張航， 孫效玉， 田鳳亮

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

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基于iBeacon技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)

張航， 孫效玉， 田鳳亮

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

為了更好地解決礦山井下人員設(shè)備定位問題，深入分析了iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)的定位原理和算法，提出了基于iBeacon技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)、信標(biāo)布設(shè)、移動(dòng)App開發(fā)。應(yīng)用iBeacon技術(shù)進(jìn)行井下人員設(shè)備定位，具有定位精度高、部署方便、導(dǎo)航快捷等優(yōu)勢。

iBeacon室內(nèi)定位； 人員定位； 設(shè)備定位; 信標(biāo)； 移動(dòng)終端

0 引言

目前，國內(nèi)的煤礦和非煤礦山都建立了安全生產(chǎn)“六大系統(tǒng)”。其中的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)一直是業(yè)界研究關(guān)注的焦點(diǎn)，出色的定位解決方案能極大地保證井下作業(yè)人員的安全，同時(shí)提升煤礦調(diào)度管理水平和礦山運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

關(guān)于井下人員的定位問題，現(xiàn)階段已形成了基于WiFi[1]、ZigBee[1]、WSN和RFID[2-4]等技術(shù)的多種解決方案。雖然已經(jīng)有基于上述技術(shù)的成套解決方案出現(xiàn)，但或多或少都存在一些局限性?；赪iFi和ZigBee技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)需要較為復(fù)雜的硬件環(huán)境和較高的布設(shè)成本，而基于WSN和RFID的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)在定位精度和系統(tǒng)可靠性方面較為薄弱。

iBeacon是一項(xiàng)新興的室內(nèi)定位技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)由布設(shè)在空間范圍內(nèi)的iBeacon信標(biāo)和便于人員攜帶的移動(dòng)終端2個(gè)部分組成。整套室內(nèi)定位系統(tǒng)無需額外布設(shè)服務(wù)器，只需要預(yù)先將標(biāo)志符和位置信息等數(shù)據(jù)寫入iBeacon信標(biāo)和移動(dòng)終端配套的App中即可。

iBeacon技術(shù)具有追蹤實(shí)時(shí)性好、定位精度高、運(yùn)行功耗小、傳輸距離遠(yuǎn)、信標(biāo)可循環(huán)利用等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)尚未有應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行井下人員設(shè)備定位的先例。本文提出了基于iBeacon技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，探討了系統(tǒng)架構(gòu)、信標(biāo)布設(shè)、移動(dòng)App開發(fā)等問題。

1 iBeacon室內(nèi)定位系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

iBeacon室內(nèi)定位系統(tǒng)由iBeacon信標(biāo)和移動(dòng)終端2個(gè)部分組成，如圖1所示。信標(biāo)和移動(dòng)終端之間采用藍(lán)牙4.0通信協(xié)議。

圖1 iBeacon室內(nèi)定位系統(tǒng)組成

單個(gè)iBeacon信標(biāo)尺寸小，由獨(dú)立的鈕扣電池供電，布設(shè)十分方便。移動(dòng)終端基于iOS 7.0以上或者Android 4.0以上系統(tǒng)，并需要配套的應(yīng)用軟件以實(shí)現(xiàn)用戶交互。

1.2 定位原理

iBeacon室內(nèi)定位系統(tǒng)的工作原理：人員隨身攜帶的移動(dòng)終端捕捉來自于布設(shè)在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的iBeacon信標(biāo)發(fā)送的位置信息，并過濾出最強(qiáng)的3個(gè)信號。移動(dòng)終端首先解算這些預(yù)先編碼的位置信息，確定出人員的大致位置，再參照RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信號強(qiáng)度指示)測距算法[5-8]和三環(huán)定位算法進(jìn)一步確定出人員的精確位置。從捕捉信號到確定最終位置的詳細(xì)流程如圖2所示。

圖2 iBeacon室內(nèi)定位系統(tǒng)定位流程

每個(gè)iBeacon信標(biāo)中的預(yù)存信息[9]由UUID標(biāo)志符、Major特征值和Minor特征值組成,見表1。

定位過程中，iBeacon信標(biāo)不斷將自己所包含的UUID及Major和Minor特征值廣播出去。用戶接收端在判斷為對應(yīng)的UUID后，接收并解析數(shù)據(jù)。

表1 iBeacon信標(biāo)信息組成

1.3 定位算法

人員與信標(biāo)之間的距離依據(jù)信標(biāo)與移動(dòng)終端之間的RSSI數(shù)值變化判定。iBeacon終端通過識別RSSI的變化,將自己與信標(biāo)之間的距離判別為4種狀態(tài)[9]，見表2。狀態(tài)判斷完成之后，移動(dòng)終端會(huì)利用集成的三環(huán)定位算法計(jì)算出更精確的位置關(guān)系。

