引 言

建設可靠的礦井定位系統(tǒng)，提高對人員和機車的動態(tài)跟 蹤管理，增強事故應急快速反應能力，對保障煤礦安全生產(chǎn) 具有重要意義，相關要求已被列入國家《煤礦井下安全避險“六 大系統(tǒng)”建設完善基本規(guī)范》。為構建適用于煤礦井下的無線 定位系統(tǒng)，文獻 [1] 提出了一種基于鄰近信號強度（NSSS）指 紋匹配和動態(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時定位能 力；文獻 [2] 提出了一種基于 ToF 的測距定位算法，并通過實 驗測試表明其在 10 ～ 100 m 的范圍內(nèi)具有精度高達 ±2 m 的 定位能力。四川信息職業(yè)技術學院會同四川維誠信息技術有限 公司、深圳哲揚科技有限公司，在充分吸收上述研究成果的 基礎上，提出了基于 ZigBee 和工業(yè)以太網(wǎng)的定位系統(tǒng)設計方 案，通過 RSSI/TOF（Received Signal Strength Indicator/Time of Flight）融合測距和雙基站協(xié)同定位算法實現(xiàn)了在較遠距離 范圍內(nèi)的高精度實時定位。

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)所要實現(xiàn)的主要功能包括 ：（1）實時監(jiān)測功能，即能分區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測井下人員和機車的精確分布情況，并在井下巷道圖上實時動態(tài)地顯示行蹤 ；（2）查找人員及機車當前位置功能，即輸入任意人員或機車的編號，可立即以圖形方式顯示其當前精確位置。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)絡交換機、定位服務器、定位展示機 ；井下部分包括定位分站（基站）、地標定位儀、人員標識卡、機車定位儀。定位分站用于獲取人員和機車標識位置信號，并將隨同綜合分站的編號發(fā)送給井上處理器。地標定位儀可以自助接收標識卡信息，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，承載 著位置信息發(fā)布和無線自組網(wǎng)雙重任務，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桿修正機制，有效提高了 定位的精度指標。無線自組網(wǎng)方式為整個網(wǎng)絡的部署及優(yōu)化提 供最大的便利。人員標識卡和機車定位儀具有唯一的標識號 碼，用于標識人員和機車身份。

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

定位分站、地標定位儀、人員標識卡、機車定位儀之間的通信過程如圖 2 所示[3]。其中，人員標識卡和機車定位儀分工作和睡眠兩個工作周期并交替轉(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)，收到人員標識卡和機車定位儀的信息后應答，并通過光纖將信息發(fā)送到上位機 ；如果人員標識卡和機車定位儀上傳有報警信息，分站會將報警信息加入到應答信息中。地標定位儀和定位分站一般處于接收狀態(tài)，在收到人員標識卡和機車定位儀信息后應答 ；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 部件設計

2.1 定位分站設計

 定位分站是系統(tǒng)的核心設備之一，用于組建井下工業(yè)以 太網(wǎng)傳輸平臺及定位，采用純本質(zhì)安全型設計，兼具井下通信、 讀卡、傳輸?shù)裙δ堋D 3 所示為定位分站的結構框圖，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 地標定位儀設計 

地標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、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。擴展 接口部分外接 RS 485 轉(zhuǎn)接板，把 TTL 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準的 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)腳來實現(xiàn)。

2.3 機車定位儀和人員標識卡設計

機車定位儀和人員標識卡設計的硬件組成如圖 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，機車定位儀由12 ～24 V 電源供電，人員標識卡由鋰電池供電 ；聲光指示模塊用于告警和顯示報文數(shù)據(jù) [4]。

3 定位算法 

ZigBee 定位算法分距離無關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（基于到達時間差）算法、AOA（基于到達角度） 算法、TOF（基于信號飛行時間時間）算法、RSSI（基于信號 接收強度）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)點和定位分站的幾何關系，根據(jù)最大似然估計法求得節(jié)點距 離，并根據(jù)雙基站協(xié)同判別節(jié)點方位 ；在上層軟件中，通過 對定位數(shù)據(jù)的預處理，運用標量化拓撲測距判別模型與巷道 空間坐標對應的真實位置進行計算和顯示。 

3.1 RSSI/TOF 測距及雙基站協(xié)同定位原理 

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

3.1.1 RSSI 測距原理 

RSSI 測距是接收節(jié)點根據(jù)接收信號強度和發(fā)射節(jié)點信號 發(fā)射強度，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 時接收信號的強度。 

