井下人员定位系统定位

（5）
接 收 天 线 的 有 效 面 积 AW = λ2GRX (4π) , 其 中
GRX 为接收天线增益，可以得出接收功率为
PRX
=
SBac源自文库 AW
=
PTX GRX GRX λ 2σ (4π)3 R4
（6）
式（5）表明，如果以接收的标签反射能量为 标准，反向散射的射频识别系统的作用距离与读写
n ● 0
第 27 卷第 5 期 Vol.27 No.5
辽宁工程技术大学学报（自然科学版） Journal of Liaoning Technical University（Natural Science）
文章编号：1008-0562(2008)05-0725-03
2008 年 10 月 Oct. 2008
井下人员定位系统精确定位
汪玉凤，段丽华
(辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛 125105) 摘 要：针对目前矿井井下定位系统功能不完善及技术与实现复杂的现状；提出了一种新的井下人员精确定位方
法：利用三边测距原理来确定井下工作人员的精确位置；详细介绍了定位原理与具体实现过程：将各个读头安置
在井下不同位置，读头彼此之间都在另外 2 个相邻读头的可读写范围之内，应用三边定位原理，当一位井下人员 走在某一巷道的某点时，附近的 3 个不同的读头将会同时采集到他的信息，这 3 个被采集到的信息同时被传送到 井上计算机中，就可以很容易的确定一个关于此人员的精确的井下实时位置；可以快速采集到井下人员的位置，
1 系统的理论依据
1.1 无线射频识别技术的能量传递测距原理
设计采用可读写的被动标签和读头的系统。之
收稿日期：2007-03-23 基金项目：辽宁省教育厅科学研究基金资助项目（2004D027） 作者简介：汪玉凤(1961-)，女，辽宁 阜新人，教授，主要从事电力电子方面的研究；本文编校：杨瑞华
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在上位机的数据库中，建立定位读头表，记录 读头的 ID 号；建立巷道节点表；记录节点的坐标 值；建立路由表。记录一个读头到与其相邻的读头 所经过的节点 ID 和节点的坐标值，系统根据这些 数据描绘井下工作人员的行动轨迹[4-6]。同时根据三 边定位原理将采集来的信息进行数据分析，处理， 就能够及时精确地确定出井下此人员的实时，具体 位置，并同时提供人员相关信息查询与管理等功 能。
辽宁工程技术大学学报（自然科学版）
第 27 卷
所以采用被动标签，原因在于与主动标签相比，它
的功能更加齐全，更具有实用性。
1.1.1 阅读器到电子标签的能量传输
在距离读写器距离 R 的电子标签的功率密度为
S = PTXGTX = EIRP 4πR2 4πR2
（1）
式中， PTX 为读写器的发射功率； GTX 为发射天线
0
图 2 用三边测距法确定未知节点的位置 Fig.2 determine location of the unknown
with ranging trilateral
如此推理下去，圆越多，定位的精确度也就越 高。
此方法简单易懂，有利于编程和计算处理，将 其与无限射频识别技术相结合能更好的服务与井 下定位系统。
[ 4 ] 钱 钧,杨汝清,王 晨,等.基于路标的智能车辆定位[J].上海交通大 学,2007,41(6):894-898.
[5] 孙卫东.射频无线识别技术在矿山生产调度和安全管理中的应用[J]. 矿山机械,2007,35(4):148-149.
[6] 钱 钧,杨汝清,王 晨,等. 基于路标的智能车辆定位[J].上海交通大 学,2007,41(6):894-898.
第5期
汪玉凤，等：井下人员定位系统精确定位
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2 系统的具体实施方案
3结语
如图 3，在井下通道里，不同部位，每隔一段 距离安装一个无线射频读头，并且每 3 个相邻近的 读头彼此之间都在另外 2 个读头的可读写范围之 内，这样就使得无论人员走到哪个巷道都会有至少 三个射频读头能同时采集到他的身份信息并测出 该人员与他们之间的距离。
n
●
0 ●0
●
n
图 1 两圆确定未知节点的位置 Fig.1 determine location of the unknown
with two rounds
0
PBack
=
Sσ
=
PTXGTX 4πR2
σ
=
EIRP σ 4πR2
（4）
所以返回读写器的功率密度为
SBack
=
PTXGTXσ (4π)2 R4
0引言
矿地理位置偏僻，井下巷道纵横交错，设备和 作业人员分布面广且复杂，流动性大，地面与井下 人员的信息交流比较困难，因此实时动态掌握井下 人员的分布及作业情况，实现人员精确定位管理显 的很重要。特别是在发生突发事件时迅速判断险区 人员的数量、位置和身份，以便采取必要的措施及 时救助，把事故的损失和影响降到最低限度显得尤 其重要和紧迫。建立可靠实用的煤矿井下人员定位 系统，对改善煤矿的安全生产管理，为煤矿行业的 安全生产保驾护航有着重要的现实意义。
参考文献：
[1] 游站清.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].北京:电子工业 出版社,2004.