表2 iBeacon定位終端與信標(biāo)間距判斷

在三環(huán)定位算法[10-11]中，iBeacon移動(dòng)終端會(huì)選取當(dāng)前范圍內(nèi)平均值最強(qiáng)的3個(gè)信號值作為參考。假設(shè)3個(gè)信標(biāo)分別為i1(x1,y1)，i2(x2,y2)，i3(x3,y3)，目標(biāo)終端I的位置為(x0,y0)。目標(biāo)終端I距離3個(gè)固定信標(biāo)的直線距離Rn(n=1,2,3)可以通過RSSI測距得出。由于存在誤差，I與信標(biāo)之間的實(shí)際距離應(yīng)該位于(Rn-t,Rn+t)包圍的圓弧中。三環(huán)定位算法如圖3所示，目標(biāo)位置應(yīng)該處于3個(gè)圓弧所重疊的陰影區(qū)域，而陰影區(qū)域的質(zhì)心即為I的實(shí)際坐標(biāo)位置。

目標(biāo)終端I(x0,y0)可由式(1)確定：

(1)

圖3 三環(huán)定位算法

2 井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

基于iBeacon技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)主要由固定在巷道壁上的信標(biāo)和人員隨身攜帶的移動(dòng)終端2個(gè)部分組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于iBeacon技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 信標(biāo)布設(shè)

在信標(biāo)布設(shè)前，每一個(gè)信標(biāo)都需要預(yù)先寫入編碼好的礦區(qū)信息。本設(shè)計(jì)方案中，同一個(gè)井田中的所有iBeacon信標(biāo)采用相同的UUID標(biāo)志符。Major特征值用于區(qū)分不同的階段水平，Minor特征值用于區(qū)分同一階段中的不同巷道。不同階段水平中的每一條巷道都有與之相對應(yīng)的信標(biāo)位置信息。信標(biāo)編碼信息見表3。

信標(biāo)布設(shè)需要根據(jù)其單個(gè)信標(biāo)的覆蓋范圍和巷道的特點(diǎn)決定。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，信標(biāo)布設(shè)間隔在15 m以內(nèi)[11-12]能保證較好的精度。

為了保證移動(dòng)終端在任意位置同時(shí)能接收到來自至少3個(gè)信標(biāo)的位置信息，在巷道兩幫間隔10 m左右交替布置信標(biāo)。復(fù)雜地段和水量較大的地段需要適當(dāng)增加信標(biāo)密度以保證定位精度。信標(biāo)布設(shè)示意和某礦實(shí)際信標(biāo)布設(shè)如圖5和圖6所示。

表3 信標(biāo)編碼信息

圖5 iBeacon信標(biāo)布設(shè)

圖6 某礦-320水平信標(biāo)布設(shè)

iBeacon信標(biāo)具有獨(dú)立區(qū)域布設(shè)特性，實(shí)際操作過程中，可以僅對炸藥庫、水泵房、掘進(jìn)巷道等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行布設(shè),從而降低系統(tǒng)應(yīng)用成本。

2.3 移動(dòng)終端

移動(dòng)終端采用兼容藍(lán)牙4.0功能的iOS或者Android系統(tǒng)硬件設(shè)備,需要針對不同的系統(tǒng)開發(fā)出相應(yīng)的App。App的主要功能包括：實(shí)時(shí)顯示人員地理位置信息，到達(dá)特定位置的路徑導(dǎo)航及觸發(fā)基于地理位置的廣播預(yù)警功能。移動(dòng)終端操作界面如圖7所示。

(1) 實(shí)時(shí)追蹤。當(dāng)人員攜帶移動(dòng)終端走動(dòng)時(shí)，移動(dòng)終端會(huì)實(shí)時(shí)解算捕捉到的信標(biāo)數(shù)據(jù)，顯示在礦區(qū)電子地圖界面。另外，配合移動(dòng)終端集成的陀螺儀和協(xié)處理器可以實(shí)時(shí)追蹤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

(2) 路線導(dǎo)航。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)類似于地面使用的車載GPS系統(tǒng)的導(dǎo)航功能，可以根據(jù)設(shè)定的位置采用相關(guān)算法計(jì)算并顯示出最優(yōu)路徑，能方便井下人員到達(dá)特定區(qū)域，方便安全撤離和避免井下迷路。

圖7 移動(dòng)終端操作界面

(3) 廣播預(yù)警。iBeacon信標(biāo)本身不能推送信息，但是能觸發(fā)提前集成在App中的通知信息。當(dāng)人員到達(dá)不同區(qū)域時(shí)，移動(dòng)終端會(huì)推送相應(yīng)的文字或語音提示?；诘乩砦恢玫膹V播功能在方便人員作業(yè)的同時(shí)，還能提供危險(xiǎn)預(yù)警，避免井下人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

