專利名稱：一種井下人員定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及煤礦井下安全監(jiān)控領(lǐng)域，具體的說是涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤炭是我國的主要能源，但多年以來，煤礦井下的工作環(huán)境惡劣，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，一直存在著各種有害氣體及不明水體逸出等災(zāi)難隱患，并且，我國的開采技術(shù)相對落后，井下生產(chǎn)人員素質(zhì)較低，導(dǎo)致各種礦井的惡性事故不斷發(fā)生，井下工作人員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們在井下布設(shè)了多種探測系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，以便獲知井下工作人員的位置，方便在發(fā)生礦難時(shí)及時(shí)開展救援工作以及日常生產(chǎn)中的管理調(diào)度。 為實(shí)現(xiàn)井下人員的定位，中國專利申請01122258. I公開了一種井下人員智能定位安全管理系統(tǒng)，它由電子識(shí)別卡、巷道詢問接收裝置和管理調(diào)度中心構(gòu)成。井下工作人員佩戴電子識(shí)別卡，識(shí)別卡寫入員工的電子編號，由礦燈電瓶供電，當(dāng)識(shí)別卡收到巷道詢問接收裝置的詢問信號后，應(yīng)答發(fā)射井下工作人員的編號信號，巷道詢問接收裝置收到應(yīng)達(dá)的信號傳送給管理調(diào)度中心，管理調(diào)度中心記錄該信號和發(fā)生的時(shí)間。通過多點(diǎn)定位接收可以對井下工作人員進(jìn)行跟蹤定位，有利于調(diào)度指揮、安全監(jiān)督和人員的統(tǒng)計(jì)考勤，特別是可以在事故發(fā)生時(shí)為救援提供人員位置信息。但是該發(fā)明只能確定井下工作人員的位置在詢問裝置的接收范圍內(nèi)，而一般的井下無線通信距離都為幾十米的數(shù)量級，所以該定位系統(tǒng)的定位精度也是幾十米的數(shù)量級，定位精度很低。另一方面，如果想要提高精度就必須增大詢問裝置的布設(shè)密度，這樣會(huì)增加定位系統(tǒng)的成本。現(xiàn)有的井下定位系統(tǒng)大多是采用基于RFID (Radio Frequency Identification)射頻識(shí)別技術(shù)的定位系統(tǒng)，所用的方法也和上述專利類似，都存在定位精度不夠、精度受成本限制等問題
實(shí)用新型內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，特別是針對礦井定位技術(shù)定位精度不夠、精度受成本限制的問題，本實(shí)用新型提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高、成本低的井下人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合巷道空間的特點(diǎn)，利用有限的參考節(jié)點(diǎn)和簡單的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確的目標(biāo)定位，滿足了礦井生產(chǎn)調(diào)度和災(zāi)后及時(shí)救援的需要。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)，由地面監(jiān)控中心，傳輸基站，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，光纖，總線，無線信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。必須指出的是，在系統(tǒng)中涉及的井下設(shè)備全部是本質(zhì)安全型設(shè)備。無線信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)布設(shè)在巷道內(nèi)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線與傳輸基站相連，傳輸基站通過光纖與地面監(jiān)控中心相連。[0009]所述的地面監(jiān)控中心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器，或者是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)定位模式數(shù)據(jù)，并從基站接收從井下發(fā)來的定位信息，處理定位信息。所述的傳輸基站是交換機(jī)，負(fù)責(zé)匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線發(fā)過來的信息，并通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。所述的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源及總線模塊。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信息，并將其通過總線傳送到傳輸基站。所述的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)按區(qū)塊布設(shè)，每個(gè)區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)所在區(qū)塊編號和一個(gè)在本區(qū)塊內(nèi)獨(dú)有的自身編號；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位信息，定位信息包括 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)塊編號和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身編號。所述的每個(gè)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、顯示器、鍵盤、電源，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)已知位置從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收定位信息，生成包括自身位置坐標(biāo)、所在區(qū)塊編號、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身編號和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，并上傳至地面監(jiān)控中心，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，作為所述定位模式數(shù)據(jù)；所述的每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)也包括處理器、存儲(chǔ)器、無線接收發(fā)器、傳感器、電源，分配有一個(gè)獨(dú)有的編號，與井下工作人員的身份對應(yīng)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于井下人員的安全帽上，使用礦燈電瓶作輔助電源；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位請求信號，并對接收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信息進(jìn)行處理，生成包括所在區(qū)塊編號、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身編號和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，并上傳至地面監(jiān)控中心，與所述定位模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算，實(shí)現(xiàn)定位。所述的總線是CAN總線，或局域網(wǎng)總線，或RS-485總線。