[2] 曹 伟、徐立勤.电磁场与电磁波理论[M].北京:北京邮电大学出版 社,1999.
[3] 徐春妹,陈芳芳.井下人员定位系统[J].无线通信技术,东南大学信息 科学与工程学院, 2006, (3).52-55.
通道顶
读头
通 道 壁
巷道口
图 3 井下通道中读头的安放 Fig.3 place of reading in the underground
采集到信息的各个读头同时将人员识别卡的 编号信息，距离数据和自身读头的地址信息相组 合。经调制后发送到传输总线上，再由传输总线上 传，直至发送到数据中心站。传入到中心计算机， 由中心计算机进行数据分析，处理，并提供查询管 理等功能。
实现了对人员的实时监测和控制，对改善矿山的安全生产管理有着重要的现实意义。
关键词：人员定位；RFID；定位系统
中图分类号：TP 273
文献标识码：A
Precise positioning underground staffs positioning system
WANG Yufeng，DUAN Lihua (Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, HuLudao 125105,China) Abstract：To solve the present problem of imperfect positioning system in mine technology ;The paper proposes a new system that utilizes the principle of ranging trilateral to determine the precise position of underground staffs;The paper also introduces in detail the principle of the system and the way to make it into reality: Different readings are installed of different places and different readings are in the other two different readings scope of reading and writing, with the principle of ranging trilateral ,then one staff is walking from one roadway, three different readings near to him will gather the related information about him at the same time, and the information will be transmitted to the computer which in the ground in the same time,it becomes easy to know the precise place of one staffer at this time underground; realizing the real-time monitor and control about man, which will be of great significance for improving safety in mine production. Key words：personal orientation；radio frequency identification；（RFID）positioning system
目前，中国绝大多数矿山井下人员的跟踪系统
都只停留在粗劣定位的层面上，这种水平虽然在一 定程度上能跟踪到井下人员的大致位置，但存在极 大的误差，一旦出现事故，就很难估测到其具体情 况，因此，一套能更为系统的定为方式的设计与应 用迫在眉睫。较之以往的定位技术相比本系统的优点 就在于将无线射频识别技术与三边测距定位方法相 结合，将人员定位确定到“点”，真正实现人员的精确 定位。
所以有
PTag
=
Ae S
=
λ2 4π GTag S
=
EIRPGTag
(
λ 4πR
)2
（3）
无源射频识别系统标签通过电磁场供电，标签
功耗越大，读写距离越短，性能越差。射频电子标
签是否能够工作也主要由电子标签的工作电压来
决定，这也决定了无源射频识别系统的识别距离。
1.1.2 电子标签到阅读器的能量传输
电子标签返回的能量[1]与它的雷达散射截面 σ
（RCS）成正比，它是目标反射电磁波能力的测度。
散射截面取决于一系列的参数，例如目标的大小，
形状，材料，表面结构及其波长和极化方向等。电
子标签返回的能量为
器发送功率的四次方根成正比即可得出
R
=
4
PTXGTXσ (4π)2 SBack
（7）
1.2 三边测距定位原理
根据多个距离测量值估计出移动人员位置[2-3]， 其理论依据是：在三维空间中，知道了一个标签到 三个读头的距离来确定该点的坐标。三边测距法在 二维平而上用几何图形表示出来的意义是:当得到 未知节点到一个确定节点的距离时，就可以确定此 未知节点在以此已知节点为圆心、以距离为半径的 圆上;得到未知节点到 3 个已知节点的距离时，3 个 圆的交点就是该未知节点的位置。由此可以推出： 一个读头测出一个标签与它的距离，另一个临近读 头同样也可以测出这个标签与它的距离，以两个距 离为半径，以各自的读头为圆心，就可画出两个圆， 且这两个圆必然相交，这就确定两个点（如图 1）。 再有第三个圆，三个圆的交点即为此标签所在的具 体位置如图 2。
目前，将三边测距定位技术用于井下人员定位 的技术还不多见，将其与无限射频识别技术相结合 用于矿井的更是寥寥无几，本方法的优点是即继承 了传统方法的优点又能测出更加准确的距离，在几 乎没有增加任何经济成本的基础上，使得矿山井下 人员定位系统更加精确，再结合计算机网络在数据 传输、数据库储存管理、统一计算等方面的优点， 可实时查询井下工作人员的具体位置，为人员调 度、矿井突发性事故的救助工作带来了很大的方 便。希望随着电了标签技术的不断推广和普及，本 方法可以真正得到应用和推广并在一定程度上促 进中国矿山企业的整体管理水平，减少安全事故的 发生。
的增益； R 是标签到阅读器之间的距离； EIRP 为
天线有效辐射功率，是指读写器发射功率和天线增
益的乘积[2]。
在电子标签和发射天线最佳对准和正确极化
时，电子标签可吸收的最大功率与入射波的功率密
度 S 成正比。可表示为
PTag = AeS
（2）
其中，Ae
=
λ2 4π
GTag ，GTag
为电子标签的天线增益。