用于井下精确人员定位的单基站方向识别技术.pdf

第 4 1卷 第 2期 2 0 1 5年 2月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o r na t i on Vo l | 41 NO ． 2 Fe b． 2 O1 5 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 2 0 0 6 8 0 3 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 9 唐丽均， 吴畏． 用于井下精确人员定位的单基站方向识别技术[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 2 6 8 7 0 ． 用于井下精确人员定位的单基站方向识别技术 唐 丽均 ， 吴畏。 1 ． 重庆 工程 职业 技术 学 院 信 息工 程学 院 ，重庆4 0 0 0 3 7 ； 2 ． 重 庆城 市管 理职业 学 院 电子 工程 学 院 ， 重 庆4 0 1 3 3 1 摘 要 针 对现 有精 确人 员定位 系统 必须 由 2个基 站 才能 完成 方 向识 别 功能 ， 导致 系统 成本 高和施 工难 度 较 大 的 问题 ， 在精 确人 员定位 系统 中 引入 了一 种 由单 个基 站 来 实现 方 向识 别的技 术 由单 个基站 采 用 2个定 向天 线接 收 同一信 号 ， 根 据 2个天 线接 收到 的信 号强 度差 异 来 实现 定位 人 员 的方 向识 别 。将 该 技 术 应 用 于 井 下工作人 员所在位 置 的方 向识别 ， 能 有效 降低 系统 的成本 和施 工难 度 ， 加 速推 动精 确人 员定位 系统在 煤矿 井 下的普 及 。 关 键 词 精 确人 员定位 ； 中 图分 类号 TD 6 5 5 ． 3 基站 ；方 向识 别 ；接 收信 号 强度 ；定 向天 线 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 2 0 3 1 5 2 3 c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 2 0 3 ． 1 5 2 3 ． 0 1 9 ． h t ml Di r e c t i o n r e c o gn i t i o n t e c hn o l o g y b a s e d o n s i n gl e ba s e s t a t i o n a p p l i e d t o u nd e r g r o u nd a c c u r a t e p e r s o nn e l p o s i t i o n i n g TANG Li j u n ． W U We i 1． De pa r t m e n t of I n f o r ma t i o n Eng i ne e r i n g，Ch on gq i n g Vo c a t i o na l I ns t i t u t e of Engi ne e r i ng Ch on gq i n g 4 00 0 37，Chi n a；2． De pa r t m e n t o f El e c t r o ni c Engi ne e r i ng，Ch on gq i n g Ci t y Ma n a g e me n t Co l l e g e ，Ch o n g q i n g 4 0 1 3 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e m of h i gh c os t a nd b i g c o ns t r u c t i o n di f f i c ul t y of e x i s t i n g a c c ur a t e p e r s on ne l po s i t i o ni ng s y s t e m whi c h ne e ds t wo ba s e s t a t i on s t o c o mpl e t e di r e c t i o n r e c o gni t i o n f u nc t i o n， a ki nd o f di r e c t i on r e c o gn i t i on t e c hno l o gy ba s e d o n s i ng l e ba s e s t a t i on wa s i n t r od uc e d t o t he s ys t e m ．Th e s i ng l e ba s e s t a t i o n a d o p t s t wo d i r e c t i o n a l a n t e n n a s t o r e c e i v e t h e s a me s i g n a l ，a n d j u d g e s t h e d i r e c t i o n o f mi n e r s a c c o r d i n g t o t he d i f f e r e nc e o f r e c e i ve d s i g na l s t r e ng t h f r o m t he t wo a nt e nna s ．