卢宇帅

(广东工程职业技术学院，广东 广州510520)

基于改进加权质心算法的煤矿井下人员定位系统设计

卢宇帅

(广东工程职业技术学院，广东 广州510520)

针对目前大多井下监控系统无法实时准确提供井下人员动态分布与作业情况以及传统定位算法的定位精度低等问题，结合井下施工的具体要求，设计出一种基于改进加权质心算法的人员定位系统。对整个系统的软硬件设计进行了详细说明，同时针对普通质心算法及传统加权质心算法的缺点设计了改进加权质心算法，运用该算法来求解位置点的坐标，通过实验对比分析，证明了该算法在很大程度上提升了定位精度。

井下人员定位；无线传感器网络；加权质心算法；定位技术

面对煤矿突发事故，井上监控中心能否及时有效的提供井下作业人员的数量、人员的分布情况以及巷道损毁程度等的有效信息，将决定能否及时有效地制定科学的救援方案，最大程度的保证人员生命安全，并最大程度减少财产损失。所以，研究并开发有效的井下定位系统，不仅仅是响应国家的生态文明建设的号召，更是我国矿业领域实现工业信息化、管理现代化所必须的。高瓦斯、稀氧气、高潮湿等复杂多变的环境因素直接影响了无线通讯的质量，而要想实现对井下人员实时准确的监控又需要获得实时准确的数据信息，这些都是传统的无线传感网络所无法实现的，这就对矿用无线传感技术的理论研究提出了新的挑战。

1 系统总体设计

基于ZigBee 设计的井下人员定位系统的主要结构包括协调器、路由器以及终端设备，另外也可将它们分别叫做网关节点、参考节点以及定位节点其功能分别如下所示。

1)协调器(网关节点)。起控制和协调的作用，它决定着无线网络能否正常组建。

2)路由器(参考节)。起中转的作用，另外也可发挥协调器的一些功能。

3)终端设备(定位节点)。它是集成了特定功能的传感器节点，既可以作FFD设备也可以做精简功能设备(RFD)。

定位系统结构框图见图1。

2 系统硬件设计

运用芯片CC2530F64作为模块核心，该芯片能够供给各样的外部设备很多I/O引脚接口，这也就使得其能设计研发高级应用程序以满足不同用户需求；其还具备有完善的5通道DMA功能以及在理论前提下的ADC能够实现7～12位的分辨率，与此同时还具有温度传感器通道、自动完成定期采样或切换通道以及2个USART来实现各种串行通信协议等功能。CC2530F64芯片具备多个工作方式以及完善的通信协议，这也使得其能够在恶劣工作环境下保持很低的能耗。

2.1 网关设计

网关是ZigBee网络中的协调器及全无线网络信息的中枢。ZigBee协议技术规范内给出网络主要包含网关节点、参考节点及定位节点三种类别的设备，其中网关电路设计结构见图2。

图1 井下人员定位系统结构图

图2 网关结构框图

CC2530无线模块设计：网关的主要包含无线接发数据与发起并建立网络等功用。由CC2530F64芯片控制以及运用较少构件建立最小的开发系统，其主要包括射频输入/输出、时钟以及接口等电路，其系统电路见图3。

3 软件设计

硬件是定位系统完成工作的重要前提条件，软件是每个设备相互联通构成无线网络完成定位功能的重要保障。

3.1 网关设计

网关是定位系统里最重要的一环，其主要工作是：①完成收发监控主机下达给各节点的任务信息；②采集结点反馈信息并转述至主机。其工作流程见图4。

3.2 参考节点设计

选用井下矿灯用锂电池为参考节点供电，其位置坐标固定，在ZigBee网络内的主要功能是将信号强度以及自身坐标置于数据包并输送至待定位节点，待定位结点要凭借参考节点为前提加入网络。参考节点安置在在巷道壁及其分岔点、直井等地方，其工作流程见图5。

3.3 定位节点设计

定位节点通常情况由井下工作人员随身佩戴，在ZigBee网络通讯能够覆盖的区间内实现参考节点信息强度以及坐标位置，随之根据输入参数运用定位算法运算出位置坐标，并将该信息经过网关传输至监控主机，其工作流程见图6。

3.4 改进的加权质心定位算法设计

假定N个参考节点B1(x1，y1)，B2(x2，y2)，…，BN(xN，yN)，定位节点M(x，y)采集到每个参考节点的信号强度分别是S1，S2，…，SN。

1)普通的质心算法见式(1)。

(1)

根据普通的质心算法公式能够得出，该算法只是单纯的利用坐标进行定位估计，一旦三个已知节点所接收的信号强度值不一样，并且各节点所接收的信号强度值的误差比较大时，那么其定位精度是很低的。

2)传统的加权质心算法见式(2)。

(2)

式中，Wi表示定位机电与参考节点间的距离的函数。

对于无线网络，接收信号强度受环境的干扰可能会产生极大的偏差。当定位节点进行位置计算时如果仅考虑定位节点到某个参考节点的接收信号强度值而不进行修正，那么会使得算法的误差较大。

3)改进的加权质心算法设计。规定Rji是定位节点M于参考节点Bj、Bi采集获得的信号强度的比值，其表达式见式(3)。权值计算见式(4)。最终运算获得改进的加权质心算法公式，见式(5)。算法流程见表1。

(3)

图3 CC2530F64系统电路图

图4 网关工作流程图

图5 参考节点工作流程

图6 定位节点工作流程图

(4)

(5)

4 实验结果及分析

运用Matlab模拟一个4.2 m×200 m代表井下主巷道宽、长的大区域覆盖的ZigBee网络，并且任意安置参考及定位节点，分别设定参考节点通讯半径以及未确知目标数目分别是100 m、100个，实验中，所有的数据点都取100次实验测量结果的平均值。该实验假定了信号损耗的路径衰减因子分别是n=2.2以及n=4.8两种场景，分别实现改进的加权质心、普通质心以及传统的加权质心这三种算法的对比分析，其实验结果见图7。

根据图7可知，改进的加权质心算法定位精度在很大程度上均提升了很多。根据图7(a)能够看出随着参考节点数目的改变，改进的加权质心算法的精度较普通质心及传统的加权质心算法分别提升了56.23%～76.21%、8.79%～15.11%；根据图7(b)能够看出随着参考节点数目的改变，改进的加权质心算法的精度较普通质心及传统的加权质心算法分别提升了48.98%～51.89%、10.97%～13.46%。

改进的加权质心算法提高了定位结果的准确性，使得井上监控中心能够准确掌握井下人员位置、工作状态等信息，为提升井下作业人员科学管理和生产安全提供保障，不仅具有学术研究价值，也具有重要的经济价值和深远的社会意义。

表1 算法流程

图7 定位误差

5 结 论

本文以ZigBee网络为基础对煤矿井下人员定位系统进行了整体设计以及该系统的软硬件设计，与此同时还设计了改进的加权质心定位算法，并通过实验证明了该算法的准确性，其信号损耗的路径衰减因子无论是n=2.2，还是n=4.8，该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

卢宇帅(1985-)，山西神池人，讲师，研究方向为控制工程。

TD76

A

1004-4051(2017)02-0169-05