基于802.11n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巷道人員定位技術(shù)研究
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張慶華，徐雪戰(zhàn)，鄒云龍
（1．瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037；
2．中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）
摘要：針對現(xiàn)階段礦井人員定位系統(tǒng)定位精度低、成本高、可靠性差等問題，提出了一種基于802.11n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的真三維人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)功能特征劃分為現(xiàn)場設(shè)備管理層、系統(tǒng)運行監(jiān)控層和地面監(jiān)控管理層。工作時，定位分站將移動節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的位置坐標信息通過RS - 485總線傳輸?shù)焦饫w冗余網(wǎng)中，緊接著將位置坐標信息通過CAN現(xiàn)場總線傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)進行解壓、分析處理和可視化顯示。實驗結(jié)果表明：當加權(quán)因子k取1.1時，該系統(tǒng)在井下巷道測試環(huán)境中的平均誤差僅為1. 15 m，且長期運行無故障，具有較高的定位精度和可靠性，降低了成本。
關(guān)鍵詞：人員定位；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；真三維定位算法；802.11n；加權(quán)質(zhì)心
0 引言
作為煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，煤礦人員定位系統(tǒng)因其能夠提供井下工作人員的實時位置狀態(tài)信息，提高了礦井生產(chǎn)管理與防災(zāi)救援的效益，現(xiàn)已引起礦井生產(chǎn)管理部門以及相關(guān)科研單位的廣泛重視。
同時，無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)因其非接觸、實時、抗干擾能力強等技術(shù)優(yōu)勢，已有相關(guān)單位及技術(shù)研究人員嘗試將其與礦井人員定位系統(tǒng)相結(jié)合，以解決現(xiàn)階段人員定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)延時、非全局人員定位、數(shù)據(jù)傳輸效率低等缺點。劉志高等在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上提出并實現(xiàn)了一種巷道全局定位系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運行的可靠性；王瑞鋒等在LANDMARC定位算法的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)自適應(yīng)的LANDMARC k-鄰算法，將巷道人員定位誤差控制在了2.5 m范圍以內(nèi)，顯著提高了人員定位精度；張志榮等將碰撞算法引入到了人員定位系統(tǒng)之中，為系統(tǒng)定位過程中的信息碰撞問題提供了解決方案；張治斌等利用ZigBee技術(shù)，提出了基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心人員定位優(yōu)化算法，提高了系統(tǒng)定位精度；孟祥瑞等將三維可視化與無線傳輸技術(shù)應(yīng)用到了人員定位系統(tǒng)之中，改善了人機交互的操作體驗；劉書倫等結(jié)合超帶寬技術(shù)，增大了人員定位信號的傳輸距離。
但以上研究方法多集中于無線傳感器硬件改造升級及局部人員定位之中，倘若應(yīng)用在整個巷道網(wǎng)絡(luò)之中，主要存在以下幾個問題：首先，隨著礦機的開拓回采，礦井巷道網(wǎng)絡(luò)長達幾千米或數(shù)十千米。而基于Zig-Bee和RFID無線傳輸技術(shù)的人員定位系統(tǒng)，單節(jié)點有限定位距離僅為幾十米，倘若構(gòu)建整個礦井全局人員定位系統(tǒng)定位成本較高。同時，由于煤礦井下多塵、潮濕、矸石冒落等復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，即使通過布置大量節(jié)點構(gòu)建出了全礦井人員定位系統(tǒng)，也有可能因為外部環(huán)境的不確定因素造成部分定位盲區(qū)。再者，現(xiàn)階段的人員定位算法也多集中于二維平面的算法優(yōu)化研究，難以提供井下工作人員的空間三維地理位置信息。
