井下高容災(zāi)度的監(jiān)測定位及人員求助系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種井下監(jiān)測及定位技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無 線通信領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是煤炭開采的大國，煤炭是我國的重要能源，也是經(jīng)濟發(fā)展的重要保障，我國 約70%的能源消耗來自煤炭。由于井下自然環(huán)境多變，空間相對狹小，所以煤礦事故頻發(fā)， 極易造成人員的傷亡和財產(chǎn)的巨大損失。對人員位置的掌握成為煤炭安全開采的首要保 證，一旦發(fā)生事故，地面人員及時動態(tài)掌握井下人員的位置，為有效率的搶險救災(zāi)提供主要 信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是具有感知、計算和通信能力的微型傳感器以自組織方式形成的無 線網(wǎng)絡(luò)，部署相對靈活，覆蓋面廣，能有效地提供事件及節(jié)點的位置信息，特別適合應(yīng)用于 井下人員的定位。
[0003] 在煤礦生產(chǎn)中瓦斯爆炸事故造成的破壞是最大的，所以瓦斯含量的監(jiān)測是安全生 產(chǎn)的必要保證，針對我國的開采環(huán)境，瓦斯監(jiān)測主要是對空氣中甲烷含量的檢測。目前使用 的便攜式的甲烷檢測儀存在以下不足之處:檢測到的數(shù)據(jù)無法及時的上傳到監(jiān)控終端，導(dǎo) 致無法獲得實時數(shù)據(jù)；由于井下空間相對狹窄，定位節(jié)點的布置受到局限，檢測儀無法獲得 準(zhǔn)確的位置信息。
[0004] 煤礦井下是一個特殊的受限環(huán)境，巷道組成長短不一，有的長度可達幾十到上百 公里，寬度則只有幾米，一維或二位的定位就可以滿足這種近似線性特征的結(jié)構(gòu)。煤礦井下 煤巖動力變化過程存在著復(fù)雜的電磁環(huán)境，大量的變頻設(shè)備和大功率機電設(shè)備造成嚴(yán)重的 電磁干擾，無線信號在巷道內(nèi)傳輸存在著大量的反射、散射、衍射以及透射等現(xiàn)象。所以復(fù) 雜的電磁環(huán)境對無線通信造成不可避免的干擾。
[0005] 目前常用的定位方法是基于測距的，如到達角度定位(Α0Α)，接收信號強度定位法 (RSSI)，到達時間定位(Τ0Α)，到達時間差定位(TD0A)。目前主要使用RSSI，是接收機通過測 量射頻信號的能量來確定與發(fā)送機之間的距離，其中路徑衰落指數(shù)是主要的參數(shù)，并且與 特定的環(huán)境相關(guān)，由于RSSI指示已經(jīng)是傳感器節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)的功能，所以該方法被廣泛的使 用。但是依上述的井下電磁環(huán)境，路徑衰落指數(shù)變化比較大，如果依靠已經(jīng)建立的模型計算 會造成較大的誤差。
[0006] 非測距的方法是不需要測量節(jié)點之間距離的，利用網(wǎng)絡(luò)的連通性信息來計算節(jié)點 的位置，可以不受測距誤差的影響，并且對通信的要求比較低，降低節(jié)點的硬件成本和能 耗。井下環(huán)境多為隧道組成的線狀環(huán)境，要求我們能較快的確定人員的全局坐標(biāo)即可。本發(fā) 明提出通過在巷道側(cè)壁上等間距的布置錨節(jié)點設(shè)備，形成定位矩形區(qū)域，然后在矩形區(qū)內(nèi) 根據(jù)RSSI值再次劃分區(qū)域縮小定位范圍，然后由錨節(jié)點設(shè)備的坐標(biāo)實現(xiàn)定位，某些錨節(jié)點 設(shè)備因突發(fā)事故被破壞或其他因素導(dǎo)致失效后，通過其他錨節(jié)點設(shè)備的協(xié)同合作也可以完 成通信和定位，提高系統(tǒng)容災(zāi)度。