所述的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的傳感器、無線收發(fā)器，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)器、鍵盤和顯示器及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊與各節(jié)點(diǎn)中的處理器和存儲(chǔ)器單元相連；各節(jié)點(diǎn)中的無線收發(fā)器接收和發(fā)送無線電磁波；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的傳感器感知周圍環(huán)境的溫度、濕度、甲烷濃度信息，并用與定位數(shù)據(jù)相同的傳輸方式，將感知數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控中心；各節(jié)點(diǎn)中的處理器和存儲(chǔ)器單元存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)，并處理控制其它單元的運(yùn)行；訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的鍵盤輸入訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)所在的位置坐標(biāo)，顯示器顯示鍵入坐標(biāo)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊與總線相連；各節(jié)點(diǎn)中的電源提供電能。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于礦井的井下人員或者移動(dòng)設(shè)備的精確定位。雖然在訓(xùn)練階段生成數(shù)據(jù)庫需要一定的時(shí)間，但是為了達(dá)到高精度可靠的定位效果，這些時(shí)間是值得的，而且，數(shù)據(jù)庫的生成方式非常簡單，容易實(shí)現(xiàn)。并且，本實(shí)用新型還可以輕松的實(shí)現(xiàn)井下的人員調(diào)度、考勤監(jiān)督等。通過本實(shí)用新型，可有效的提高礦山的管理水平和工作效率。本實(shí)用新型的有益效果是I.本實(shí)用新型采用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)射定位請求信號，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)只有檢測到定位請求信號時(shí)才發(fā)射定位信號的方式，并且將區(qū)塊選擇和數(shù)據(jù)幀的形成及發(fā)送任務(wù)放在可以用礦燈電瓶供電的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，使用電池供電的無線信標(biāo)節(jié)點(diǎn)只需要在收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位請求信號時(shí)才發(fā)射電磁波信號，這樣可以大大延長信標(biāo)節(jié)點(diǎn)中電池的使用時(shí)間，進(jìn)而延長整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。2.本實(shí)用新型采用基于模式匹配的定位算法，以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度為計(jì)算參量，無須根據(jù)信號強(qiáng)度計(jì)算信號傳輸距離，一方面算法的復(fù)雜度低，可以減小計(jì)算帶來的時(shí)延，另一方面，定位確定到巷道內(nèi)各個(gè)地點(diǎn)的具體坐標(biāo)，相比于現(xiàn)在煤礦井下普遍使用的基于RFID (Radio Frequency Identification)射頻識(shí)別技術(shù),只能確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在某個(gè)讀卡器附近的定位方式，大大提高了定位的精度。3.本實(shí)用新型結(jié)合井下巷道的特點(diǎn)把井下巷道分成不同的區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊只需要鋪設(shè)很少的幾個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)高精度的定位，成本較?。徊⑶医Y(jié)構(gòu)功能簡單，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量還可以依據(jù)具體環(huán)境和定位精度要求靈活設(shè)定。

圖I是本實(shí)用新型的基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)的組成框圖；圖2是本實(shí)用新型的定位方法中訓(xùn)練階段巷道的俯視示意圖； 圖3是本實(shí)用新型的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式；圖4是本實(shí)用新型的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)向地面監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式；圖5是本實(shí)用新型的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向地面監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式；圖6是本實(shí)用新型的定位方法中定位階段巷道的俯視示意圖；圖7是本實(shí)用新型的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的電路框圖；圖8是本實(shí)用新型的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相同的電路框圖；圖9是本實(shí)用新型的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電路框圖。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型的技術(shù)方案、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
進(jìn)行進(jìn)一步說明。圖I是本實(shí)用新型的井下人員定位系統(tǒng)的組成框圖。如圖I所示，本實(shí)用新型是一種井下人員定位系統(tǒng)，包括地面監(jiān)控中心I、傳輸基站2、光纖3、總線4、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)5、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)6、訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)7和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)8。訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所處的位置是一樣的，而且在系統(tǒng)中是先后出現(xiàn)，而不是同時(shí)出現(xiàn)。井下人員定位的實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)階段一是訓(xùn)練階段，二是定位階段。在訓(xùn)練階段，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的鍵盤鍵入自己所在位置的坐標(biāo)，并接收坐標(biāo)位置所在區(qū)塊內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位信號，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位信號中包含其所在區(qū)塊的編號和自身編號，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊內(nèi)各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信號后，測出各個(gè)信號的信號強(qiáng)度，并將所在區(qū)塊編號，各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的自身編號，對應(yīng)的信號強(qiáng)度，及訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)所在的位置坐標(biāo)打成數(shù)據(jù)包發(fā)送到臨近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)包通過總線發(fā)送到傳輸基站，傳輸基站將收到的數(shù)據(jù)包通關(guān)光纖傳送到地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心收到數(shù)據(jù)包后，將其中包含的模式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中；在定位