2.4 精度表示及影響因素

RSSI數(shù)值會(huì)根據(jù)信標(biāo)和移動(dòng)終端的距離變化而變化。當(dāng)信標(biāo)和移動(dòng)終端近距離移動(dòng)時(shí)，RSSI數(shù)值會(huì)成比例減少或增加。而當(dāng)兩者距離較遠(yuǎn)時(shí)，RSSI數(shù)值會(huì)出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。

iBeacon移動(dòng)終端會(huì)根據(jù)信號強(qiáng)度的變化將定位精度圖像化，并實(shí)時(shí)顯示在終端界面上，供作業(yè)人員參考。參考精度共分為3級：優(yōu)、良好和較差。

要確保基于iBeacon技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)的精度，就必須保證良好的信號強(qiáng)度。信號強(qiáng)度會(huì)隨著信標(biāo)和移動(dòng)終端之間的距離變化而變化。另外，基于藍(lán)牙4.0的iBeacon信標(biāo)發(fā)射的信號強(qiáng)度也會(huì)受到來自固體障礙物、環(huán)境濕度和溫度，甚至人體自身的影響。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢分析

基于iBeacon技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的人員定位系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：

(1) 施工簡便。藍(lán)牙信標(biāo)體積小，使用鈕扣電池供電，施工簡單，只需要簡易地固定在巷道兩壁或頂板即可。相比于傳統(tǒng)方案，不需要搭建基站和部署專用電纜。

(2) 定位精度高。iBeacon井下定位系統(tǒng)能保證定位精度在1.5～2.5 m以內(nèi)，較傳統(tǒng)方案3～5 m不等的精度有明顯的提升，更好地滿足了井下人員設(shè)備定位需求。

(3) 強(qiáng)大的拓展功能。iBeacon技術(shù)有相應(yīng)的SDK開發(fā)套件，通過調(diào)用相應(yīng)的API接口，可實(shí)現(xiàn)豐富的拓展功能。

iBeacon井下定位系統(tǒng)在實(shí)時(shí)追蹤人員位置的同時(shí)，還能基于地理位置推送廣播消息，方便井下特殊環(huán)境的預(yù)警,還可以實(shí)現(xiàn)井下導(dǎo)航功能，指引作業(yè)人員到達(dá)特定區(qū)域。

(4) 功耗低,安全性高。iBeacon信標(biāo)使用的藍(lán)牙4.0低功耗技術(shù)，通常情況下，一枚鈕扣電池足以保證系統(tǒng)正常工作2～3 a時(shí)間，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)水平。通信傳輸采用AES-128加密技術(shù)，保證信息傳輸安全。

(5) 信標(biāo)價(jià)格低,可循環(huán)利用。單枚iBeacon信標(biāo)的售價(jià)在幾元到幾十元不等，成本較低。信標(biāo)通過特殊處理后還能抵抗惡劣環(huán)境。信標(biāo)的信息可以重復(fù)寫入，并且可以隨著礦床的回采逐步回收并用于新礦床的開采中，從而大大降低了成本。

(6) 信號干擾小。 相比于傳統(tǒng)基于WiFi的室內(nèi)定位技術(shù)而言，iBeacon信標(biāo)傳輸周期占空比小，相互之間的干擾會(huì)小很多。經(jīng)研究測試，置于同一狹小空間內(nèi)的百余枚信標(biāo)均能同時(shí)正常工作，而傳統(tǒng)技術(shù)的通信信道容易相互干擾,導(dǎo)致信號損失大。

4 結(jié)語

基于iBeacon技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地向井下作業(yè)人員反饋?zhàn)约旱奈恢眯畔?通過移動(dòng)終端還能實(shí)現(xiàn)井下導(dǎo)航及預(yù)警信息廣播功能，解決了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)功能簡單、準(zhǔn)確度差、布置不方便等問題，對于提升礦山的安全技術(shù)水平和綜合效益有一定幫助。

目前，該套系統(tǒng)可能會(huì)受制于移動(dòng)終端的價(jià)格和礦業(yè)形勢不景氣的影響，先期只能在部分復(fù)雜、高危等重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)用。

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Underground personnel and equipment location system based on iBeacon technology

ZHANG Hang， SUN Xiaoyu， TIAN Fengliang

(School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

In order to solve the positioning problem of underground personnel and equipment, positioning principles and algorithms of iBeacon indoor positioning technology were deeply analyzed, and a design scheme of underground personnel and equipment location system based on iBeacon technology was put forward. At the same time, the system architecture, beacon layout, mobile App development were introduced. Applying iBeacon technology to underground personnel and equipment positioning has advantages of high positioning precision, easy deployment and quick navigation.

iBeacon indoor positioning; personnel positioning; equipment positioning; beacon; mobile terminal

1671-251X(2016)11-0009-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.003

張航，孫效玉，田鳳亮.基于iBeacon技術(shù)的井下人員設(shè)備定位系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(11)：9-13.

2016-04-26；

2016-07-29；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAB15B01)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71321001/01)。

張航(1992-)，男，四川巴中人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字礦山技術(shù)，E-mail:huhuhang@gmail.com。

TD655

A

時(shí)間：2016-10-28 16:23

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1623.005.html