[0007] 我國的井下工作人員的在井下的工作時間一般維持在8小時左右，由于技術(shù)方面 的限制導(dǎo)致自動化程度不高，很多的工作需要手動完成，對人員的體力消耗比較大，加之井 下與井上環(huán)境迥異，對工作人員的身體，尤其是一些新員工會造成不可避免的影響。目前， 井下監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計大部分的功能是實現(xiàn)井上對井下人員、生產(chǎn)、環(huán)境等方面信息的 采集和控制，而井下人員的求助和對緊急時間的判斷無法及時上傳，所以本發(fā)明加入了人 員求助功能，有利于針對井下人員的突發(fā)事件做出快速的反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供一種煤礦井下高容災(zāi)度的監(jiān)測定位及人員求助系統(tǒng)，可以實時的檢測 井下任意位置的甲烷濃度和環(huán)境溫度;及時的掌握人員的位置信息；如果井下工作人員的 身體不適或發(fā)現(xiàn)意外情況，能發(fā)出報警信息向同事求助，同時告知井上監(jiān)控終端及時處理。 以上功能的實現(xiàn)以定位系統(tǒng)的完整性為基礎(chǔ)。
[0009] 所述系統(tǒng)主要包括:監(jiān)控終端、調(diào)度臺、定位服務(wù)器、存儲服務(wù)器、交換機和無線傳 感器網(wǎng)絡(luò);其特征在于:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括錨節(jié)點設(shè)備和目標(biāo)節(jié)點設(shè)備;錨節(jié)點設(shè)備包 括:處理器、電源、備用電池、LED燈、防爆外殼；目標(biāo)節(jié)點設(shè)備由井下人員攜帶，包括：處理 器、蜂鳴器、電源模塊、甲烷含量檢測裝置、按鍵、震動馬達、溫度傳感器;隧道口的錨節(jié)點設(shè) 備充當(dāng)匯聚節(jié)點通過光纖連接交換機和服務(wù)器;錨節(jié)點設(shè)備等間距的交錯布置在巷道的兩 偵L對面的錨節(jié)點設(shè)備與另一側(cè)相距最近的錨節(jié)點設(shè)備的連線垂直與巷道，巷道同側(cè)的錨 節(jié)點設(shè)備之間的距離均為d，通信距離為R，巷道的寬度為h，錨節(jié)點設(shè)備的布置需要滿足以 下條利
；目標(biāo)節(jié)點設(shè)備比較接收到的不同錨節(jié)點設(shè)備RSSI值，縮 小人員所在范圍，錨節(jié)點設(shè)備作為參考點實現(xiàn)定位;錨節(jié)點設(shè)備的連線將巷道劃分為多個 矩形區(qū)域，當(dāng)任意矩形區(qū)域的任意一個或巷道同側(cè)和對角位置的兩個錨節(jié)點設(shè)備失效時， 其余的相鄰健康錨節(jié)點設(shè)備相互處于對方的通信半徑內(nèi)，維持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常接 續(xù)，滿足整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信和定位需求。
[0010] 所述系統(tǒng)進一步包括:每個巷道以匯聚節(jié)點為原點(0,0)建立坐標(biāo);在每個矩形區(qū) 域內(nèi)確定對角線交點的坐標(biāo)W(Xw，Y?〇,測量目標(biāo)節(jié)點設(shè)備在(Xw，Y?〇位置接收到的四個錨節(jié) 點設(shè)備如A(Xa，Ya)，B(Xb，Yb)，C(X C，YC)，D(Xd，Yd)發(fā)射信號的RSSI值，三個RSSI值的算數(shù)平均 值作為標(biāo)定值Q;定位時，設(shè)目標(biāo)節(jié)點設(shè)備檢測到的錨節(jié)點設(shè)備A的RSSI值經(jīng)高斯濾波為Qa， 計算過程如下：
[0011] 設(shè)接收同一錨節(jié)點設(shè)備的RSSI值服從Ν(μ，δ2)高斯分布，其概率密度為：
[0012]
[0013]其 4
'是 時間t內(nèi)目標(biāo)節(jié)點設(shè)備接收到錨節(jié)點設(shè)備Α信號的RSSI值集合，t是經(jīng)現(xiàn)場測定或人為設(shè)定 的，區(qū)間（μΚ RSSIk《y + S)是高概率區(qū)間，將在此區(qū)間的RSSI值進行均值濾波， 得到的值作為Qa，同理可以計算得到Qb，Qc，Qd， ? - κ=ι
