盧宇帥

(廣東工程職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州510520)

基于改進加權(quán)質(zhì)心算法的煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計

盧宇帥

(廣東工程職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州510520)

針對目前大多井下監(jiān)控系統(tǒng)無法實時準確提供井下人員動態(tài)分布與作業(yè)情況以及傳統(tǒng)定位算法的定位精度低等問題，結(jié)合井下施工的具體要求，設(shè)計出一種基于改進加權(quán)質(zhì)心算法的人員定位系統(tǒng)。對整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進行了詳細說明，同時針對普通質(zhì)心算法及傳統(tǒng)加權(quán)質(zhì)心算法的缺點設(shè)計了改進加權(quán)質(zhì)心算法，運用該算法來求解位置點的坐標，通過實驗對比分析，證明了該算法在很大程度上提升了定位精度。

井下人員定位；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；加權(quán)質(zhì)心算法；定位技術(shù)

面對煤礦突發(fā)事故，井上監(jiān)控中心能否及時有效的提供井下作業(yè)人員的數(shù)量、人員的分布情況以及巷道損毀程度等的有效信息，將決定能否及時有效地制定科學的救援方案，最大程度的保證人員生命安全，并最大程度減少財產(chǎn)損失。所以，研究并開發(fā)有效的井下定位系統(tǒng)，不僅僅是響應(yīng)國家的生態(tài)文明建設(shè)的號召，更是我國礦業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)信息化、管理現(xiàn)代化所必須的。高瓦斯、稀氧氣、高潮濕等復雜多變的環(huán)境因素直接影響了無線通訊的質(zhì)量，而要想實現(xiàn)對井下人員實時準確的監(jiān)控又需要獲得實時準確的數(shù)據(jù)信息，這些都是傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)所無法實現(xiàn)的，這就對礦用無線傳感技術(shù)的理論研究提出了新的挑戰(zhàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于ZigBee 設(shè)計的井下人員定位系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備，另外也可將它們分別叫做網(wǎng)關(guān)節(jié)點、參考節(jié)點以及定位節(jié)點其功能分別如下所示。

1)協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān)節(jié)點)。起控制和協(xié)調(diào)的作用，它決定著無線網(wǎng)絡(luò)能否正常組建。

2)路由器(參考節(jié))。起中轉(zhuǎn)的作用，另外也可發(fā)揮協(xié)調(diào)器的一些功能。

3)終端設(shè)備(定位節(jié)點)。它是集成了特定功能的傳感器節(jié)點，既可以作FFD設(shè)備也可以做精簡功能設(shè)備(RFD)。

定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

運用芯片CC2530F64作為模塊核心，該芯片能夠供給各樣的外部設(shè)備很多I/O引腳接口，這也就使得其能設(shè)計研發(fā)高級應(yīng)用程序以滿足不同用戶需求；其還具備有完善的5通道DMA功能以及在理論前提下的ADC能夠?qū)崿F(xiàn)7～12位的分辨率，與此同時還具有溫度傳感器通道、自動完成定期采樣或切換通道以及2個USART來實現(xiàn)各種串行通信協(xié)議等功能。CC2530F64芯片具備多個工作方式以及完善的通信協(xié)議，這也使得其能夠在惡劣工作環(huán)境下保持很低的能耗。

2.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器及全無線網(wǎng)絡(luò)信息的中樞。ZigBee協(xié)議技術(shù)規(guī)范內(nèi)給出網(wǎng)絡(luò)主要包含網(wǎng)關(guān)節(jié)點、參考節(jié)點及定位節(jié)點三種類別的設(shè)備，其中網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 井下人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

CC2530無線模塊設(shè)計：網(wǎng)關(guān)的主要包含無線接發(fā)數(shù)據(jù)與發(fā)起并建立網(wǎng)絡(luò)等功用。由CC2530F64芯片控制以及運用較少構(gòu)件建立最小的開發(fā)系統(tǒng)，其主要包括射頻輸入/輸出、時鐘以及接口等電路，其系統(tǒng)電路見圖3。

3 軟件設(shè)計

硬件是定位系統(tǒng)完成工作的重要前提條件，軟件是每個設(shè)備相互聯(lián)通構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)完成定位功能的重要保障。

3.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是定位系統(tǒng)里最重要的一環(huán)，其主要工作是：①完成收發(fā)監(jiān)控主機下達給各節(jié)點的任務(wù)信息；②采集結(jié)點反饋信息并轉(zhuǎn)述至主機。其工作流程見圖4。

3.2 參考節(jié)點設(shè)計

選用井下礦燈用鋰電池為參考節(jié)點供電，其位置坐標固定，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主要功能是將信號強度以及自身坐標置于數(shù)據(jù)包并輸送至待定位節(jié)點，待定位結(jié)點要憑借參考節(jié)點為前提加入網(wǎng)絡(luò)。參考節(jié)點安置在在巷道壁及其分岔點、直井等地方，其工作流程見圖5。

