金純 肖玲娜 陳峰 王曉
摘 要 本文主要介紹了綜合應(yīng)用藍(lán)牙、紅外、GIS等技術(shù)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的整體方案、核心功能，詳細(xì)介紹了藍(lán)牙、紅外技術(shù)進(jìn)行井下定位的工作原理，給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
關(guān)鍵詞 藍(lán)牙 定位 煤礦安全
煤炭行業(yè)是一個(gè)特殊的行業(yè)，瓦斯、礦塵、火災(zāi)、水災(zāi)、頂壓等各種安全隱患嚴(yán)重威脅著礦井作業(yè)工人的人身安全。為了從根本上解決煤礦安全問題，需要依靠科技進(jìn)步手段提高煤礦整體安全技術(shù)裝備與管理水平。其中，在礦井中建立煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，對礦井工作人員進(jìn)行定位，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)督管理是解決煤礦安全問題的一個(gè)重要方面。
礦井信息與空間位置信息有著密切的關(guān)系，本文介紹的系統(tǒng)就是建立在GIS平臺上的專業(yè)煤礦監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合藍(lán)牙的定位技術(shù)，能夠把煤礦日常生產(chǎn)中的各種不同類型和格式的數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的圖形數(shù)據(jù)結(jié)合起來，使整個(gè)礦井的信息更加形象具體地展現(xiàn)出來。
1 藍(lán)牙技術(shù)簡介
藍(lán)牙是一項(xiàng)適用于小范圍的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙的原理是將信息和語音信號在ISM頻段上傳輸。每一種藍(lán)牙設(shè)備都帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地址，可以支持點(diǎn)到點(diǎn)和一點(diǎn)到多點(diǎn)的低功耗通信（藍(lán)牙的基本組成是皮網(wǎng)，Piconet），發(fā)射距離為10m（增強(qiáng)功率情況下可以到100m）。藍(lán)牙通信技術(shù)不僅可以高達(dá)1Mbit/s的傳輸率，并且支持身份驗(yàn)證和資料加密，其所采用的跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，每秒1600跳，有效降低了電磁波干擾和資料被截獲的可能性。在近距離通信中，藍(lán)牙（Bluetooth）無線接入技術(shù)使無線單元間的通信變得十分容易，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)更緊密地結(jié)合在一起，人們可隨時(shí)隨地進(jìn)行信息的交換與傳輸。其系統(tǒng)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
2 系統(tǒng)定位原理
在二維空間中，知道了1個(gè)點(diǎn)到3個(gè)已知參考點(diǎn)的距離，就可以確定該點(diǎn)的坐標(biāo)。假設(shè)3個(gè)參考點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），待確定位置節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是（xi，yi），該節(jié)點(diǎn)到3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離分別是λ1，λ2，λ3，根據(jù)二維空間距離計(jì)算公式，可以獲得一個(gè)非線性方程組，采用線性化方法來求解，可以得到待定位置節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（xi，yi）。在節(jié)點(diǎn)定位算法中，按照上述方程求解，就可以得到待定位置節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，從而達(dá)到定位的目的。
本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)中，定位算法主要是基于信號強(qiáng)度測距法RSSI（Received Signal Strength Indicator），在已知發(fā)射功率的情況下，在接收點(diǎn)測量接收功率，通過測量接收到的信號強(qiáng)度可以推算出井下移動物體到藍(lán)牙基站的距離，計(jì)算傳播損耗，使用理論和經(jīng)驗(yàn)的信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。得到移動終端與藍(lán)牙基站之間的大概距離后，采用三邊測距法計(jì)算出移動終端的位置。三邊計(jì)算的理論依據(jù)是，在三維空間中，知道了一個(gè)DTE設(shè)備到三個(gè)BS的距離來確定該點(diǎn)的坐標(biāo)。三邊測距法在二維平面上用幾何圖形表示出來的意義是：當(dāng)?shù)玫轿粗?jié)點(diǎn)到一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，就可以確定此未知節(jié)點(diǎn)在以此錨節(jié)點(diǎn)為圓心、以距離為半徑的圓上；得到未知節(jié)點(diǎn)到3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，3個(gè)圓的交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置。如圖1所示。
3 系統(tǒng)介紹
3.1 系統(tǒng)組成
煤礦井下人員定位系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)軟硬件、信息采集處理、藍(lán)牙、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊、GIS等技術(shù)多學(xué)科綜合應(yīng)用為一體的定位信息技術(shù)，該系統(tǒng)是通過對坑道遠(yuǎn)距離移動目標(biāo)進(jìn)行非接觸式信息采集處理，實(shí)現(xiàn)對人、物在不同狀態(tài)（移動、靜止）下的定位從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動化管理。
