金純 肖玲娜 陳峰 王曉
摘 要 本文主要介紹了綜合應用藍牙、紅外、GIS等技術的煤礦安全監測系統，描述了系統的整體方案、核心功能，詳細介紹了藍牙、紅外技術進行井下定位的工作原理，給出了系統的結構框圖。
關鍵詞 藍牙 定位 煤礦安全
煤炭行業是一個特殊的行業，瓦斯、礦塵、火災、水災、頂壓等各種安全隱患嚴重威脅著礦井作業工人的人身安全。為了從根本上解決煤礦安全問題，需要依靠科技進步手段提高煤礦整體安全技術裝備與管理水平。其中，在礦井中建立煤礦安全監測監控系統，對礦井工作人員進行定位，從而實現實時監督管理是解決煤礦安全問題的一個重要方面。
礦井信息與空間位置信息有著密切的關系，本文介紹的系統就是建立在GIS平臺上的專業煤礦監測系統，同時結合藍牙的定位技術，能夠把煤礦日常生產中的各種不同類型和格式的數據與相對應的圖形數據結合起來，使整個礦井的信息更加形象具體地展現出來。
1 藍牙技術簡介
藍牙是一項適用于小范圍的無線通信標準。藍牙的原理是將信息和語音信號在ISM頻段上傳輸。每一種藍牙設備都帶有一個標準地址，可以支持點到點和一點到多點的低功耗通信（藍牙的基本組成是皮網，Piconet），發射距離為10m（增強功率情況下可以到100m）。藍牙通信技術不僅可以高達1Mbit/s的傳輸率，并且支持身份驗證和資料加密，其所采用的跳頻擴頻技術，每秒1600跳，有效降低了電磁波干擾和資料被截獲的可能性。在近距離通信中，藍牙（Bluetooth）無線接入技術使無線單元間的通信變得十分容易，將計算機技術與通信技術更緊密地結合在一起，人們可隨時隨地進行信息的交換與傳輸。其系統參數和技術指標如表1所示。
2 系統定位原理
在二維空間中，知道了1個點到3個已知參考點的距離，就可以確定該點的坐標。假設3個參考點的坐標分別為（x1，y1），（x2，y2），（x3，y3），待確定位置節點的坐標是（xi，yi），該節點到3個參考節點的距離分別是λ1，λ2，λ3，根據二維空間距離計算公式，可以獲得一個非線性方程組，采用線性化方法來求解，可以得到待定位置節點的坐標（xi，yi）。在節點定位算法中，按照上述方程求解，就可以得到待定位置節點的坐標，從而達到定位的目的。
本文介紹的監控系統中，定位算法主要是基于信號強度測距法RSSI（Received Signal Strength Indicator），在已知發射功率的情況下，在接收點測量接收功率，通過測量接收到的信號強度可以推算出井下移動物體到藍牙基站的距離，計算傳播損耗，使用理論和經驗的信號傳播模型將傳播損耗轉化為距離。得到移動終端與藍牙基站之間的大概距離后，采用三邊測距法計算出移動終端的位置。三邊計算的理論依據是，在三維空間中，知道了一個DTE設備到三個BS的距離來確定該點的坐標。三邊測距法在二維平面上用幾何圖形表示出來的意義是：當得到未知節點到一個錨節點的距離時，就可以確定此未知節點在以此錨節點為圓心、以距離為半徑的圓上；得到未知節點到3個錨節點的距離時，3個圓的交點就是未知節點的位置。如圖1所示。
3 系統介紹
3.1 系統組成
煤礦井下人員定位系統是集計算機軟硬件、信息采集處理、藍牙、網絡數據通訊、GIS等技術多學科綜合應用為一體的定位信息技術，該系統是通過對坑道遠距離移動目標進行非接觸式信息采集處理，實現對人、物在不同狀態（移動、靜止）下的定位從而實現目標的自動化管理。
