引 言

建設(shè)可靠的礦井定位系統(tǒng)，提高對人員和機(jī)車的動(dòng)態(tài)跟 蹤管理，增強(qiáng)事故應(yīng)急快速反應(yīng)能力，對保障煤礦安全生產(chǎn) 具有重要意義，相關(guān)要求已被列入國家《煤礦井下安全避險(xiǎn)“六 大系統(tǒng)”建設(shè)完善基本規(guī)范》。為構(gòu)建適用于煤礦井下的無線 定位系統(tǒng)，文獻(xiàn) [1] 提出了一種基于鄰近信號強(qiáng)度（NSSS）指 紋匹配和動(dòng)態(tài)三邊測量（DTN）算法的精確測距定位方法， 并通過仿真表明其在 10 m 以內(nèi)的范圍具有高精度實(shí)時(shí)定位能 力；文獻(xiàn) [2] 提出了一種基于 ToF 的測距定位算法，并通過實(shí) 驗(yàn)測試表明其在 10 ～ 100 m 的范圍內(nèi)具有精度高達(dá) ±2 m 的 定位能力。四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院會(huì)同四川維誠信息技術(shù)有限 公司、深圳哲揚(yáng)科技有限公司，在充分吸收上述研究成果的 基礎(chǔ)上，提出了基于 ZigBee 和工業(yè)以太網(wǎng)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方 案，通過 RSSI/TOF（Received Signal Strength Indicator/Time of Flight）融合測距和雙基站協(xié)同定位算法實(shí)現(xiàn)了在較遠(yuǎn)距離 范圍內(nèi)的高精度實(shí)時(shí)定位。

1 系統(tǒng)組成

綜合考慮煤礦井下作業(yè)環(huán)境和要求，本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括 ：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，即能分區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測井下人員和機(jī)車的精確分布情況，并在井下巷道圖上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示行蹤 ；（2）查找人員及機(jī)車當(dāng)前位置功能，即輸入任意人員或機(jī)車的編號，可立即以圖形方式顯示其當(dāng)前精確位置。按此功能，將本系統(tǒng)分為井上和井下兩部分，系統(tǒng)組成如圖 1 所示[3]。其中，井上部分包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、定位服務(wù)器、定位展示機(jī) ；井下部分包括定位分站（基站）、地標(biāo)定位儀、人員標(biāo)識(shí)卡、機(jī)車定位儀。定位分站用于獲取人員和機(jī)車標(biāo)識(shí)位置信號，并將隨同綜合分站的編號發(fā)送給井上處理器。地標(biāo)定位儀可以自助接收標(biāo)識(shí)卡信息，它以無線信道與鄰近基站建立固定的通訊鏈路，轉(zhuǎn)發(fā)各種數(shù)據(jù)信息建立雙向通信聯(lián)絡(luò)，承載 著位置信息發(fā)布和無線自組網(wǎng)雙重任務(wù)，其中位置信息發(fā)布為 精確定位算法模型提供了地理信息標(biāo)桿修正機(jī)制，有效提高了 定位的精度指標(biāo)。無線自組網(wǎng)方式為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的部署及優(yōu)化提 供最大的便利。人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀具有唯一的標(biāo)識(shí)號 碼，用于標(biāo)識(shí)人員和機(jī)車身份。

系統(tǒng)部署時(shí)，定位分站以每 300 ～ 500 m 一臺(tái)的密度安裝在井下巷道里，以環(huán)形或鏈型方式構(gòu)成骨干傳輸網(wǎng)；地標(biāo)定位儀隨骨干傳輸網(wǎng)線路布設(shè)，彼此間隔 10 ～25 m，并在上位機(jī)軟件中預(yù)置每臺(tái)定位分站、每個(gè)地標(biāo)定位儀的分布位置； 人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀配置在人員和機(jī)車上。定位分站與地標(biāo)定位儀之間采用RS 485 串行通訊，綜合通信分站、地標(biāo)定位儀與人員標(biāo)識(shí)卡，機(jī)車定位儀之間采用ZigBee 通訊。在ZigBee 傳輸網(wǎng)絡(luò)中，定位分站是全功能的協(xié)調(diào)器，人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀是簡易功能的終端，地標(biāo)定位儀既可以做協(xié)調(diào)器，也可以做終端。