系統(tǒng)分為地面監(jiān)測和井下藍(lán)牙定位監(jiān)測兩部分。地面監(jiān)測部分由Web地圖應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集處理服務(wù)器、局域網(wǎng)瀏覽器客戶端、遠(yuǎn)程瀏覽器客戶端、專業(yè)客戶端和系統(tǒng)外用戶等部分組成，如圖2所示。其中地圖應(yīng)用服務(wù)器完成WebGIS網(wǎng)站應(yīng)用功能，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器完成基礎(chǔ)圖形與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及數(shù)據(jù)存儲處理等，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集服務(wù)器完成對煤礦監(jiān)測系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)采集與通訊，各煤礦的上報(bào)數(shù)據(jù)首先經(jīng)過數(shù)據(jù)采集服務(wù)器預(yù)先處理，然后供網(wǎng)站服務(wù)器共享使用，局域網(wǎng)瀏覽器客戶端指縣局域網(wǎng)用戶，遠(yuǎn)程瀏覽器客戶端可為鎮(zhèn)政府主管部門等其他允許訪問本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程用戶，礦監(jiān)測系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)監(jiān)測并將監(jiān)測數(shù)據(jù)和其他上報(bào)數(shù)據(jù)傳到局?jǐn)?shù)據(jù)采集服務(wù)器上，專業(yè)客戶端指系統(tǒng)管理員等能夠有權(quán)增刪和編輯系統(tǒng)基礎(chǔ)圖形和數(shù)據(jù)的用戶。本系統(tǒng)可經(jīng)過防火墻接入Internet網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)外用戶為一般的Internet 網(wǎng)絡(luò)用戶。井下藍(lán)牙定位監(jiān)測部分由井下分站設(shè)備、藍(lán)牙終端、紅外感應(yīng)器、藍(lán)牙基站、數(shù)傳接口組成，如圖3所示。井下分站設(shè)備由人員信息采集處理板、人員信息傳輸處理板、隔爆電源、備用電池嵌入式軟件組成。其主要功能是完成對人員識別編碼輸出信號的采集、處理、與地面計(jì)算機(jī)的雙向通訊及供電等。藍(lán)牙基站用來收集終端數(shù)據(jù)，感應(yīng)終端信號強(qiáng)弱，從而判斷出工作人員的大致位置，完成定位功能。藍(lán)牙終端與藍(lán)牙基站進(jìn)行信息傳輸。紅外感應(yīng)器用來探測人體，輔助藍(lán)牙基站進(jìn)行更準(zhǔn)確地定位。數(shù)傳接口主要由電源板、信號轉(zhuǎn)換板組成，完成通信信號的轉(zhuǎn)換和對紅外感應(yīng)器進(jìn)行編碼，使地面工作人員清楚地了解電平變化的信號是由幾號紅外感應(yīng)器發(fā)出的，從而輔助判斷井下人員的具體位置。
3.2 系統(tǒng)工作方案
系統(tǒng)遵循“統(tǒng)一裝備、統(tǒng)一管理”的原則。具體方案如下：
（1）煤礦生產(chǎn)單位在所有坑道中均安裝一定數(shù)量的藍(lán)牙基站和紅外感應(yīng)器，具體位置根據(jù)現(xiàn)場情況而定，以滿足定位為準(zhǔn)。
（2）煤礦生產(chǎn)單位向有關(guān)人員頒發(fā)無線終端設(shè)備，它可以安裝在安全帽的合適位置。
（3）發(fā)終端設(shè)備時(shí)將所對應(yīng)員工的基本信息，包括姓名、年齡、性別、所屬班組、所屬工種、職務(wù)等登錄在基于GIS的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。
�。�4）進(jìn)入坑道的人員必須佩戴裝有無線終端的安全帽。當(dāng)此人經(jīng)過坑道藍(lán)牙基站時(shí)，鄰近的基站立即檢測對比接收到的RSSI值，并通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的信息交換，將信息傳輸至井上安全監(jiān)控中心記錄，通過中心系統(tǒng)軟件可判斷出此人的大致位置，輔以紅外感應(yīng)器上傳的信息，使定位更加準(zhǔn)確，并可同時(shí)在地理信息大屏幕墻上出現(xiàn)提示信息，顯示通過人員的姓名，并且可以顯示出他的運(yùn)動軌跡。
3.3 系統(tǒng)的功能
�。�1）豐富的地圖功能。由于系統(tǒng)基于GIS技術(shù)，各個(gè)煤礦的具體狀況能夠以地圖的形式展現(xiàn)出來，并且具有放大、縮小、移動、標(biāo)尺測距、視野控制、中心移動、地圖打印等功能。
（2）實(shí)時(shí)井下人員動態(tài)顯示功能。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)查詢一個(gè)或多個(gè)人員現(xiàn)在的井下實(shí)際位置。任一時(shí)間井下某個(gè)地點(diǎn)究竟有多少人，這些人都是誰等信息，方便工作人員進(jìn)行操作。
�。�3）人員軌跡查詢。由于系統(tǒng)具有豐富的地圖功能，某個(gè)人在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)所經(jīng)歷的路徑可以在地面監(jiān)控中心的大屏幕上顯現(xiàn)出來，形成線路軌跡。
（4）豐富的人員下井考勤能力。可對出入井人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)下井人員考勤記錄，建立人員出入井的各種信息報(bào)表。
�。�5）災(zāi)后急救信息。一旦發(fā)生各類事故，地面監(jiān)控主機(jī)立即能顯示出事故地點(diǎn)的人員數(shù)量、人員信息，人員位置等信息，大大提高搶險(xiǎn)效率，減少損失。
4 結(jié)論
本文介紹的監(jiān)控系統(tǒng)安全、可靠，能在惡劣環(huán)境下24h正常工作。系統(tǒng)綜合應(yīng)用了藍(lán)牙、紅外、GIS等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤定位，可快速指導(dǎo)礦井突發(fā)性事故的救護(hù)工作，是一種先進(jìn)實(shí)用的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)，有著非常大的社會意義和市場前景。
