关于煤矿井下人员定位系统的应用研究
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引言
随着国家多元化结构的快速发展，煤矿资源的
市场需求在逐年增加。由于煤矿作业环境具有复杂
性及恶劣性，使得有效保证井下人员及设备的安全、
提高煤矿生产率成为当前政府考核企业的重要安全
指标[1]。据统计，俄罗斯单个井下事故造成的人员死
亡为0.7人，而中国2018年的煤矿安全事故近300
起，造成了近400人死亡。其中，矿井的智能化程度
较低，无法实现对矿井中作业人员进行有效定位和
监控，是导致人员伤亡的重要因素之一[2]。提高矿井
的智能化程度，将当前成熟的智能化控制技术应用
到煤矿开采生产中，实现对矿井人员的实时定位和
实时救援，成为降低煤矿事故率及人员伤亡率的重
要途径。为此，对井下人员定位系统的总体方案研究
及关键分系统进行设计。1现有人员定位系统存在问题
随着国家技术水平的不断提升，人员定位系统
已在一定范围内被应用到了矿井的人员实时定位作
业中，虽在一定程度上提升了井下人员的作业安全，
但此系统仅限于规模较大的煤矿企业，大部分中小
煤矿企业均未安装此系统。同时，由于井下环境复
杂，此系统易受各类信号干扰，在使用中也出现了较
大问题，具体如下：
1）定位系统的运行速度相对较慢。当井下人员
数量相对较多时，系统存在读卡速度慢、数据传输滞
后、系统运行不畅等问题，造成了经常出现人员漏读
现象，人员定位的数据检查全面性较弱[3]。
2）所传输的数据存在稳定性较差。井下环境中
经常会有各类干扰信号，定位系统大多采用射频卡读取数据，运行时常受到此些干扰信号影响，整体抗
干扰能力较弱。
3）整体智能化程度相对较低。当前系统仅能对
人员的具体位置进行定位，且定位精度相对较低，当
人员发生异常情况时，无法对人员实时应急救援，系
统也无法对人员情况进行准确报警及界面显示[4]。
因此，在现有人员定位系统基础上，有必要设计
一套数据传输速度快、定位精度高、响应迅速、声光
及显示一体的新型人员定位系统，当井下发生故障
灾害时，实现对井下人员的精准定位和及时救援，这
对保证井下作业安全及人员生命安全意义重大。2人员定位系统的总体设计
结合当前人员定位系统存在的问题，开展矿井
人员定位系统的升级优化设计。该定位系统结构包
括信息检测分系统、信息接收分系统、数据处理与显
示分系统等部分，具体结构主要由定位标签、定位基
站、控制网井下交换机、信息传输接口、监控主机及
LED显示大屏等构成[5]，如图1所示。其中，定位标
签及定位基站主要对井下人员或移动物的位置进行
实时监测及信号采集，两个部件之间的数据通过无
线通讯模块进行信号传递。控制网井下交换机、信息
传输接口等对传输信号进行分析、计算处理，是整个
定位系统的核心部分。经过分析处理后的数据信息
通过RS485通讯方式被传输至地面监控主机及LED关于煤矿井下人员定位系统的应用研究
李冰
（山西新元煤炭有限责任公司，山西寿阳045400）
摘要：结合目前井下人员定位系统存在的问题，从系统总体方案及关键分系统两方面对系统进行优化。通过对优化后的系统进行应用测试，表明该系统运行良好，实现了人员精准定位、考勤、安全报警等功能要求，具有较好的可行性。关键词：煤矿定位系统矿井应用中图分类号：TD76文献标识码：A文章编号：1003-773X（2021）04-0266-03
收稿日期：2020-11-27作者简介：李冰（1979—），男，毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，学士学位，机电工程师，新元公司调度室总支书记、信息化办公室主任，研究方向为矿井信息通信、自动化控制、矿井机电
。DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2021.04.116总第216期2021年第4期机械管理开发MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENTTotal216No.4，2021
图1人员定位系统总体方案UPS监控主机热备LED大屏
控制网络井下交换机信息传输接口控制网络井下交换机
控制网络井下交换机控制网络井下交换机控制网络井下交换机
基站定位分站定位分站定位分站定位分站定位分站定位分站基站
定位标签定位标签定位标签定位标签定位标签定位标签定位标签定位标
签自动化技术与设计2021年第4期
中得以实时显示，当人员或移动物出现异常问题时，
可通过定位标签发出求救信号并在LED显示屏中
实时显示。救援人员可通过此界面及异常信息有针
对性地对人员开展及时救援工作。整套系统具有高
效数据处理、异常问题报警、人员定位考勤及工作状
态实时监控等功能，大大提高了矿井的工作效率及
作业安全性。3定位系统中主要分系统的设计
定位基站作为定位系统的关键部分，通过设置
的测距算法，与定位标签进行实时通信，完成对人员
位置信息的收集及距离测定工作。整个基站的硬件
包括主控单元芯片、存储芯片、时钟单元模块、定位
通信模块、通讯电缆及电源等部分。其中，所设计的
基站主要采用32位的cortex芯片，工作频率为168
MHz，具有待机、休眠或停机等多种功能模式，具有
多个RS485通信接口，能实现对多路信号的实时通
讯[6]。同时，采用32kHz的石英晶体振荡器作为其时
钟单元。定位通讯模块是整个基站的核心，采用
DW1000的射频收发芯片，通讯距离可达500m，射
频发生范围为3～10GHz，传输速度为7Mbit/s，能
较好地满足定位系统的距离定位需求。对电源的设
计采用12V和24V直流锂电池，可满足井下八小
时的正常作业需求。对通讯模块的设计则采用
LAN8720A芯片，基于以太网进行通讯。在完成基站
的建立后，通过RS485接口及其他端口与无线通信
单元进行电路通讯，以获取定位标签中的具体数据
信息，其连接电路图如图2所示。3.2定位标签的设计
在定位系统中设计定位标签无线接收设备，此