定位分站、地標(biāo)定位儀、人員標(biāo)識(shí)卡、機(jī)車定位儀之間的通信過程如圖 2 所示[3]。其中，人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀分工作和睡眠兩個(gè)工作周期并交替轉(zhuǎn)換，睡眠狀態(tài)下既不接收也不發(fā)送信息，工作期間不間斷或周期性廣播自身信息并偵聽和接收定位分站信息。定位分站一般處于接收狀態(tài)，收到人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀的信息后應(yīng)答，并通過光纖將信息發(fā)送到上位機(jī) ；如果人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀上傳有報(bào)警信息，分站會(huì)將報(bào)警信息加入到應(yīng)答信息中。地標(biāo)定位儀和定位分站一般處于接收狀態(tài)，在收到人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀信息后應(yīng)答 ；與定位分站不同的是，在接收到信息后，通過無線方式轉(zhuǎn)發(fā)給定位分站。

2 部件設(shè)計(jì)

2.1 定位分站設(shè)計(jì)

 定位分站是系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，用于組建井下工業(yè)以 太網(wǎng)傳輸平臺(tái)及定位，采用純本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，兼具井下通信、 讀卡、傳輸?shù)裙δ?。圖 3 所示為定位分站的結(jié)構(gòu)框圖，集成 有電源模塊、無線通信模塊、ZigBee 定位模塊和天線合路器 及天線、光電轉(zhuǎn)換器及光纖接口等 [4]。

2.2 地標(biāo)定位儀設(shè)計(jì) 

地標(biāo)定位儀的電路組成如圖 4 所示。它以 Atmega1280 低功耗 MCU 為主控芯片，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、傳輸功能。 精確定位射頻主控芯片采用 nanotron 公司的 NA5TR1，該芯 片內(nèi)置射頻發(fā)送模塊和基于飛行時(shí)間的 TOF 測距算法。射頻 放大電路采用高增益 2.4 G 射頻放大芯片 uPG2250T5N。擴(kuò)展 接口部分外接 RS 485 轉(zhuǎn)接板，把 TTL 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的 RS 485 數(shù)據(jù)，并檢測本安電源 AC 是否斷電 ；RS 485 部分使用 LTM2881IY 實(shí)現(xiàn)，本安電源 AC 檢測功能通過主控芯片 IO 口 檢測由本安電源輸出的 AC 狀態(tài)腳來實(shí)現(xiàn)。

2.3 機(jī)車定位儀和人員標(biāo)識(shí)卡設(shè)計(jì)

機(jī)車定位儀和人員標(biāo)識(shí)卡設(shè)計(jì)的硬件組成如圖 5 所示， 包括電源模塊、ZigBee 射頻電路、天線模塊、聲光指示模塊。其中，機(jī)車定位儀由12 ～24 V 電源供電，人員標(biāo)識(shí)卡由鋰電池供電 ；聲光指示模塊用于告警和顯示報(bào)文數(shù)據(jù) [4]。

3 定位算法 

ZigBee 定位算法分距離無關(guān)定位算法和基于距離的定位 算法。其中，前者主要有APIT算法、質(zhì)心算法、DV-HOP（Distance Vector-Hop）算法等，定位對硬件要求較低，但精度較差 ；后 者包括 TDOA（基于到達(dá)時(shí)間差）算法、AOA（基于到達(dá)角度） 算法、TOF（基于信號飛行時(shí)間時(shí)間）算法、RSSI（基于信號 接收強(qiáng)度）算法等，它們定位精度高，但對硬件要求較高 [5]。 本文在 ZigBee 感知及傳輸層采用 RSSI/TOF 算法，利用未知 節(jié)點(diǎn)和定位分站的幾何關(guān)系，根據(jù)最大似然估計(jì)法求得節(jié)點(diǎn)距 離，并根據(jù)雙基站協(xié)同判別節(jié)點(diǎn)方位 ；在上層軟件中，通過 對定位數(shù)據(jù)的預(yù)處理，運(yùn)用標(biāo)量化拓?fù)錅y距判別模型與巷道 空間坐標(biāo)對應(yīng)的真實(shí)位置進(jìn)行計(jì)算和顯示。 