設(shè)人員的坐標(biāo)為(X，Y)。首先矩形中的錨節(jié)點設(shè)備感知到目標(biāo)節(jié)點設(shè)備后，根據(jù)最佳矩形內(nèi) 點測試法PIR(perfect point-in-rectangle)，判斷是否在矩形區(qū)域內(nèi)，如在矩形區(qū)域內(nèi)進 行定位。
[0014] 定位過程如下：
[0015] 由以下公式計算Qa，Qb，QC，Qd與標(biāo)定值Q的均方偏差：
[0016]
[0017] D與區(qū)分值F比較，F(xiàn)是經(jīng)現(xiàn)場測定或人為設(shè)定的，若D < F，則人員的坐標(biāo)(X，Y):
[0018]
[0019 ]若〇 > F，對Qa，Qb，Qe，Qd比較排序，確定最大的兩個RSSI值對應(yīng)的錨節(jié)點設(shè)備，共分 為四種情況，根據(jù)目標(biāo)節(jié)點設(shè)備所在不同的四個三角形區(qū)域，依次對應(yīng)以下四組公式計算 坐標(biāo)(X，Y):
[0020] 第一種狀態(tài)，Qa，Qb值最大，錨節(jié)點設(shè)備在三角形AABW區(qū)域內(nèi)：
[0021]
[0022]第二種狀態(tài)，Qb，QC值最大，錨節(jié)點設(shè)備在三角形ABCW區(qū)域內(nèi)；
[0023]
[0024]第三種狀態(tài)，Qc，Qd值最大，錨節(jié)點設(shè)備在三角形Λ CDW區(qū)域內(nèi)；
[0025]
[0026] 第四種狀態(tài)，QA，QD值最大，錨節(jié)點設(shè)備在三角形AADW區(qū)域內(nèi)；
[0027]
[0028]所述系統(tǒng)進一步包括:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備正常情況下，巷道的所有區(qū)域同時 被4個錨節(jié)點設(shè)備通信覆蓋，提高系統(tǒng)的容災(zāi)度和定位精度;錨節(jié)點設(shè)備的連線將巷道劃分 為多個矩形區(qū)域，任意矩形區(qū)域的任意一個或巷道同側(cè)和對角位置的兩個錨節(jié)點設(shè)備失效 時，其余的健康錨節(jié)點設(shè)備保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正常接續(xù)，為巷道內(nèi)的后續(xù)錨節(jié)點設(shè)備 提供路由。
[0029]所述系統(tǒng)進一步包括:錨節(jié)點設(shè)備的連線將巷道劃分為多個矩形區(qū)域，任意矩形 區(qū)域的任意一個或巷道同側(cè)和對角位置的兩個錨節(jié)點設(shè)備失效時，接收健康錨節(jié)點設(shè)備的 RSSI值與標(biāo)定值Q進行大小比較，在矩形區(qū)域內(nèi)進一步縮小人員所在范圍，根據(jù)錨節(jié)點設(shè)備 和對角線交點的坐標(biāo)，仍可以完成人員定位。
[0030] 所述系統(tǒng)進一步包括:錨節(jié)點設(shè)備之間通過無線網(wǎng)絡(luò)交互信息，具有相同的信號 發(fā)射功率;匯聚節(jié)點連接骨干網(wǎng)和巷道內(nèi)的錨節(jié)點設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。
[0031] 所述系統(tǒng)進一步包括：目標(biāo)節(jié)點設(shè)備與井上存儲服務(wù)器、定位服務(wù)器及監(jiān)控終端 之間通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和交換機連接，實現(xiàn)雙向通信。
[0032] 所述系統(tǒng)進一步包括:該系統(tǒng)中目標(biāo)節(jié)點設(shè)備采集溫度及甲烷檢測數(shù)據(jù)，實時上 傳到存儲服務(wù)器。
[0033] 所述系統(tǒng)進一步包括：當(dāng)目標(biāo)節(jié)點設(shè)備的甲烷檢測裝置和溫度傳感器檢測到甲烷 含量或溫度異常時，處理器控制蜂鳴器發(fā)出報警聲，同時震動馬達工作，將包含溫度或甲烷 含量的檢測值和報