基于无线传感网络的井下定位系统设计与实现

胡建宏

（武威职业学院，甘肃　武威　７３３０００）

针对传统定位系统井下定位精度低的问题，设计了一种基于无线传感网络的井下定位系统。系统硬件利用无摘 要：

线传感网络，优化了传感器与控制器；系统软件在ＩＡＲ　ＥＷ８０５１环境内开发，利用质心定位算法，实现井下人员位置的精准获取。通过实验分析的方式，确定基于无线传感网络定位系统的有效性，进行井下定位工作时，具备较高的定位精度。

无线传感网络；井下定位；系统实现；定位修正关键词：

Ｇ６４２　　Ａ　　１００２－５０６５（２０１９）０３－０２７９－２中图分类号：文献标识码：文章编号：

Design and implementation of UNDERGROUND POSITIONING SYSTEM BASED

ON WIRELESS SENSOR NETWORK

HU󰀁Jian-hong

（ＷｕＷｅｉ　Ｏｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｗｕｗｅｉ，　Ｇａｎｓｕ，７３３０００）

Abstract:　Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，　ａ　ｎｅｗ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．　Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＩＡＲ　ＥＷ８０５１　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｒｏｉｄ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｃｉｓｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ．　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｂａｓｅｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，　ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｈｉｇｈｅｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．

Keywords: Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ；　Ｄｏｗｎｈｏｌｅ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ；　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ

随着矿产资源应用范围的不断扩大，我国对矿产资源生产安全的重视程度也逐渐提升，由于矿井内部环境复杂，且

[1]

采矿过程中存在大量的安全隐患，因此对井下人员进行准确的定位具有重要的现实意义。现阶段，我国对井下人员的定位多采用遗传定位系统，虽能完成常规的定位活动，但定位精度不高，且常出现定位偏差等问题，为此，本文提出并设计了一种基于无线传感网络的井下定位系统。所谓无线传感网络，就是一种分布式数据通信网络，它的末梢是可以感知和检测外部数据环境的，并通过无线通信的方式，与系统终端进行直接交流，以随时更改系统的定位设置。最后在IAR EW8051环境内进行系统的开发与实现，验证了本文系统的可行性，实验结果表明，基于无线传感网络的定位系统较传统定位系统的井下定位精度高27.1%，具备极高的有效性。

打开刀闸开关，对CPU进行I/O转换，使被占用的检测模块立

即停止运行，对定位数据进行重新获取。若系统CPU处于空闲状态，控制器便对定位信息进行重新判断，判断过程将定位数据进行输入或输出，实现灵活、准确的定位控制。控制器内部引入8051单片机芯片，同时配置8GB内存的随机存储器与868MHz的工作频段，实现控制器内部引脚与外部引脚间的随机选择，进而为系统的软件运行提供较为强大的控制载体。

2 井下定位系统软件设计

系统软件在IAR EW8051环境下开发，由于井下环境恶劣，因此用调试器验证了该系统的可行性，同时引入C+语言对系统的运行代码进行编写，以保证系统的稳态运行。

对无线网络定位信号的强度值进行接收并记录，将接收到的信号按照强度由高到低的顺序进行排列，将所有定位信号控制在一个接收矩阵内，以降低无线通信过程中的信号损耗。定位信息的控制计算如下： （1）

式中，F代表定位信息的控制矩阵；G1、G2分别代表接收与发射天线的增益结果；λ代表无线传感器传输过程中出现的通信波长；P代表线路总功率；l代表通信过程中的信号损耗。

通过对定位信息矩阵的确定，将传输过程的损耗值换算为欧式距离，再将质心算法引入井下人员位置的获取过程，得出井下人员的定位节点坐标：

（2）

1 井下定位系统硬件设计

（1）无线传感器。传感器的优化设计主要利用无线传感

网络技术，对系统网关功能进行发起的同时，组建通信网络，并利用系统的最小外围器件构建传感器的射频输入与输出电路。射频电路接口采用CC2530F64芯片为主要控制载体，能够同时接收多个定位信息，并对系统的封装尺寸、引脚等规格进行有效调整，实现井下定位信息的快速通信过程。接收天线选择PCB天线，当系统下发定位指令后，PCB天线会立即将定位指令传输至各个功能模块[2]，结合无线传感网络，该优化设计的传感器能够全方位辐射每个方向上的传输信号，将定位指令进行准确传输。（2）I/O控制器。I/O控制器负责定位线上的所有引脚，当系统CPU检测模块的其他控制单元被占用时，控制器便自动

２０１９－０１收稿日期：

胡建宏，生于１９７４年，男，汉族，甘肃武威人，本科，武威职作者简介：

业学院教授，研究方向：计算机科学，创新创业教育。

其中，Rx、Ry、Rz代表井下作业人员的空间坐标，Rx代

表横坐标，Ry代表纵坐标；Rz代表高度坐标；d代表井下作业人员的实际位置；d0代表定位过程中的参考位置；L代

2019年 2月上 世界有色金属279

表定位信息传输过程中的欧氏距离计算系数，此次计算不做定向分析。

经过上述定义，将基于无线传感网络的井下定位系统在IAR EW8051环境下进行开发，将定位节点接收到的各个参考值进行权值对比后，若对比结果的偏差范围在10以内，则实现对井下作业人员的精准定位，完成基于无线传感网络的井下定位系统的设计过程。