3.1 RSSI/TOF 測距及雙基站協(xié)同定位原理 

實(shí)現(xiàn)對機(jī)車和人員的定位主要有兩層要求，一是要測量 出機(jī)車和人員與地標(biāo)定位儀之間的距離，二是要定位其準(zhǔn)確的 坐標(biāo)。由于煤礦井下巷道呈狹長分布，只要能測量出機(jī)車和人 員與指定地標(biāo)定位儀的距離并判斷出左右方位，即可實(shí)現(xiàn)較為 準(zhǔn)確的定位。 

3.1.1 RSSI 測距原理 

RSSI 測距是接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號強(qiáng)度和發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號 發(fā)射強(qiáng)度，利用信道傳輸損耗模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離的 一種測距方法。在 IEEE802.15.4 協(xié)議下，簡化的信道模型可 用式（1）描述 [6] ：

式中，n 為傳播指數(shù)，PL0 為 d=1 m 時(shí)接收信號的強(qiáng)度。 

由式（2）可知，信號的衰減與傳輸距離 d 成對數(shù) 關(guān)系。d 越小，RSSI 偏差所產(chǎn)生的距離絕對誤差越??； 當(dāng) d 大于某一閾值時(shí)，RSSI 值的波動(dòng)造成距離的絕對 誤差明顯增大。在煤礦井下環(huán)境實(shí)際測試時(shí)，該閾值在 8 ～ 10 m。由于地標(biāo)定位儀的布設(shè)間距為 10 ～ 25 m，使用 RSSI 法測距可能引起明顯誤差。要減小誤差，一是在成本允 許的條件下盡量增大地標(biāo)定位儀的布設(shè)密度，二是利用 TOF 等算法輔助測距。 

3.1.2 TOF 測距原理 

TOF 測距是通過測量無線信號在節(jié)點(diǎn)間的傳送時(shí)間來換 算距離，其測距過程如圖 6 所示。節(jié)點(diǎn) A（定位分站）測量 從發(fā)出數(shù)據(jù)包到節(jié)點(diǎn) B（標(biāo)識(shí)卡）確認(rèn)時(shí)間記為 TRound,A,B 節(jié)點(diǎn) 測量從收到 A節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包到 B 節(jié)點(diǎn)回應(yīng)確認(rèn)消息的時(shí)間記為 TReplay,B，數(shù)據(jù)包在飛行中經(jīng)歷的往返時(shí)間記為 TRound,AB，則數(shù) 據(jù)包在空中飛行時(shí)間 Tprop 可按式（3）計(jì)算 [2] ：

3.1.3 RSSI/TOF 融合測距實(shí)現(xiàn)方法 

經(jīng)實(shí)地測試，RSSI 在標(biāo)識(shí)卡距定位分站距離較近時(shí)測 距誤差較小，而 TOF 在距離較遠(yuǎn)時(shí)測距誤差較小。因此， RSSI/TOF 融合測距的方法是通過實(shí)驗(yàn)測定一個(gè) RSSI 的合理 閾值，當(dāng) RSSI 值大于設(shè)定閾值并呈逐漸增大趨勢時(shí)，說明標(biāo) 識(shí)卡在靠近定位分站，應(yīng)采用 RSSI 測距 ；反之，當(dāng) RSSI 值 小于設(shè)定閾值并呈逐漸減小趨勢時(shí)，說明標(biāo)識(shí)卡在遠(yuǎn)離定位 分站，應(yīng)采用 TOF 測距 [6]。 