階段，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于井下工作人員的安全帽上，可以使用礦燈電瓶作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的輔助電源，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)著自身的特有編號，編號與人員的身份相對應(yīng)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性的向四周發(fā)送定位請求信號，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到信號后發(fā)送定位信號，定位信號內(nèi)包含的信息與上面所述的訓(xùn)練階段的信息一樣，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將收到的信號存儲(chǔ)，對收到的信號按照信號的強(qiáng)度排序，排出屬于同一個(gè)區(qū)塊的所有節(jié)點(diǎn)，說明移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處在這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)塊內(nèi)，并將其它節(jié)點(diǎn)信號拋棄，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將所在區(qū)塊編號、所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號及對應(yīng)的信號強(qiáng)度打成數(shù)據(jù)包發(fā)動(dòng)送到臨近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，如果收不到屬于同一區(qū)塊的所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號或者沒有收到預(yù)定數(shù)量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號，說明在節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)塊內(nèi)的某個(gè)或某些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)出了故障，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向地面監(jiān)控中心發(fā)送故障通知信號，以便及時(shí)排除故障，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過總線發(fā)送給傳輸基站，傳輸基站通過光纖發(fā)送給地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心將收到的數(shù)據(jù)包中的模式與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的在訓(xùn)練階段生成的各種模式進(jìn)行模式匹配計(jì)算，找到與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包中的模式最接近的模式，該模式所對應(yīng)的坐標(biāo)即定位為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在的坐標(biāo)。地面監(jiān)控中心可以是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器，或者是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。它擁有一個(gè)大型的數(shù)據(jù)庫，可以使用Microsoft SQL Server作為管理系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)訓(xùn)練階段由訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)生成的定位數(shù)據(jù)模式。在定位階段，控制臺(tái)負(fù)責(zé)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)7通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)5和傳輸基站2發(fā)送過來的數(shù)據(jù)模式與數(shù)據(jù)庫中的模式進(jìn)行匹配，找出與其最接近的一種模式，進(jìn)而得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的精確坐標(biāo)。模式匹配計(jì)算的具體實(shí)現(xiàn)方式如下訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)7發(fā)送到地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)模式數(shù)據(jù)用⑴表示，其中A為所屬區(qū)塊的編號，K[A, X<i1； r1； i2, r2, ···, in, rn>, L](I)X里包含該區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號in和對應(yīng)的信號強(qiáng)度rn，L為對應(yīng)的坐標(biāo)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)8發(fā)送到地面監(jiān)控中心的模式用(2)表示，其中，B為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身的編號，M[B, D, Y<i1； p1； i2, p2,…，in, pn>](2)D為所屬的區(qū)塊編號，Y里包含的內(nèi)容同上面敘述的X。模式匹配計(jì)算時(shí)，先根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)7發(fā)來的數(shù)據(jù)模式中的區(qū)塊編號，找到數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)區(qū)塊編號對應(yīng)的模式，然后進(jìn)行匹配計(jì)算，匹配計(jì)算如(3)所示，最終選擇最小的N，取其對應(yīng)模式中的坐標(biāo)，作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
_2] N = ^YjSrJ-Pj)2(3)圖2是本實(shí)用新型的定位算法中訓(xùn)練階段巷道的俯視示意圖。如圖2所示，假定4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)區(qū)塊，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)巷道的實(shí)際情況選擇區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，當(dāng)然，不同的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)對應(yīng)的模式中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量不同。圖中9為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，10為訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)都有自己的編號，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)已知自己所在位置的坐標(biāo)，接收該區(qū)塊內(nèi)四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號中包含其所在區(qū)塊的編號，自身的編號，其數(shù)據(jù)包的格式如圖3所示。訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號后，測得其到達(dá)時(shí)的信號強(qiáng)度，然后將所在區(qū)塊的編號、四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號、信號強(qiáng)度以及訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)所在的位置坐標(biāo)組裝成數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包的格式如圖4所示，發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)5，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)5通過總線4將數(shù)據(jù)包發(fā)送至傳輸基站2，傳輸基站2通過光纖3將數(shù)據(jù)包發(fā)送至地面監(jiān)控中心1，地面監(jiān)控中心I將其存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫中。圖3是本實(shí)用新型的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式。如圖3所示，因?yàn)椴煌瑓^(qū)塊內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號方式是一樣的，那么如果每個(gè)區(qū)塊用4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，總共需要4個(gè)編號，所以一個(gè)字節(jié)的空間足夠了，而一個(gè)大的礦井內(nèi)可以被分為很多個(gè)區(qū)塊，所以區(qū)塊編號用兩個(gè)字節(jié)來存儲(chǔ)。圖4是本實(shí)用新型的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)向地面監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式。如圖4所示，因?yàn)樵谀Ｊ狡ヅ鋾r(shí)，先判定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)屬于哪個(gè)區(qū)塊，再在本區(qū)塊內(nèi)進(jìn)行模式匹配，最后確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，所以數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)也是按照這個(gè)順序排列的。圖5是本實(shí)用新型的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向地面監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式。如圖5所示，其與圖4對比，只少了最后一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，就是需要進(jìn)行模式匹配得出的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。圖6是本實(shí)用新型的定位算法中定位階段的俯視示意圖。
如圖6所示，兩個(gè)相鄰的區(qū)塊11和區(qū)塊12，對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)13，由于距離12區(qū)塊信標(biāo)節(jié)點(diǎn)19和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)21比較遠(yuǎn)，接收不到這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號，只能收到區(qū)塊11中四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號，很容易確定信標(biāo)節(jié)點(diǎn)處于區(qū)塊11內(nèi)。但對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)14，雖然也在區(qū)塊11內(nèi)，區(qū)塊11內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號它都能收到，但是它距離區(qū)塊12比較近，有可能收到區(qū)塊12內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)19和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)21的信號，甚至能收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)20和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)22的信號，這樣就需要判斷該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處在哪個(gè)區(qū)塊內(nèi)。本發(fā)明中的基于信號強(qiáng)度的區(qū)塊選擇算法就是為了解決該問題，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將收到的信號按照信號強(qiáng)度由大到小排序，取前四個(gè)屬于同一區(qū)塊的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號，該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)屬于這個(gè)區(qū)塊，將其它信號拋棄，再按照圖5的格式組成數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。圖7是本實(shí)用新型的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的電路框圖。如圖7所示，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)包括存處理器存儲(chǔ)器單元23、鍵盤24、無線收發(fā)器25、顯示器26和電源27。其中，鍵盤24、無線收發(fā)器25、顯示器26都和處理器存儲(chǔ)器23單元相連。鍵盤24用于輸入訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)所在的位置坐標(biāo)，輸入的坐標(biāo)顯示在顯示器26上；處理器和存儲(chǔ)器聯(lián)系最為緊密，看成是一個(gè)處理器存儲(chǔ)器模塊23，負(fù)責(zé)對接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和控制其他單元的運(yùn)行；無線收發(fā)器25負(fù)責(zé)發(fā)送和接收無線信號；電源與各個(gè)電源連接，為各單元提供電能。圖8是本實(shí)用新型的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相同的電路框圖。如圖8所示，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的電路框圖是相同的，包括處理器存儲(chǔ)器單元28、傳感器29、無線收發(fā)器30、電源31。其中處理器與存儲(chǔ)器的聯(lián)系最為緊密所以看為一個(gè)單元28，負(fù)責(zé)對接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理和控制其它單元的運(yùn)行，另外在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)著節(jié)點(diǎn)的編號；傳感器29、無線收發(fā)器30都和處理器存儲(chǔ)器單元28相連；無線收發(fā)器30負(fù)責(zé)接收和發(fā)送無線電磁波；傳感器29負(fù)責(zé)感知周圍環(huán)境的溫度、濕度、甲烷濃度等信息，對環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，監(jiān)測信息與定位信息采用同樣的方式傳送到地面監(jiān)控中心；電源26與每個(gè)單元相連,負(fù)責(zé)為每個(gè)單元提供電能。圖9是本實(shí)用新型的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)電路框圖。如圖9所示，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括處理器存儲(chǔ)器單元32、總線模塊33，傳感器34、無線收發(fā)器35、電源36。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電路框圖與訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相同的電路框圖相比，只多了一個(gè)總線模塊33，它的作用是與總線相連，其它單元的作用與上面所述圖8中的各單元的作用相同。