Ap pl y i ng t he t e c hno l o gy t o di r e c t i on r e c og ni t i o n of un de r gr o un d s t a f f c a n e f f e c t i v e l y r e d uc e t he c o s t a nd c o ns t r uc t i o n d i f f i c ul t y o f t h e a c c ur a t e p e r s o nn e l p o s i t i on i n g s ys t e m ， a nd f u r t he r he l p po pu l a r i z e t he a c c ur a t e p e r s o n ne l p o s i t i on i ng s y s t e m i n mor e c oa 1 m i ne s ． Ke y wo r dsa c c u r a t e p e r s o n ne l po s i t i o ni n g； ba s e s t a t i on； d i r e c t i o n r e c o gn i t i o n； r e c e i ve d s i gn a l s t r e n gt h；d i r e c t i on a l a nt e nna 0 引言 近年 来 ， 多 种 精 确定 位 技 术 广泛 应 用 于煤 矿 井 下人 员定 位 ， 大大 提 高 了井 下 人 员 的人 身 安 全 。定 位 系统要 完成 对井 下 巷 道 工 作 人 员 的精 确 定 位 ， 精 准 的方 向识 别 是 其 所 必 须具 备 的首 要 功 能 。然 而， 现有的精确定位 系统在对人员位置进行方 向识 别 时 ， 需要 由 2 个 基 站相互 协作 才 能完 成方 向判定 ， 因此 ， 在每个精确定位 区域 内至少必须安装 2个基 站 ， 这 样会 导致 整个 系统 配 置的基 站较 多 。同 时 ， 煤 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 3 ； 修回 日期 2 0 1 4 - l 1 2 0 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 重庆市 教委科 学技术研究资助项 目 KJ 1 4 0 3 2 0 8 。 作者 简介 唐丽均 1 9 8 1 一 ， 女， 重庆人 ， 讲 师， 博士 ， 现 主要从事无线通信技术研究工作 ， E ma i l t a n g l i j u n 2 0 0 2 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 5年 第 2期 唐 丽均 等 用 于井 下精确 人 员定位 的 单基站 方 向识 别技 术 6 9 矿井下恶劣环境不利 于对 每个基站进 行近距离供 电 ， 大 多采用 由本 质 安 全 型 电源 进行 远 程 供 电 。过 多 的基 站配 置需 要 更 多 的 电源 为 其供 电 ， 增 加 了系 统 的安 装成 本 和难 度 。 本 文 提 出一 种单 基 站 方 向识 别 技 术 ， 由单 个 基 站 通 过一对 定 向天 线分 别在 不 同时 间接 收 同一个 工 作人员发出的无线信号 ，根据 2个天线接收到的信 号 强 度 Re c e i v e d S i g n a l S t r e n g t h I n d i c a t i o n ， RS S I 值 的 比较 结 果来 判 定 工 作 人 员所 在 位 置 的 方 向_ 4 ] 。 将 这 种单 基站 方 向识别 技 术应 用 于煤矿 井 下精 确人 员定 位 系统 ， 在不 影 响方 向识别 成 功率 的基 础上 ， 能 减 少 基站 及 电源 的 配 置数 量 ， 从 而 降低 了整 个 系统 的成 本 和施工 难 度 。 1单基 站方 向识别 技术 对 现 有 的精 确 人 员 定位 基 站 进 行 如 下 改进 添 加一 个 新 的定 位 模 块 ， 并 让 其 与 基 站 中的 一个 天线 相连 接 。改 进后 的 基 站结 构 如 图 1所 示 ， 采 用 一对 前后 比为 2 O d B的定 向天线 进行 信 号 收 发 ， 每 个 定 向天 线 与一 个 定 位 模 块 相 连 ， 2个 天 线 主 瓣 方 向成 1 8 0 。 ， 天线 和定 位模 块 均安 装在 基站 内部 ] 。 图 1 改进后 的精确人员定位基 站结 构 基站 内的定 位 模 块 A 和 B采 用 不 同 的工 作 频 点 F A和 F R ， 并分 别 与天线 A 和天 线 B相 连 。运用 单基 站进 行方 向识别 的具 体过 程 如 下 ① 基 站 首先 采用 TOA Ti me o f Ar r i v a l ， 抵 达 时 间 技 术 。 