3.1.4 目標(biāo)標(biāo)識(shí)卡方位判別方法 

由于測距只能獲得標(biāo)識(shí)卡與定位分站之間的距離，不能 確定標(biāo)識(shí)卡在定位分站左右的位置，因此宜采用雙定位分站 協(xié)同定位。以圖 7 所示三種情況為例，設(shè)定位分站 1 與定位分 站 2 的布設(shè)距離為 250 m，并設(shè)定位分站 1 測得它與標(biāo)識(shí)卡的 距離為 d1、定位分站 2 測得它與標(biāo)識(shí)卡的距離為 d2。標(biāo)識(shí)卡 位置分布判斷方法如下：當(dāng) d1>250 m>d2，說明標(biāo)識(shí)卡在定位 分站 2 的右側(cè)，如（a）所示 ；當(dāng) d1<250 m<d2，說明標(biāo)識(shí)卡在 定位分站 1 的左側(cè)，如（b）所示 ；當(dāng) d1<250 m、d2<250 m，說 明標(biāo)識(shí)卡在定位分站 1、2 之間，如（c）所示。

布設(shè)定位分站時(shí)，兩個(gè)定位分站天線的間距應(yīng)大于精確 定位的測量精度，且在兩個(gè)定位分站之間存在盲區(qū)的情況下， 應(yīng)增加定位分站密度來消除盲區(qū)。對于井下巷道的精確定位， 兩兩配對的定位分站用作基本拓?fù)鋯卧瓿蓽y距和方位判別。 一個(gè)完整的井下巷道精確定位系統(tǒng)一般需要幾十甚至上百個(gè)定 位分站方可完成信號覆蓋，實(shí)現(xiàn)全局或重點(diǎn)區(qū)域局部連續(xù)的 精確定位。

3.2 上層應(yīng)用軟件對定位數(shù)據(jù)的處理與展現(xiàn) 

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理 ：對井下的環(huán)境，TOF 定位算法可能產(chǎn) 生折射、繞射等情況，所以對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除失真、 錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用歷史數(shù)據(jù)，考慮人員、機(jī)車行走速度 等限制，引入濾波、限幅的處理方法，使定位數(shù)據(jù)接近真實(shí)值， 確保定位精度達(dá)到要求。 

（2）拓?fù)潢P(guān)系 ：定義每個(gè)地標(biāo)定位儀是定位網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?節(jié)點(diǎn)，采用節(jié)點(diǎn)間連通性屬性描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并建立?jié)點(diǎn)相鄰 關(guān)系表信息。根據(jù)節(jié)點(diǎn)相鄰關(guān)系表，能夠獲取到定位分站的 配對關(guān)系和數(shù)量，完成對目標(biāo)標(biāo)識(shí)卡距離和方位的判別。 

（3）位置展示 ：位置展示一般采用標(biāo)量化拓?fù)錅y距判別 模型，它需要做的就是將標(biāo)識(shí)卡對應(yīng)的距離和方位信息傳遞 給矢量化幾何地理匹配計(jì)算模型，進(jìn)行與巷道空間坐標(biāo)對應(yīng) 的真實(shí)位置計(jì)算和顯示。標(biāo)量化拓?fù)錅y距判別模型中的網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)涿枋鲂畔⒖梢杂卸喾N原始輸入方式。工程上最簡單的做法， 可以從基站之間的間隔距離定義關(guān)系中自動(dòng)轉(zhuǎn)換獲得，從而使 應(yīng)用系統(tǒng)具有智能學(xué)習(xí)的能力，降低工程部署的技術(shù)條件和 要求。

 4 結(jié) 語

針對礦井人員和機(jī)車精確定位需求，利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、 定位服務(wù)器、定位展示機(jī)、定位分站（基站）、地標(biāo)定位儀、 人員標(biāo)識(shí)卡、機(jī)車定位儀等構(gòu)建了一套基于 ZigBee 和工業(yè)以 太網(wǎng)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用 RSSI/TOF 算法實(shí)現(xiàn)測距， 利用雙定位分站協(xié)同完成目標(biāo)標(biāo)識(shí)卡方位判斷，從而實(shí)現(xiàn)在較 遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)對人員和機(jī)車的高精度實(shí)時(shí)定位。目前，該方案 已在深圳哲揚(yáng)、四川維誠、四川信息等企業(yè)和高校協(xié)同開發(fā)的 礦井定位系統(tǒng)中形成產(chǎn)品，并已獲得了大量應(yīng)用。