3 实验

实验在Matlat平台内模拟井下巷道环境，巷道长60m，宽1.9m，高4m。同时，将无线传感网络设置在巷道两侧，其间隔设置15m，引用4个参考节点对实验结果进行校正，利用本文系统对井下巷道人员的位置信息进行定位测试，以验证本文系统的可行性。为了保证实验的严谨性，采用传统定位系统作为参照，在改变作业人员位置、井深的条件下，对两系统的井下定位精度进行统计与分析。其实验结果如表1所示。

表1  井下定位精度对比结果

定位条件井深2m井深4m巷道全段巷道中段巷道末段

传统系统本文系统

有效定位率/%失误率/%有效定位率/%失误率/%

83.15.898.70.867.27.199.60663.199.20.989.33.998.90.1754.599.10.3

分析表1数据可知，在相同的定位条件下，本文系统的

有效定位率均不低于95%；而传统系统的有效定位率均低于90%，因此在井下人员的有效定位方面，本文系统具有明显的优势。

同时，本文系统的定位失误率也很低，较传统系统的定位失误率平均低3.5%，计算可知，本文系统的井下定位精度比传统系统的井下定位精度高27.1%。

因此可以得出结论，本文设计的基于无线传感网络的井下定位系统具备可行性和有效性，能够同时兼顾井下人员定位与位置信息传输的统一，最终的井下定位效果较为理想。

4 结语

本文利用无线传感网络技术，设计了一种井下定位系统，经实验验证，确定本文系统的有效性。但在本次研究中，还存在一系列的不足，例如实验环境的模拟、系统硬件的优化设计等，希望在下次的研究中能够将理论结合实际，进一步增强实验结果的说明性，以为我国井下定位系统的研究与发展提供基础。

[1]󰀡万彪.基于无线传感器网络的矿井人员定位系统设计[J].煤炭技

术,2017,36(11):276-278.

[2]󰀡林浩申,何兵.卫星观测空间目标无源定位系统设计[J].计算机仿

真,2017,34(05):168-171.

（上接278页）铜镍矿区的矿化体为多条带状分布的异常带组合而成。C2异常分布在测区的中南部，总体走向330°左右，控制长度大于240m，南东延伸异常未封闭，宽度大于200m，4 结论该异常实际与C1为同一条异常带。实测最高ηs数值达到新疆鄯善县恰特卡尔铜镍矿区，通过地质、物探等综合3.8%，该激电异常与正磁异常M2分布位置对应，为矿异常研究发现，铜镍矿体与基性超基性辉长岩关系密切。前期构特征，解译C2异常由含硫化铁辉长岩引起，下一步钻探工造是基本控矿因素，后期基性超基性辉长岩侵入，热液使矿作应作为重点。C3异常位于测区的中东部，规模较小，总体质发生一定的迁移富集，使本区矿体得以形成。因此，基性走向300°，走向基本连续，控制长度大于320m，异常宽度超基性辉长岩侵入是本次勘查重要的找矿标志。10m~50m，ηs极大值为4.8%。C3与磁异常M4对应，由（1）通过综合物探工作，发现了有价值的C1于M4磁异常强度较低，解译C3异常由蚀变的凝灰岩引起，（M1+M3）、C2（M2）组合异常，并解译该组合异常由含硫必要时可进行相应的槽探工作。化铁辉长岩引起。结合地表的矿化蚀变现象，预测该异常由

铜镍矿化体引起，建议对其进行相应的槽探或钻探工作，验证异常性质。

（2）通过地表槽探揭露和深部钻探工程的验证，在勘查区西南部C1（M1+M3）、C2（M2）组合异常位置发现一条镍矿化构造带。该构造带宽20m~40m，控制长度约1000m，走向近东西，倾向180°~200°，倾角50°~70°。在镍矿化构造带中共圈定出4条镍矿体。

实践证明，综合物探方法在本次铜镍矿勘查中，取得了

图1󰀁󰀁恰特卡尔铜镍矿区激电异常分布图良好的勘探效果。（3）激电测深工作成果。激电测深完成一条剖面，主要确定C1(M1+M3)异常的深部高磁高极化体的倾向变化。

[1]󰀡曹积飞，李红阳，李英杰，等.综合物探方法在内蒙灰山铜镍矿找矿中

断面显示：浅部0m~40m，ηs异常值较低，说明浅部矿的应用研究[J].西北地质，2011,44(1):77-84.化较弱。当勘探深度大于50m时，ηs逐渐增大，断面显示[2]󰀡袁桂琴，李飞，郑红闪，等.深部金属矿勘查中常用物探方法与应用效两处规模较大的ηs异常，两处异常均南倾。当供电极距果[J].物探化探计算技术，2010,32(5):495-499.AB=600m时，ηs异常未封闭，最高值达到9.8%，解译深[3]󰀡刘国辉，孙士辉，徐晶，等.综合物探方法在内蒙东部某多金属矿勘查部硫化物矿化较好。根据断面激电异常特征，解译恰特卡尔中的应用[J].工程地球物理学报，2016,(08):55-56.

280世界有色金属 2019年 2月上