿井工作人员的定位精度，本文在RSSI工作人员定位技术的基础上，提出了加权质心人员定位算法。

2.3.1  定位路径的信号衰落指数

  定位路径信号衰落指数是指：无线信号在传输的过程中，随着传播距离的增加信号不断衰减的指数。在矿井人员定位过程中，随着巷道的开拓延伸，依据矿井巷道的开拓设计图纸，在巷道内部均匀悬挂定位参考节点。由于定位参考节点位置已知，可通过定时测量相邻参考节点RSSI值的信号强度，来计算出当前测试环境下的定位路径信号衰落指数。

如图2(a)所示，参考节点0．接收临近一跳范围内参考节点0：，O，的RSSI值，根据RSSI定位技术原理有：

式中，RSSI，：，RSSI，，分别为参考节点0．到O：、D，之间的RSSI值，d．：、d，，分别为参考节点0，到0：、0，之间的实际距离，A为信号传播1 m后的实际损耗，n为信号传播路径衰减指数，反应无线信号受实际定位环境的影响因素，其取值范围一般为2~5。化简式(1)可得：

 由式(2)可知，在计算信号衰落指数n时，仅与RS-SI．。、RSSI，，、d．：和d．，有关，与单位距离传播损耗A没有关系。在矿井定位过程中，由于参考节点位置坐标已知，则可通过参考节点之间的相互通信来得出实际环境中的衰落指数n值，进而提升了系统的适应能力，提高了定位精度。

2.3.2基于加权质心的人员定位算法

在矿井人员定位过程中，可以通过测算移动节点和最近3个参考节点的距离来确定移动节点的空间地理坐标。如图2(b)所示，假若参考节点0．接收到了移动节点M反馈过来的信号，则说明M在以O．为球心，d．为半径的球上，同理M也分别在以0：O，为球心d：d，为半径的球上，由式(1)可得：

假设a、b分别为d1与d2、d3的比值，则有：

由空间坐标系中3点与距离之间的位置关系可求出移动节点M的坐标为：

然而受井下复杂多变等因素影响，利用RSSI信号强度进行人员定位时会有一定的误差，3个球体并没有交于一点，而是形成如图2(c)所示的空间立体阴影区域。对此，提出加权因子k可实现定位结果的修订，代入加权因子k，可得到移动节点M的真实坐标为：

 在矿井实际定位过程中，通过不断调整加权因子k的值，可实现较好的人员定位效果。

2.4  盲区人员定位

 由于系统硬件成本及井下巷道布置等因素，在定位过程中，煤矿巷道网络一般存在有部分定位盲区，当工作人员进入到该盲区中时，无法通过局部人员定位算法实现当前待定位人员的位置坐标，必须结合巷道的数学模型、待定位人员行走速度、移动轨迹等历史信息，通过构建定位盲区的位置估算方法，对待定位人员进行位置估算。在定位系统中，假设移动节点信息由{i。，t，x，y，z，v，9}几部分组成，其中i。为巷道弧度标识，t为系统更新时间，（x，y，z）为移动节点的空间位置坐标，”为节点移动速度，口为当前移动节点的行走方向，且OE{0，1}，当移动节点’由弧段起点走向终点时p值取1，反之为0。另外，为提高系统的运行效率，设盲区内节点的移动速度v保持不变。

3  系统平台开发设计

 考虑到矿井人员定位系统的实际使用环境，本文设计了基于802.11n无线网络传输技术的人员定位系统，主要由地面监控管理平台、数据服务器、工业光纤冗余环网、分站、参考节点和煤矿从业人员身上携带的移动节点几部分组成。

如图3所示为矿井人员定位系统的工业以太环网拓扑结构图，按照系统功能特点大体可以分为现场设备管理层、系统运行监控层和地面监控管理层。其中现场设备管理层主要由人员定位分站、参考节点、移动节点和局部光纤子环网等几部分组成，移动节点通过接受参考节点的无线传输信号，不断计算自己的位置信息，通过多级跳方式将信息传输到定位分站，定位分站通过RS - 485总线将定位信息传输到系统运行监控层的工业光纤冗余环网内，进而通过CAN现场总线传输到地面监控管理层的数据服务器内。地面管理层的数据服务器、定位终端、打印机、AP等通过遵循TCP/IP协议的Intranet以太局域网进行连接。上级网络通过路由器防火墙连接到Web服务器，进而通过浏览器实现系统监控数据及人员定位信息的查询。

3.1  现场人员定位设备

  如上所述，人员定位设备对人员定位信息不进行运算显示处理，直接通过工业光纤环网将其传输到地面监控管理层内的数据服务器内参与运算，功能相对简单，下面主要对人员定位分站、参考节点和移动节点进行分析说明。