由式（2）可知，信號的衰減與傳輸距離 d 成對數(shù) 關系。d 越小，RSSI 偏差所產(chǎn)生的距離絕對誤差越??； 當 d 大于某一閾值時，RSSI 值的波動造成距離的絕對 誤差明顯增大。在煤礦井下環(huán)境實際測試時，該閾值在 8 ～ 10 m。由于地標定位儀的布設間距為 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定位儀的布設密度，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)點間的傳送時間來換 算距離，其測距過程如圖 6 所示。節(jié)點 A（定位分站）測量 從發(fā)出數(shù)據(jù)包到節(jié)點 B（標識卡）確認時間記為 TRound,A,B 節(jié)點 測量從收到 A節(jié)點數(shù)據(jù)包到 B 節(jié)點回應確認消息的時間記為 TReplay,B，數(shù)據(jù)包在飛行中經(jīng)歷的往返時間記為 TRound,AB，則數(shù) 據(jù)包在空中飛行時間 Tprop 可按式（3）計算 [2] ：

3.1.3 RSSI/TOF 融合測距實現(xiàn)方法 

經(jīng)實地測試，RSSI 在標識卡距定位分站距離較近時測 距誤差較小，而 TOF 在距離較遠時測距誤差較小。因此， RSSI/TOF 融合測距的方法是通過實驗測定一個 RSSI 的合理 閾值，當 RSSI 值大于設定閾值并呈逐漸增大趨勢時，說明標 識卡在靠近定位分站，應采用 RSSI 測距 ；反之，當 RSSI 值 小于設定閾值并呈逐漸減小趨勢時，說明標識卡在遠離定位 分站，應采用 TOF 測距 [6]。 

3.1.4 目標標識卡方位判別方法 

由于測距只能獲得標識卡與定位分站之間的距離，不能 確定標識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，設定位分站 1 與定位分 站 2 的布設距離為 250 m，并設定位分站 1 測得它與標識卡的 距離為 d1、定位分站 2 測得它與標識卡的距離為 d2。標識卡 位置分布判斷方法如下：當 d1>250 m>d2，說明標識卡在定位 分站 2 的右側(cè)，如（a）所示 ；當 d1<250 m<d2，說明標識卡在 定位分站 1 的左側(cè)，如（b）所示 ；當 d1<250 m、d2<250 m，說 明標識卡在定位分站 1、2 之間，如（c）所示。

布設定位分站時，兩個定位分站天線的間距應大于精確 定位的測量精度，且在兩個定位分站之間存在盲區(qū)的情況下， 應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撲單元完成測距和方位判別。 一個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定 位分站方可完成信號覆蓋，實現(xiàn)全局或重點區(qū)域局部連續(xù)的 精確定位。

3.2 上層應用軟件對定位數(shù)據(jù)的處理與展現(xiàn) 

（1）數(shù)據(jù)預處理 ：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)進行預處理，剔除失真、 錯誤的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用歷史數(shù)據(jù)，考慮人員、機車行走速度 等限制，引入濾波、限幅的處理方法，使定位數(shù)據(jù)接近真實值， 確保定位精度達到要求。 

（2）拓撲關系 ：定義每個地標定位儀是定位網(wǎng)絡的拓撲 節(jié)點，采用節(jié)點間連通性屬性描述網(wǎng)絡拓撲，并建立節(jié)點相鄰 關系表信息。根據(jù)節(jié)點相鄰關系表，能夠獲取到定位分站的 配對關系和數(shù)量，完成對目標標識卡距離和方位的判別。 

（3）位置展示 ：位置展示一般采用標量化拓撲測距判別 模型，它需要做的就是將標識卡對應的距離和方位信息傳遞 給矢量化幾何地理匹配計算模型，進行與巷道空間坐標對應 的真實位置計算和顯示。標量化拓撲測距判別模型中的網(wǎng)絡 拓撲描述信息可以有多種原始輸入方式。工程上最簡單的做法， 可以從基站之間的間隔距離定義關系中自動轉(zhuǎn)換獲得，從而使 應用系統(tǒng)具有智能學習的能力，降低工程部署的技術條件和 要求。

 4 結 語

針對礦井人員和機車精確定位需求，利用網(wǎng)絡交換機、 定位服務器、定位展示機、定位分站（基站）、地標定位儀、 人員標識卡、機車定位儀等構建了一套基于 ZigBee 和工業(yè)以 太網(wǎng)的定位系統(tǒng)設計方案，利用 RSSI/TOF 算法實現(xiàn)測距， 利用雙定位分站協(xié)同完成目標標識卡方位判斷，從而實現(xiàn)在較 遠距離范圍內(nèi)對人員和機車的高精度實時定位。目前，該方案 已在深圳哲揚、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，并已獲得了大量應用。