分 别测 量 出定 位人 员 与 基 站 定 位 模 块 A 和 B 之 间 的 距离 D 和 D ， 由于 D 和 D 远 大于定 位 模块 A， B 之 间 的间距 ， 所 以 可认 为 D 与 D。 近 似相 等 。基 站 可 获取 到其 与定 位人 员 的 距 离 DD 一D 。② 在 测距 的同时， 定位模块 A和 B分别计算出其接收到 的测距信号的 RS S I 值为 R 和R ， 然后定位模块 B 将数据 R 通过 S P I 总线发送 给定位模 块 A， 定位 模 块 A 对 I R 和 R 进 行 比较 。③ 最 后 ， 定 位 模 块 A 根 据 RS S I值 的 比较 结 果 来 判 断 定 位 人 员 的 方 向， 并通过通信总线将 已判断出方向的距离信息上 传 给 地 面控制 站 。 由于定 位基 站位 于狭 窄 的煤 矿巷 道 ， 被 定 位 的工作 人员 只 能在 基站 的两 侧 ， 即 2个方 向 天线 A 的正前方和天线 B的正前方 。若 R R ， 由于天 线 A 正 向接收 信号 强度 大 于天 线 B的反 向接收信号强度 ， 可以判定定位人员在基站天线 A 的正前 方 ； 反 之 ， 则 判 定 定 位 人 员 在 基 站 天 线 B的 正 前方 。 2定 位距 离对 R S S I 值 的 影响 要 保证 单 基站对 井 下定 位人 员位 置 的方 向判 定 的准 确性 ， 需满 足 如 下条 件 对 于任 意 定 位 距 离 ， 基 站 中的一 天线 正 向接 收到 的信 号 RS S I 值 始 终都 比 另一 天线 反 向接收 到 的信 号 R S S I 值 大 。理 论上 前 后 比为 2 0 d B的定 向天线 正反 向接收 到 同一 信 号 的 R S S I 差 值应 为 2 0 d B m， 但在 实 际应用 中 ， 由于受 到外 界环 境 的影 响 ， 这个 差值 是存 在 波动 的 。 图 2展示 了定 位人 员 在距离 精 确人员 定位 基站 l O ， l O O ， 1 5 0 m 处静 止 时 ， 基 站 中一 天线 正 向接 收 到 的信 号 RS S I 值 和另 一天 线反 向接 收 到的信 号 RS S I 值对 比情况 。由于无线信号传输具有不稳定性 ， 所 以实验 中在 同一 定 位 距 离 进 行 了 1 0次 RS S I 值 测 量 ， 每 次测量 时 间 间隔为 5 S 。 0-20 - 3 0 号 - 4 0 - 5 0 -60 -70 言 - 4 0 一 5 0 已 -6 0 - 7 0 一 8 0 一正 向 0 5 l 0 l 5 2O 25 30 35 40 45 t ／ s a 1 0 m处定 向天线正反 向 RS S I 值 正 向 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 45 t ／ s b 1 0 0 m处定向天线正反向 R S S I 值 一正 向 言 - 5 0 一 60 - 70 - 8 0 - 9 0 U l U 1 2 U Z， jU j 斗 U 4b t ／ s c 1 5 0 m处定向天线正反向 R S S I 值 图 2 1 0 ， i 0 0 ， 1 5 0 m处 定向天线正反 向 R S S I 值 从 图 2可 以看 出 ， 在 1 5 0 m 的定位 范 围 内 ， 对于 同一 定位 距离 ， 基 站 中一天 线正 向接 收 的信 号 R S S I 值在 大多 数情 况下 都 高于另 一天 线反 向接 收到 的信 号 R S S I 值 ， 正 向 R S S I 值 比反向 R S S I 值 约高 1 5 ～ 2 0 d B m。但 偶 尔 也 存 在 正 向 和反 向接 收 到 的信 号 R S S I 差 值 不 明显 的情况 ， 如 图 2 c 所 示 ， 在 时 间 为 4 0 S 时 ， 测 得两者 最 小差 值仅 为 3 d B m。如 果 考虑 基站 定 向天 线 的 差异 性 和 环 境 干 扰 的偶 然 性 ， 在基 站 的最 大 覆 盖 半 径 1 5 0 m 之 内就 不 能 保 证 天 7 O 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 线 正 向的 RS S I 值一 定 明显高 于反 向的 R S S I 值 ， 那 么 必然 会存 在无法 判定 方 向的情 况 ， 因此 ， 还需要 通 过 方 向识别 滤波算 法来 解决 该 问题 。 3 方 向识别 滤 波算法 由于精 确 人 员 定 位 基 站 的微 控 制 单 元 Mi c r o C o n t r o l Un i t ， MC U 性 能 有 限 ] ， 同 时 MC U 还 需 完 成计 算井 下人 员与 基站 的距 离 、 定位 模块 同步 、 与 地 面 中心站 交互 数 据等 功能 ， 所 以方 向识别 滤 波 算 法不 能过 于复 杂 ， 否 则 会 大 幅 度 增 加 MC U 的工 作 负荷 ， 降低 整个 系统 的性 能 。 