綜合以上因素分析，現(xiàn)階段礦井人員定位系統(tǒng)在全局人員定位與真三維實時人員定位技術(shù)之上尚未開展廣泛研究。為此，本文提供了一種基于802.11n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與真三維人員定位算法優(yōu)化的礦井人員定位技術(shù)。首先，利用防爆光纖交換機，將局部人員定位無線傳感器收集到的人員定位信息傳輸?shù)蕉ㄎ粩?shù)據(jù)庫之中，緊接著，利用先進的全局人員定位估算方法與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實時估算出井下工作人員的空間三維地理位置信息。顯著提升了礦井智能化生產(chǎn)管理水平，進而解決了現(xiàn)階段礦井人員定位系統(tǒng)安裝成本高、定位精度低、操作體驗差以及無法實時提供待測礦井工作人員空間三維位置狀態(tài)信息等缺點。
1 實現(xiàn)全局人員定位系統(tǒng)的基本問題
如何在滿足定位精度、巷道盲區(qū)人員定位與實時定位信息傳輸?shù)那疤嵯�，盡可能的提高待測礦井工作人員的定位精度，降低單個移動節(jié)點的定位時間以及降低系統(tǒng)設(shè)備研發(fā)成本是當前礦井全局人員定位系統(tǒng)研究的主要問題，具體可以歸納為以下幾個部分：
1)礦井人員定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，包括井下帶巷道盲區(qū)的全局人員定位系統(tǒng)的設(shè)計分析、可行性分析、技術(shù)方針選擇以及可能面臨的技術(shù)管理問題以及解決方案。
2)全局人員定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型構(gòu)建，包括礦井的巷道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型、人員數(shù)據(jù)信息模型以及移動人員的位置估算數(shù)據(jù)模型。如何簡化礦井巷道、待測人員的數(shù)據(jù)模型，進而滿足礦井人員定位系統(tǒng)高精度、實時定位的數(shù)據(jù)信息處理需要是當前數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的主要問題。
3)礦井定位以太環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲優(yōu)化布置，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，主要研究如何節(jié)省系統(tǒng)軟硬件產(chǎn)品的投入成本，包括設(shè)計主要工作環(huán)網(wǎng)、局部環(huán)網(wǎng)與無線人員定位分站的分布問題。
4)系統(tǒng)人員定位算法，包括有局部人員的定位算法和盲區(qū)的人員位置估算算法。選擇怎樣的人員定位算法關(guān)系到待測人員的定位精度問題，現(xiàn)階段全局人員定位系統(tǒng)人員定位算法的研究主要集中在，如何實現(xiàn)待測人員位置信息的精準判定及盲區(qū)人員位置預(yù)估。
2 系統(tǒng)建模與技術(shù)分析
2.1 礦井巷道網(wǎng)絡(luò)
為了簡化系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)流程，提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，如圖1所示，根據(jù)煤礦井下巷道網(wǎng)絡(luò)的實際分布情況，本文進行了如下定義：
1)水平：在礦井回采過程中，同一回采煤層形成的空間地理集合稱為一個水平，根據(jù)礦井煤炭的實際埋深不同，本文由上及下依次將礦井定義為Levell、Leve12……Level n等多個水平。
2)結(jié)點：礦井巷道網(wǎng)絡(luò)弧段的端點或兩兩巷道的交叉點稱之為結(jié)點，在礦井巷道網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點可以用來表示為礦井同一空間水平巷道之間的交點或水平巷道與上下山之間的交點等，本文用Nodel、Node2……Node n來表示。
3)節(jié)點：在巷道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，存在兩兩巷道或多個巷道交叉的情況，當一個交叉點有且僅有兩個巷道弧段構(gòu)成時，稱該交叉點為節(jié)點，本文用Pointl、Point2……Point n來表示。
4)弧段：在礦井巷道網(wǎng)絡(luò)中，兩個結(jié)點／節(jié)點之間的巷道稱為弧段。在礦井中，弧段是構(gòu)成巷道網(wǎng)絡(luò)的基本元素，本文用Arcl、Arc2-- ...Arcn來表示弧段。