  1)人员定位分站：为矿井人员定位系统的基本定位单元中心，具有定位数据采集、存储、显示及信息通讯等功能，该产品利用802.11n无线网络技术对井下移动或静止目标进行非接触式数据信息采集。

  2)参考节点集成在人员定位分站的无线信号发射终端之上由井下矿用电源直接供电，在系统定位过程中通过提供自己的x、y、z空间地理坐标信息参与定位运算，参考节点无线信号收发模块选用E34 - TTL - 100芯片，工作电压2.3~5.5 V，支持802.11n无线网络标准的2. 4Chz传输频率，无线传输距离最高可达2 100 m，其硬件实物如图4(a)所示。

  3)移动节点，主要实现对井下移动或静止目标的实时地理位置运算，它能够在无线传输信号的一跳范围内通过2. 4Ghz频率的无线网络与参考节点相连，并收集参考节点的x，y，z地理信息坐标与RSSI值，同时，结合单位距离传播损耗A和信号衰落指数n，不断计算其位置坐标信息。节点无线信号收发模块采用NRF24L01作为主芯片，集成了SchockBurst TM模式控制器、功率放大器和频率发生器，可实现2 Mbps的无线数据信号传输，其硬件实物如图4(b)所示。

3.2  系统运行监控设备

 系统运行监控层主要由工业光纤冗余环网组成，采用TC P/IP协议技术作为系统信息传输的技术标准，为了实现环网的冗余和自愈性特点，本文采用环形和星形的网络拓扑设计结构，其中环网主干网络选用1 000 M的环形布局，子网选用100 M的星形结构布局，并通过赫斯曼工业级环网交换机实现环网间的聚合技术和耦合技术。

3.3  地面监控管理平台

 地面监控管理平台主要由服务器、终端、工业电视、绘图仪、UPS电源、AP和上级网络等几部分组成，并通过两台赫斯曼交换机实现与井下光纤冗余环网的互联互通。系统工作过程中，数据服务器将通过环网接收到的局部定位信息数据包，通过信息处理及运算转化为矿井全局位置坐标信息。定位终端或上级网络可通过In-tranet工业以太网实时查询工作人员的位置坐标信息及井下交换机、分站、传感器等工作状态，提高了矿井数字信息化管理水平。

4  实验测试及效果检验

4.1  实验测试

在矿井实验测试环境中（如图5所示），进行定位系统的实验测试，测试系统由1个移动节点、5个参考节点、1个定位分站、数据服务器和定位终端组成（数据服务器及定位终端为1台IBM X3650 M4服务器，其操作系统为Windows Server 2008，SQL Server 2008 R2数据库，Intel Xeon E5 - 2650 2.OGHZ处理器、8GB内存，4块300GB硬盘），定位终端通过超五类屏蔽双绞线与定位分站相连。

 矿井巷道断面为半圆拱型测试环境，平均温度为13.1℃，相对湿度为83% RH，绝对压强为867.5 hPa，巷道宽度为5.3 m，高为3.9 m。以巷道的左下角入口为原点建立坐标系如图5(a)所示，5个参考节点均匀分布在巷道内，其坐标分别为：(0，5.2，1.8)、(8.5，0.1，1.8)、(21.0,6.0,3.7)、(33.0,0.1,1.8)、( 29.5,20.8,1.8)，移动节点在测试环境中不断的移动。

4.2  实验结果分析

在系统定位实验测试过程中，根据测试环境的具体情况，测定1m信号实际损耗值为46，信号传播路径衰减指数n为3. 94，然后将加权因子k从0.8—1.2变化，对各个选定测样点进行位置定位测试，具体定位效果如表4所示。

表1中的平均误差定义为：

 式中：E表示平均误差，m表示测试点数量，E。．为测试点误差。根据表l中实验结果可以得出，系统定位精度随着加权因子k的变化而不断改变，当k取1.1时，平均定位误差最小为1. 15 m，与矿上现阶段使用的KJ69J型矿用人员定位管理系统相比，定位精度由4m以内提高为2m以内，系统数据传输速率由1 200 bit/s提高到了2 Mbp/s，单位监控分站有效接收半径由400m提高到了1 000 m以上，显著的降低了矿用人员定位系统使用成本。

5  结论

 针对现阶段矿井人员定位精度低、成本高、可靠性差等缺点，提出并实现了一种基于802.11n无线传感器网络的全局人员定位技术，改进并设计了一种基于加权质心因子的人员定位算法，提高了系统定位精度。最后，以楼道测试环境为例对加权因子k对定位精度的影响进行了对比测试，实验结果表明，在根据实验环境确定A =46，n=3.94的情况下，当k=1.1时，测试位置误差最小，平均误差仅为1. 15 m，较好的满足了井下工作人员的定位需求。