从 图 2可 以看 出 ， 出 现 天 线 反 向 R S S I 值 大 于 或等 于正 向 R S S I 值 的概 率 很小 ， 因此 ， 设 计 了一 种 较为简单的方 向识别滤波算法 。假定根据第 ， z 次测 得的 天线 正反 向 R S S I 值 判 定 出 的定 位 人员 位 置 所 在方 向用 s 表示 ， 前 2次判定的方向表示为 S 一 。 和 S ， 而滤 波后 的方 向 用 S 表 示 ， 则 滤 波 过 程 如下 I f S 1 一S 2 ≠S ， 贝 0 S 一S 1 ， E l s e S 一S 。 4实 验分 析 在模 拟煤 矿井 下环 境 的实验 巷道 中搭 建相应 的 测试 平 台 ， 如 图 3所示 。 巷道壁 陌 。 ⋯ 一 。 巷 道 壁 图 3 测 试 平 台 将 定位 人 员从 一1 5 0 m 处 向 1 5 0 m 处移 动称 为 正 向移动 ， 从 1 5 0 I T I 处 向 一 1 5 0 m 处移 动称 为 反 向 移动 。定 位人 员 平 均 移 动 速 度 为 2 m／ s ， 定 位 基 站 每 隔 5 S 采 集一 次定 位人 员 的距离及 方 向数据 。 图 4显示 了定位人员正向移动时， 基站使用滤 波算 法前 和使 用 滤波算 法后 分别 获取 的定 位人 员移 动轨 迹 。从 图 4可 以看 出 ， 在 定 位 人 员 正 向移 动 过 程中出现 2次方向误判的情况 ， 分别在 一1 2 0 ， 4 1 m 处 。采 用滤波 算法 后 ， 这 2次方 向误 判 数 据 均得 到 修 正 。 2 o o l 5 0 l 0 0 宣 5 O 褪0 一 5 O 一1 O O l 5 O - 20 0 图 4 基站 测得的定位人员正 向移动轨迹 图 5显示 了定 位 人 员 反 向移 动 时 ， 基站 使 用 滤 波 算法 前和 使用 滤波 算法后 获 取 的定 位人 员移 动轨 迹 。从 图 5可 以看 出 ， 在 定位 人 员 反 向移 动过 程 中 出现 3次方 向误 判 的情 况 ， 分别 在 8 9 ， l 9 ， 一 1 3 9 m 处 。采用滤波算法后 ， 这 3次方 向误判数据均得 到 修 正 。 吕 褪 图 5 基站测得 的定位人员反 向移动轨迹 从 图 4和 图 5可 看 出 ， 结 合 滤 波 算 法 的单 基 站 方 向识 别技术 可 以对 井下人 员所 在位 置 的方 向进行 有效识别， 并可纠正偶尔出现的方向误判情况 。 5 结语 提 出了应用 于煤 矿井 下精 确人 员定 位 系统 的单 基 站方 向识 别技 术 ， 在 单个 基 站 上 利 用 2个 定位 模 块 分别 与 2个 背对 天 线 相连 ， 通 过 判 断天 线 正 向 接 收和反向接收到的信号 R S S I 值 的差值进行方 向识 别 ， 并 通过 相 应 的 滤 波 算 法 纠 正 方 向误 判 的情 况 。 单基站方向识别技术的应用可 以降低精确人员定位 系统的成本和施工难度 ， 并推动精确人员定位系统 在煤 矿井 下 的广泛 应用 。 参 考 文 献 E l i 李 昭静 ， 张慧丽 ， 毛瑞． 井下 人员定 位 系统无 线通信 设 计 E J ] ． 煤炭技术 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 1 1 1 0 1 1 1 ． [ 2 ] 蒋磊 ， 于雷 ， 王振狲 ， 等． 基 于 Wi F i 和 Z i g B e e的井 下人 员无线跟踪与定位系统的设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 7 1 6 ． [ 3 ] 王维． 人员定位 唯一性检 测系统设 计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 O 1 2， 3 8 7 卜3 ． E 4 ] 石为人 ， 熊志广 ， 许磊． 一种用于室 内人员定位 的 RS S I 定位算法 [ J ] ． 计算 机工 程 与应用 ， 2 0 1 0 ， 4 6 1 7 2 3 2 23 5 ． [ 5 ] 董振 中， 王恩博． 无线传感器 网络 中一种 基于定 向天线 的节点定位算法 [ J ] ． 电子技术 ， 2 0 1 0 ， 3 7 1 0 7 - 9 ． [ 6 3 吴畏 ， 刘世森． 基 于 T OA技术 的煤矿井 下精 确人 员定 位 系统研究 [ J ] ． 中国煤炭 ， 2 0 1 2 ， 3 8 4 6 5 6 7 ． E T ] 刘世 森 ， 汤朝 明 ， 吴畏． 无 线传 感器 网络 中 的 TO A 测 距 方法研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 2 ， 3 8 3 3 1 3 4 ． I s ] 李 柳滨 ， 李 国义 ， 杜鹏 ， 等． 基于 A RM7和 Z i g B e e的嵌 入式精 确定 位 系 统 的设 计 [ J ] ． 信 息 通信 ， 2 0 1 2 1 8 2 8 4． ∞ ∞ ∞ 如 0 如 ∞ ∞ ∞ 2 。