2.2 全局定位系統(tǒng)建模
在礦井生產(chǎn)回采過程中，根據(jù)煤層的賦存結(jié)構(gòu)特點，礦井多采用分層的生產(chǎn)開拓方式進行煤炭回采。同時，多水平之間，又通過上下山來連接貫通，就構(gòu)成了礦井多水平，空間立體交互式的巷道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)�；谝陨咸攸c，采用單一水平的巷道網(wǎng)絡(luò)建模難以涵蓋全礦井所有的巷道網(wǎng)絡(luò)信息，不能夠滿足礦井全局人員定位的需求。另外，現(xiàn)階段礦井人員定位系統(tǒng)的建模主要集中在礦山地球地理信息系統(tǒng)( MineGIS)、巷道空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和巷道數(shù)據(jù)模型的研究上，注重礦井巷道網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。而在礦井的實際生產(chǎn)過程中，巷道網(wǎng)絡(luò)是一個復(fù)雜的三維立體空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且隨著煤炭的回采，其結(jié)構(gòu)也在不斷的發(fā)生改變，如何結(jié)合已測定的巷道網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，實時更新不斷變化的巷道網(wǎng)絡(luò)模型，是巷道網(wǎng)絡(luò)模型建模研究的關(guān)鍵問題。
2.2.1 巷道網(wǎng)絡(luò)模型
在巷道網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建過程中，本文用一個帶權(quán)向量集S={N，E，V}表示，其中N用以表示巷道網(wǎng)絡(luò)中的頂點集合，包括結(jié)點和節(jié)點；E用以表示巷道網(wǎng)絡(luò)中的邊集合，包括弧段、弧長和上下山；v用以表示定位過程中，巷道網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)邊所對應(yīng)的權(quán)重，由正實數(shù)集合表示。在人員定位過程中，待測人員的位置信息位于巷道網(wǎng)絡(luò)的邊e上，其中eeE，單個工作人員的位置結(jié)點用M={m．。，m，，m，，m：}表示，其中m。為工作人員位置標識，m，，m，，m：為待定位人員在巷道網(wǎng)絡(luò)中的空間幾何位置坐標信息。
地面定位服務(wù)器通過調(diào)用巷道弧段表、節(jié)點表、結(jié)點表和水平幾張巷道數(shù)據(jù)信息表，構(gòu)建成為一個空間三維巷道網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，其中巷道網(wǎng)絡(luò)模型變量的數(shù)據(jù)如表1所示。
2.2.2 人員測定網(wǎng)絡(luò)模型
人員測定網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)定位過程中，根據(jù)人員定位需要而設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)模型，由網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點和移動節(jié)點幾部分組成，用D=lG，R，B}表示，其中G={Gid,，Gid：，…，Gid。}用以表示定位系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)集合；R={Rid,，Rid，…，Rid。}用以表示定位系統(tǒng)內(nèi)所有參考節(jié)點的電子數(shù)據(jù)信息集合；H={ Bid,，Bid：，…，Bid。}用以表示定位系統(tǒng)中待測的移動節(jié)點信息。
在人員測定網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建過程中，將定位網(wǎng)關(guān)G布置在巷道網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點N上，參考節(jié)點R分布于網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的巷道網(wǎng)絡(luò)中，地面人員定位服務(wù)器通過調(diào)用網(wǎng)關(guān)表、參考節(jié)點表和移動節(jié)點表構(gòu)建人員測定網(wǎng)絡(luò)，其中網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點和移動節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。