设备可随身携带或被安装于移动物品上，可对人员
及移动物品的具体位置进行有效识别，所采集的数
据信息通过无线定位通讯单元被发送至定位基站
中。该无线接收设备包括定位芯片、天线、电源、处理
器等部件，能通过处理器对数据进行分析处理及存
储，其原理如图3所示。为此，选用市场上成熟的32位cortex型定位芯片，最高工作频率为72MHz；选
用24C512的存储芯片，可对定位数据进行存储及识
别。电源单元则主要由电池、电压转换及充电管理器
等组成，可通过DC/DC转换器，将电池中的直流电
压转换为其他部件需要的电压值，电源芯片型号为
ASM1117，充电管理芯片型号为TP4056。在完成定
位标签对其设计后，需通过RS485通讯接口与无线
定位通讯单元对其进行连接，以实现自身移动数据
向定位基站的传输，如图4所示。
采用Keil5对该定位系统软件进行软件开发，开
发语言主要为C语言，以此实现对定位系统中嵌入
式程度的开发，开发程序包括基站及标签节点中的
驱动程序。本软件系统包括上层应用程序层、
DW1000固件库层、DW1000设备驱动层及DW1000
物理集成电路层等，其框架示意图如下页图5所示。
其中，上层应用程序的设计采用TX和RX接口进行
设备驱动层中寄存器信息的读取，获得准确的人员
位置、距离等重要信息，通过SPI接口对固件层进行
控制。考虑基站与标签之间主要通过信号的相互交
换来实现距离的测定，故此驱动软件中设计
DW1000芯片对信号进行接收或发送，可保证整个
控制逻辑的正确性及合理性。4人员定位系统的测试
为进一步掌握井下人员定位系统的综合性能，
对该系统进行了为期6个月的现场应用测试，主要
对该系统的人员定位功能、安全报警功能、考勤功
能、定位数据保存功能等方面进行了测试评价。该
系图2基站与无线通讯单元连接
电路图图3定位标签原理图
图4定位标签与无线定位通讯单元电路图
VDD3V3VDD3V3VDDAONGPIO7RSTnWAKEUPEXTON
VSSSPIMOSISPIMISOSPICLKVSSIRQVSSVSS
SPICSn7654321
8WAKEUPEXTONRESETnR250R
C260.1μF+3.3VGND
GNDDWM1000U7
18192021222324
17IRQ
SPI2MOSISPI2MISOSPI2SCK
SPI2NSSGND存储时钟
处理器
定位芯片
天线定位通信电压转换电池电池充电电源
+3.3VETPTX+TPTX-
TPTX-TPTX+
C45C46C47C48C49
10pF22μF10pF10pF10pF
GND1423567J2
TCTTD+TD-
RCTRD+RD-NCRJ45LED（Y）KLED（G）ALED（Y）A
LED（G）KSHILEDSHILEDCHSGND129111014138LINKLEDSPEEDLED
R31R32
510Ω510Ω
GND李冰：关于煤矿井下人员定位系统的应用研究267··第36卷机械管理开发*****************
ResearchontheApplicationofPersonnelPositioningSystemintheCoalMine
LiBing
（ShanxiXinyuanCoalMineCo.,Ltd.,ShouyangShanxi045400）
Abstract:Combinedwiththeproblemsexistinginthecurrentundergroundpersonnelpositioningsystem,theoverall
schemedesignandkeysubsystemresearchofthesystemarecarriedout.Throughthepracticalapplicationtestofthesystem,itshowsthatthesystemrunswellandrealizesthefunctionalrequirementsofprecisepositioning,attendance,safetyalarm,etc.,andhasgoodfeasibility.Keywords:coalmine;positioningsystem;mine;application统的登录界面如图6所示。测试结果表明：该系统运
行正常，能对人员的具体位置进行实时显示，定位精
度较高。当井下人员出现工作时间超时、进入危险作
业区、系统发生异常故障等现象时，该系统能及时发
出相应的安全报警，并将相关数据信息进行实时保
存。在考勤方面，该系统也实现了根据需要生成日、
月考勤表，实现了对人员的考勤。另外，该系统的成
功应用，不仅提高了井下人员的作业安全，也减轻
了企业综合管理部门及安全管理部门人员的工作
强度，系统整体运行达到了预期效果，满足了井下
人员的定位及安全报警需求，实现了井下的智能化
管理。5结语
完成矿井中人员定位系统的设计应用，是实现
井下智能化管理及建设的重要基础。未来，基于以太
网及5G通讯技术的系统建设，将是井下定位系统
不断发展的重要方向。保证所建立的人员定位系统
的可靠性及稳定性，是有效保证人员及井下工作面
安全的关键。
参考文献[1]黄兴元.浅谈当前煤矿人员定位系统常见故障原因及对策[J].能源与环境，2020（5）：119-120.[2]刘建伟.基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统的应用研究[J].自动化应用，2020（8）：130-132.[3]刘世森.基于UWB和RFID相融合的矿井人员定位系统设计[J].自动化仪表,2020，41（8）：82-86.[4]李浩.基于WIFI技术的煤矿井下人员定位安全系统的研究[J].机械管理开发，2020，35（8）：226-228.[5]肖震.关于煤矿井下人员智能化定位系统的设计研究[J].机械管理开发，2020，35（6）：194-196.[6]蔡泽宇.煤矿井下人员定位系统的探讨[J].机械管理开发，2020，35（5）：264-265.（编辑：胡玉香