權(quán)利要求1.一種井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，包括地面監(jiān)控中心，傳輸基站，光纖，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，總線，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)； 所述地面監(jiān)控中心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器，或者是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；地面監(jiān)控中心存儲(chǔ)定位模式數(shù)據(jù)，并通過光纖從傳輸基站接收從井下發(fā)來的定位信息，處理定位信息； 所述傳輸基站是交換機(jī)，匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線發(fā)過來的信息，并通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心； 所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信息，通過總線傳送到傳輸基站； 所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)按區(qū)塊布設(shè)，每個(gè)區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)所在區(qū)塊編號和一個(gè)在本區(qū)塊內(nèi)獨(dú)有的自身編號；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位信息，定位信息包括信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)塊編號和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身編號； 所述每個(gè)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)在坐標(biāo)已知位置從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收定位信息，生成包括自身位置坐標(biāo)、所在區(qū)塊編號、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身編號和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，并上傳至地面監(jiān)控中心，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，作為所述定位模式數(shù)據(jù)； 所述每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)獨(dú)有的編號，與井下人員的身份對應(yīng)；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于井下人員的安全帽上，使用礦燈電瓶作輔助電源；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位請求信號，并對接收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信息進(jìn)行處理，生成包括所在區(qū)塊編號、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身編號和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，并上傳至地面監(jiān)控中心，與所述定位模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算，實(shí)現(xiàn)定位； 所述井下人員定位系統(tǒng)中涉及的井下設(shè)備，包括傳輸基站、多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線、多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、少數(shù)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是本質(zhì)安全型設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，所述總線是CAN總線，或局域網(wǎng)總線，或RS-485總線。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述井下人員定位系統(tǒng)其特征在于，所述訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、鍵盤、顯示器、電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，所述每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)中包括在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上的傳感器，監(jiān)測周圍環(huán)境的溫度、濕度、甲烷濃度信息，并用與定位數(shù)據(jù)相同的傳輸方式，傳送數(shù)據(jù)到地面監(jiān)控中心。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的傳感器、無線收發(fā)器，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)器、鍵盤和顯示器及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊與各節(jié)點(diǎn)中的處理器和存儲(chǔ)器單元相連；各節(jié)點(diǎn)中的無線收發(fā)器接收和發(fā)送無線電磁波；各節(jié)點(diǎn)中的處理器和存儲(chǔ)器單元存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)，并處理控制其它單元的運(yùn)行；訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的鍵盤輸入訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)所在的位置坐標(biāo)，顯示器顯示鍵入坐標(biāo)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊與總線相連；各節(jié)點(diǎn)中的電源提供電能。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種用于煤礦井下的人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括設(shè)在井上的地面監(jiān)控中心，設(shè)在井下的傳輸基站，多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，光纖，總線，多個(gè)無線信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其中應(yīng)用于井下的設(shè)備均是本質(zhì)安全型的。該系統(tǒng)采用基于模式匹配的人員定位方式，根據(jù)巷道的結(jié)構(gòu)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號覆蓋范圍將巷道劃分為不同的區(qū)塊，各區(qū)塊內(nèi)按照相同的方式布設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在訓(xùn)練階段，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)在地面監(jiān)控中心生成定位模式數(shù)據(jù)庫，在定位階段，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號，向地面監(jiān)控中心發(fā)送定位模式，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)生成的模式進(jìn)行匹配，找到最接近的模式，實(shí)現(xiàn)精確定位。本實(shí)用新型定位精度高，成本低，并且系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，能耗小。
文檔編號H04W84/18GK202634708SQ20122000942
公開日2012年12月26日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者孫繼平, 李宗偉 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)