2.2.3 人員信息數(shù)據(jù)模型
為了更好的滿足礦井的人員定位需求，全局人員定位系統(tǒng)建模除了對礦井的所有巷道網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建以外，還需對井下人員測定的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型和待測礦井人員數(shù)據(jù)信息模型進行構(gòu)建，并使三者通過邏輯模型、數(shù)理模型等有機的結(jié)合起來。本文在全局人員定位系統(tǒng)模型的構(gòu)建過程中，根據(jù)礦井全局人員定位的需求，依次構(gòu)建出全局巷道網(wǎng)絡(luò)模型、人員測定網(wǎng)絡(luò)模型和人員信息數(shù)據(jù)模型，并通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系實現(xiàn)三者的有機結(jié)合，實現(xiàn)了多層次、多目標、實時定位更新的全局人員定位系統(tǒng)模型。
2.3基于加權(quán)質(zhì)心的三維人員定位算法
現(xiàn)階段，礦井人員定位系統(tǒng)多采用RSSI( ReceivedSignal Strength Indication)基于接收信號強度的人員定位技術(shù)進行井下工作人員定位，但由于煤礦井下潮濕、多塵、巷道狹長以及礦車行人與氣流擾動等復(fù)雜的工作環(huán)境，往往造成即使在同一位置，相同距離的情況下，在不同的時刻卻測出不同的RSSI值，定位效果不甚令人滿意。為了解決以上問題，提高礦井工作人員的定位精度，本文在RSSI工作人員定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了加權(quán)質(zhì)心人員定位算法。
2.3.1 定位路徑的信號衰落指數(shù)
定位路徑信號衰落指數(shù)是指：無線信號在傳輸?shù)倪^程中，隨著傳播距離的增加信號不斷衰減的指數(shù)。在礦井人員定位過程中，隨著巷道的開拓延伸，依據(jù)礦井巷道的開拓設(shè)計圖紙，在巷道內(nèi)部均勻懸掛定位參考節(jié)點。由于定位參考節(jié)點位置已知，可通過定時測量相鄰參考節(jié)點RSSI值的信號強度，來計算出當前測試環(huán)境下的定位路徑信號衰落指數(shù)。
如圖2(a)所示，參考節(jié)點0．接收臨近一跳范圍內(nèi)參考節(jié)點0：，O，的RSSI值，根據(jù)RSSI定位技術(shù)原理有：
式中，RSSI，：，RSSI，，分別為參考節(jié)點0．到O：、D，之間的RSSI值，d．：、d，，分別為參考節(jié)點0，到0：、0，之間的實際距離，A為信號傳播1 m后的實際損耗，n為信號傳播路徑衰減指數(shù)，反應(yīng)無線信號受實際定位環(huán)境的影響因素，其取值范圍一般為2~5�；喪�(1)可得：
由式(2)可知，在計算信號衰落指數(shù)n時，僅與RS-SI．。、RSSI，，、d．：和d．，有關(guān)，與單位距離傳播損耗A沒有關(guān)系。在礦井定位過程中，由于參考節(jié)點位置坐標已知，則可通過參考節(jié)點之間的相互通信來得出實際環(huán)境中的衰落指數(shù)n值，進而提升了系統(tǒng)的適應(yīng)能力，提高了定位精度。
2.3.2基于加權(quán)質(zhì)心的人員定位算法
在礦井人員定位過程中，可以通過測算移動節(jié)點和最近3個參考節(jié)點的距離來確定移動節(jié)點的空間地理坐標。如圖2(b)所示，假若參考節(jié)點0．接收到了移動節(jié)點M反饋過來的信號，則說明M在以O(shè)．為球心，d．為半徑的球上，同理M也分別在以0：O，為球心d：d，為半徑的球上，由式(1)可得：
假設(shè)a、b分別為d1與d2、d3的比值，則有：
由空間坐標系中3點與距離之間的位置關(guān)系可求出移動節(jié)點M的坐標為：
然而受井下復(fù)雜多變等因素影響，利用RSSI信號強度進行人員定位時會有一定的誤差，3個球體并沒有交于一點，而是形成如圖2(c)所示的空間立體陰影區(qū)域。對此，提出加權(quán)因子k可實現(xiàn)定位結(jié)果的修訂，代入加權(quán)因子k，可得到移動節(jié)點M的真實坐標為：
在礦井實際定位過程中，通過不斷調(diào)整加權(quán)因子k的值，可實現(xiàn)較好的人員定位效果。
2.4 盲區(qū)人員定位
由于系統(tǒng)硬件成本及井下巷道布置等因素，在定位過程中，煤礦巷道網(wǎng)絡(luò)一般存在有部分定位盲區(qū)，當工作人員進入到該盲區(qū)中時，無法通過局部人員定位算法實現(xiàn)當前待定位人員的位置坐標，必須結(jié)合巷道的數(shù)學模型、待定位人員行走速度、移動軌跡等歷史信息，通過構(gòu)建定位盲區(qū)的位置估算方法，對待定位人員進行位置估算。在定位系統(tǒng)中，假設(shè)移動節(jié)點信息由{i。，t，x，y，z，v，9}幾部分組成，其中i。為巷道弧度標識，t為系統(tǒng)更新時間，（x，y，z）為移動節(jié)點的空間位置坐標，”為節(jié)點移動速度，口為當前移動節(jié)點的行走方向，且OE{0，1}，當移動節(jié)點’由弧段起點走向終點時p值取1，反之為0。另外，為提高系統(tǒng)的運行效率，設(shè)盲區(qū)內(nèi)節(jié)點的移動速度v保持不變。