3.3 定位節(jié)點設(shè)計

定位節(jié)點通常情況由井下工作人員隨身佩戴，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊能夠覆蓋的區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)參考節(jié)點信息強度以及坐標位置，隨之根據(jù)輸入?yún)?shù)運用定位算法運算出位置坐標，并將該信息經(jīng)過網(wǎng)關(guān)傳輸至監(jiān)控主機，其工作流程見圖6。

3.4 改進的加權(quán)質(zhì)心定位算法設(shè)計

假定N個參考節(jié)點B1(x1，y1)，B2(x2，y2)，…，BN(xN，yN)，定位節(jié)點M(x，y)采集到每個參考節(jié)點的信號強度分別是S1，S2，…，SN。

1)普通的質(zhì)心算法見式(1)。

(1)

根據(jù)普通的質(zhì)心算法公式能夠得出，該算法只是單純的利用坐標進行定位估計，一旦三個已知節(jié)點所接收的信號強度值不一樣，并且各節(jié)點所接收的信號強度值的誤差比較大時，那么其定位精度是很低的。

2)傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心算法見式(2)。

(2)

式中，Wi表示定位機電與參考節(jié)點間的距離的函數(shù)。

對于無線網(wǎng)絡(luò)，接收信號強度受環(huán)境的干擾可能會產(chǎn)生極大的偏差。當定位節(jié)點進行位置計算時如果僅考慮定位節(jié)點到某個參考節(jié)點的接收信號強度值而不進行修正，那么會使得算法的誤差較大。

3)改進的加權(quán)質(zhì)心算法設(shè)計。規(guī)定Rji是定位節(jié)點M于參考節(jié)點Bj、Bi采集獲得的信號強度的比值，其表達式見式(3)。權(quán)值計算見式(4)。最終運算獲得改進的加權(quán)質(zhì)心算法公式，見式(5)。算法流程見表1。

(3)

圖3 CC2530F64系統(tǒng)電路圖

圖4 網(wǎng)關(guān)工作流程圖

圖5 參考節(jié)點工作流程

圖6 定位節(jié)點工作流程圖

(4)

(5)

4 實驗結(jié)果及分析

運用Matlab模擬一個4.2 m×200 m代表井下主巷道寬、長的大區(qū)域覆蓋的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且任意安置參考及定位節(jié)點，分別設(shè)定參考節(jié)點通訊半徑以及未確知目標數(shù)目分別是100 m、100個，實驗中，所有的數(shù)據(jù)點都取100次實驗測量結(jié)果的平均值。該實驗假定了信號損耗的路徑衰減因子分別是n=2.2以及n=4.8兩種場景，分別實現(xiàn)改進的加權(quán)質(zhì)心、普通質(zhì)心以及傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心這三種算法的對比分析，其實驗結(jié)果見圖7。

根據(jù)圖7可知，改進的加權(quán)質(zhì)心算法定位精度在很大程度上均提升了很多。根據(jù)圖7(a)能夠看出隨著參考節(jié)點數(shù)目的改變，改進的加權(quán)質(zhì)心算法的精度較普通質(zhì)心及傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心算法分別提升了56.23%～76.21%、8.79%～15.11%；根據(jù)圖7(b)能夠看出隨著參考節(jié)點數(shù)目的改變，改進的加權(quán)質(zhì)心算法的精度較普通質(zhì)心及傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心算法分別提升了48.98%～51.89%、10.97%～13.46%。

改進的加權(quán)質(zhì)心算法提高了定位結(jié)果的準確性，使得井上監(jiān)控中心能夠準確掌握井下人員位置、工作狀態(tài)等信息，為提升井下作業(yè)人員科學管理和生產(chǎn)安全提供保障，不僅具有學術(shù)研究價值，也具有重要的經(jīng)濟價值和深遠的社會意義。

表1 算法流程

圖7 定位誤差

5 結(jié) 論

本文以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)對煤礦井下人員定位系統(tǒng)進行了整體設(shè)計以及該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，與此同時還設(shè)計了改進的加權(quán)質(zhì)心定位算法，并通過實驗證明了該算法的準確性，其信號損耗的路徑衰減因子無論是n=2.2，還是n=4.8，該算法的定位精度在很大程度上都得到了提升。

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Design of coal mine personnel positioning system based on the weighted centroid algorithm

LU Yushuai

(Guangdong Institute of Engineering Technology，Guangzhou 510520，China)

For most of the current underground monitoring system can not provide accurate real-time downhole dynamic distribution of personnel and operations as well as the traditional location algorithm positioning accuracy and low，combined with the specific requirements of underground construction，design personnel positioning system based on improved weighted centroid algorithm.Software and hardware design of the system is described in detail，but for the shortcomings common centroid algorithm and the traditional weighted centroid algorithm is designed to improve the weighted centroid algorithm，using this algorithm to solve the coordinates of the location of the point，the experiment comparative analysis proved that the algorithm in large part to enhance the positioning accuracy.

underground personnel positioning；wireless sensor networks；the weighted centroid algorithm；positioning technology

2016-08-08

盧宇帥(1985-)，山西神池人，講師，研究方向為控制工程。

TD76

A

1004-4051(2017)02-0169-05