系統分為地面監測和井下藍牙定位監測兩部分。地面監測部分由Web地圖應用服務器、數據庫服務器、遠程數據采集處理服務器、局域網瀏覽器客戶端、遠程瀏覽器客戶端、專業客戶端和系統外用戶等部分組成，如圖2所示。其中地圖應用服務器完成WebGIS網站應用功能，數據庫服務器完成基礎圖形與數據準備及數據存儲處理等，遠程數據采集服務器完成對煤礦監測系統間的數據采集與通訊，各煤礦的上報數據首先經過數據采集服務器預先處理，然后供網站服務器共享使用，局域網瀏覽器客戶端指縣局域網用戶，遠程瀏覽器客戶端可為鎮政府主管部門等其他允許訪問本系統的遠程用戶，礦監測系統完成實時監測并將監測數據和其他上報數據傳到局數據采集服務器上，專業客戶端指系統管理員等能夠有權增刪和編輯系統基礎圖形和數據的用戶。本系統可經過防火墻接入Internet網絡，系統外用戶為一般的Internet 網絡用戶。井下藍牙定位監測部分由井下分站設備、藍牙終端、紅外感應器、藍牙基站、數傳接口組成，如圖3所示。井下分站設備由人員信息采集處理板、人員信息傳輸處理板、隔爆電源、備用電池嵌入式軟件組成。其主要功能是完成對人員識別編碼輸出信號的采集、處理、與地面計算機的雙向通訊及供電等。藍牙基站用來收集終端數據，感應終端信號強弱，從而判斷出工作人員的大致位置，完成定位功能。藍牙終端與藍牙基站進行信息傳輸。紅外感應器用來探測人體，輔助藍牙基站進行更準確地定位。數傳接口主要由電源板、信號轉換板組成，完成通信信號的轉換和對紅外感應器進行編碼，使地面工作人員清楚地了解電平變化的信號是由幾號紅外感應器發出的，從而輔助判斷井下人員的具體位置。
3.2 系統工作方案
系統遵循“統一裝備、統一管理”的原則。具體方案如下：
（1）煤礦生產單位在所有坑道中均安裝一定數量的藍牙基站和紅外感應器，具體位置根據現場情況而定，以滿足定位為準。
（2）煤礦生產單位向有關人員頒發無線終端設備，它可以安裝在安全帽的合適位置。
（3）發終端設備時將所對應員工的基本信息，包括姓名、年齡、性別、所屬班組、所屬工種、職務等登錄在基于GIS的系統數據庫中。
（4）進入坑道的人員必須佩戴裝有無線終端的安全帽。當此人經過坑道藍牙基站時，鄰近的基站立即檢測對比接收到的RSSI值，并通過系統網絡的信息交換，將信息傳輸至井上安全監控中心記錄，通過中心系統軟件可判斷出此人的大致位置，輔以紅外感應器上傳的信息，使定位更加準確，并可同時在地理信息大屏幕墻上出現提示信息，顯示通過人員的姓名，并且可以顯示出他的運動軌跡。
3.3 系統的功能
（1）豐富的地圖功能。由于系統基于GIS技術，各個煤礦的具體狀況能夠以地圖的形式展現出來，并且具有放大、縮小、移動、標尺測距、視野控制、中心移動、地圖打印等功能。
（2）實時井下人員動態顯示功能。系統能夠實時查詢一個或多個人員現在的井下實際位置。任一時間井下某個地點究竟有多少人，這些人都是誰等信息，方便工作人員進行操作。
（3）人員軌跡查詢。由于系統具有豐富的地圖功能，某個人在某個時間段內所經歷的路徑可以在地面監控中心的大屏幕上顯現出來，形成線路軌跡。
（4）豐富的人員下井考勤能力。可對出入井人員進行統計，實現下井人員考勤記錄，建立人員出入井的各種信息報表。
（5）災后急救信息。一旦發生各類事故，地面監控主機立即能顯示出事故地點的人員數量、人員信息，人員位置等信息，大大提高搶險效率，減少損失。
4 結論
本文介紹的監控系統安全、可靠，能在惡劣環境下24h正常工作。系統綜合應用了藍牙、紅外、GIS等技術，可實現對井下人員進行實時跟蹤定位，可快速指導礦井突發性事故的救護工作，是一種先進實用的井下人員跟蹤定位系統，有著非常大的社會意義和市場前景。