3 系統(tǒng)平臺開發(fā)設(shè)計
考慮到礦井人員定位系統(tǒng)的實際使用環(huán)境，本文設(shè)計了基于802.11n無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的人員定位系統(tǒng)，主要由地面監(jiān)控管理平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)器、工業(yè)光纖冗余環(huán)網(wǎng)、分站、參考節(jié)點和煤礦從業(yè)人員身上攜帶的移動節(jié)點幾部分組成。
如圖3所示為礦井人員定位系統(tǒng)的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)圖，按照系統(tǒng)功能特點大體可以分為現(xiàn)場設(shè)備管理層、系統(tǒng)運行監(jiān)控層和地面監(jiān)控管理層。其中現(xiàn)場設(shè)備管理層主要由人員定位分站、參考節(jié)點、移動節(jié)點和局部光纖子環(huán)網(wǎng)等幾部分組成，移動節(jié)點通過接受參考節(jié)點的無線傳輸信號，不斷計算自己的位置信息，通過多級跳方式將信息傳輸?shù)蕉ㄎ环终�，定位分站通過RS - 485總線將定位信息傳輸?shù)较到y(tǒng)運行監(jiān)控層的工業(yè)光纖冗余環(huán)網(wǎng)內(nèi)，進而通過CAN現(xiàn)場總線傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控管理層的數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)。地面管理層的數(shù)據(jù)服務(wù)器、定位終端、打印機、AP等通過遵循TCP/IP協(xié)議的Intranet以太局域網(wǎng)進行連接。上級網(wǎng)絡(luò)通過路由器防火墻連接到Web服務(wù)器，進而通過瀏覽器實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)及人員定位信息的查詢。
3.1 現(xiàn)場人員定位設(shè)備
如上所述，人員定位設(shè)備對人員定位信息不進行運算顯示處理，直接通過工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)將其傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控管理層內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)參與運算，功能相對簡單，下面主要對人員定位分站、參考節(jié)點和移動節(jié)點進行分析說明。
1)人員定位分站：為礦井人員定位系統(tǒng)的基本定位單元中心，具有定位數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示及信息通訊等功能，該產(chǎn)品利用802.11n無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對井下移動或靜止目標進行非接觸式數(shù)據(jù)信息采集。
2)參考節(jié)點集成在人員定位分站的無線信號發(fā)射終端之上由井下礦用電源直接供電，在系統(tǒng)定位過程中通過提供自己的x、y、z空間地理坐標信息參與定位運算，參考節(jié)點無線信號收發(fā)模塊選用E34 - TTL - 100芯片，工作電壓2.3~5.5 V，支持802.11n無線網(wǎng)絡(luò)標準的2. 4Chz傳輸頻率，無線傳輸距離最高可達2 100 m，其硬件實物如圖4(a)所示。
3)移動節(jié)點，主要實現(xiàn)對井下移動或靜止目標的實時地理位置運算，它能夠在無線傳輸信號的一跳范圍內(nèi)通過2. 4Ghz頻率的無線網(wǎng)絡(luò)與參考節(jié)點相連，并收集參考節(jié)點的x，y，z地理信息坐標與RSSI值，同時，結(jié)合單位距離傳播損耗A和信號衰落指數(shù)n，不斷計算其位置坐標信息。節(jié)點無線信號收發(fā)模塊采用NRF24L01作為主芯片，集成了SchockBurst TM模式控制器、功率放大器和頻率發(fā)生器，可實現(xiàn)2 Mbps的無線數(shù)據(jù)信號傳輸，其硬件實物如圖4(b)所示。
3.2 系統(tǒng)運行監(jiān)控設(shè)備
系統(tǒng)運行監(jiān)控層主要由工業(yè)光纖冗余環(huán)網(wǎng)組成，采用TC P/IP協(xié)議技術(shù)作為系統(tǒng)信息傳輸?shù)募夹g(shù)標準，為了實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)的冗余和自愈性特點，本文采用環(huán)形和星形的網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計結(jié)構(gòu)，其中環(huán)網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)選用1 000 M的環(huán)形布局，子網(wǎng)選用100 M的星形結(jié)構(gòu)布局，并通過赫斯曼工業(yè)級環(huán)網(wǎng)交換機實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)間的聚合技術(shù)和耦合技術(shù)。
3.3 地面監(jiān)控管理平臺
地面監(jiān)控管理平臺主要由服務(wù)器、終端、工業(yè)電視、繪圖儀、UPS電源、AP和上級網(wǎng)絡(luò)等幾部分組成，并通過兩臺赫斯曼交換機實現(xiàn)與井下光纖冗余環(huán)網(wǎng)的互聯(lián)互通。系統(tǒng)工作過程中，數(shù)據(jù)服務(wù)器將通過環(huán)網(wǎng)接收到的局部定位信息數(shù)據(jù)包，通過信息處理及運算轉(zhuǎn)化為礦井全局位置坐標信息。定位終端或上級網(wǎng)絡(luò)可通過In-tranet工業(yè)以太網(wǎng)實時查詢工作人員的位置坐標信息及井下交換機、分站、傳感器等工作狀態(tài)，提高了礦井數(shù)字信息化管理水平。
4 實驗測試及效果檢驗
4.1 實驗測試
在礦井實驗測試環(huán)境中（如圖5所示），進行定位系統(tǒng)的實驗測試，測試系統(tǒng)由1個移動節(jié)點、5個參考節(jié)點、1個定位分站、數(shù)據(jù)服務(wù)器和定位終端組成（數(shù)據(jù)服務(wù)器及定位終端為1臺IBM X3650 M4服務(wù)器，其操作系統(tǒng)為Windows Server 2008，SQL Server 2008 R2數(shù)據(jù)庫，Intel Xeon E5 - 2650 2.OGHZ處理器、8GB內(nèi)存，4塊300GB硬盤），定位終端通過超五類屏蔽雙絞線與定位分站相連。
礦井巷道斷面為半圓拱型測試環(huán)境，平均溫度為13.1℃，相對濕度為83% RH，絕對壓強為867.5 hPa，巷道寬度為5.3 m，高為3.9 m。以巷道的左下角入口為原點建立坐標系如圖5(a)所示，5個參考節(jié)點均勻分布在巷道內(nèi)，其坐標分別為：(0，5.2，1.8)、(8.5，0.1，1.8)、(21.0,6.0,3.7)、(33.0,0.1,1.8)、( 29.5,20.8,1.8)，移動節(jié)點在測試環(huán)境中不斷的移動。
4.2 實驗結(jié)果分析
在系統(tǒng)定位實驗測試過程中，根據(jù)測試環(huán)境的具體情況，測定1m信號實際損耗值為46，信號傳播路徑衰減指數(shù)n為3. 94，然后將加權(quán)因子k從0.8—1.2變化，對各個選定測樣點進行位置定位測試，具體定位效果如表4所示。
表1中的平均誤差定義為：
式中：E表示平均誤差，m表示測試點數(shù)量，E。．為測試點誤差。根據(jù)表l中實驗結(jié)果可以得出，系統(tǒng)定位精度隨著加權(quán)因子k的變化而不斷改變，當k取1.1時，平均定位誤差最小為1. 15 m，與礦上現(xiàn)階段使用的KJ69J型礦用人員定位管理系統(tǒng)相比，定位精度由4m以內(nèi)提高為2m以內(nèi)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率由1 200 bit/s提高到了2 Mbp/s，單位監(jiān)控分站有效接收半徑由400m提高到了1 000 m以上，顯著的降低了礦用人員定位系統(tǒng)使用成本。
5 結(jié)論
針對現(xiàn)階段礦井人員定位精度低、成本高、可靠性差等缺點，提出并實現(xiàn)了一種基于802.11n無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全局人員定位技術(shù)，改進并設(shè)計了一種基于加權(quán)質(zhì)心因子的人員定位算法，提高了系統(tǒng)定位精度。最后，以樓道測試環(huán)境為例對加權(quán)因子k對定位精度的影響進行了對比測試，實驗結(jié)果表明，在根據(jù)實驗環(huán)境確定A =46，n=3.94的情況下，當k=1.1時，測試位置誤差最小，平均誤差僅為1. 15 m，較好的滿足了井下工作人員的定位需求。
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