一种移动设备人员接近监测报警系统及方法与流程

本发明属于井下移动设备定位领域，具体涉及一种移动设备人员接近监测报警系统及方法。

背景技术：

近年来随着采煤自动化水平的提高，大型移动掘进、采煤的移动设备的应用越来越广泛，然而国内外井下人员伤亡事故时有发生。

为了解决井下移动设备伤人或撞车的问题，需要科学的监测手段来降低事故。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种移动设备人员接近监测报警系统及方法，从而解决井下移动设备伤人或撞车的问题。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种移动设备人员接近监测报警系统，其特征在于：它包括设置在矿车上的至少4个基站，和随人员携带的标识卡；其中，每4个基站不在同一平面内，建立空间三维坐标系，确定每个基站的坐标和报警区域的坐标；所述的报警区域为预设的与矿车在一定距离以内的危险区域；

每个基站的结构相同，均包括基站通讯模块和基站控制模块；基站通讯模块用于与标识卡通讯，基站控制模块用于将接收到的标识卡的信息发送给车载显示器，并在有报警信号时发出报警指令和停机指令；

每个标识卡的结构相同，均包括标识卡通讯模块、标识卡控制模块和报警模块；标识卡通讯模块用于与基站通讯，标识卡控制模块用于根据接收到的各个基站发送的信号、采用双向测距法计算出本标识卡的坐标并发送给各个基站，当本标识卡的坐标位于报警区域内时发送报警指令给报警模块和各个基站；

所述的基站通讯模块和标识卡通讯模块通过uwb无线传感器网络连接。

按上述方案，所述的每个标识卡还包括与控制器连接的惯性导航传感器。

按上述方案，所述的基站个数为5个，其中1个基站设置在矿车顶部，矿车的两侧分别设置2个基站，且5个基站中任意4个基站均不在同一平面内。

按上述方案，所述的基站通讯模块和标识卡通讯模块结构相同，均包括依次连接的decawave公司生产的dw1000无线收发芯片、平衡器与天线。

利用所述的移动设备人员接近监测报警系统实现的监测报警方法，其特征在于：它包括以下步骤：

s1、初始化；

s2、计算坐标：

每个基站和标识卡循环发送信息，每个标识卡根据接收到的各个基站发送的信号、采用双向测距法计算出本标识卡的坐标；将标识卡的坐标发送给基站，并显示在车辆的显示屏中；

s3、区域判断：

比较标识卡的坐标与报警区域的坐标，判断标识卡是否位于车辆周围l1至l2范围内，若是则标识卡和基站均发出报警信号；若标识卡位于车辆周围l1范围内，则控制车辆停止，同时标识卡和基站均发出报警信号；所述的l1和l2为预设的距离，且l1小于l2。

按上述方法，所述的s2具体为：

首先标识卡循环给搜索到的每个基站的源地址与目标地址写入txpacket包，并设置txpacket包的类型为poll，向基站发送txpacket包，记录时间poll_tx并进入接收模式；

基站接收到标识卡发过来的poll信号，将通信量存入rxpacket，记录时间poll_rx；接着基站进入发送模式，设置txpacket包的类型为answer，发送txpacket包，记录时间answer_tx，并进入接收模式；

标识卡接收到answer信号包存入rxpacket,记录时间answer_rx并设置txpacket包的类型为final，发送txpacket包，记录时间final_tx，随后进入接收模式；

基站接收final信号包存入rxpacket,记录时间final_rx，并进入发送模式给标识卡发送report包，report包包含时间信息poll_rx、answer_tx、final_rx；

标识卡接收到report包信息后，计算标识卡第一次发出与收到数据包的时间差tround1＝answer_rx-poll_tx、基站第一次收到然后发出数据包的时间差treply1＝answer_tx-poll_rx、基站第一次发出数据包然后收到标识卡返回的数据包之间的时间差tround2＝final_rx-answer_tx、标识卡第一次收到数据包然后再发出数据包的时间差treply2＝final_tx-answer_rx，然后得到从基站到标识卡信号一次所经历的时间，乘以光速，即为标识卡与基站之间的距离；

至此，标识卡与基站之间一次测距过程完成；

在一次测距过程中，通过测距锁实现一个标识卡只能同时与一个基站进行通信，在测距完成后释放测距锁；

已知基站坐标，根据得到的标识卡与所有基站之间的距离，计算出标识卡的坐标。

本发明的有益效果为：本发明能够精确测距定位人员携带的移动设备，当预先设定的区域内有人员携带的移动设备侵入时，系统自动发出预警信号，并使采煤机械停止运动，从而防止采矿设备伤害矿工，解决井下移动设备伤人或撞车的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例的整体结构图。

图2为标识卡的硬件结构图。

图3为标识卡通讯模块的电路原理图。

图4为dw1000的工作流程图。

图5为dw1000的双向测距示意图。

图6为dw1000双向测距流程图。

图7为定位算法流程图。

图8为定位中终端位置坐标算法图。

图9为本发明一实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种移动设备人员接近监测报警系统，如图1所示，它包括设置在矿车上的至少4个基站，和随人员携带的标识卡；其中，每4个基站不在同一平面内，建立空间三维坐标系，确定每个基站的坐标和报警区域的坐标；所述的报警区域为预设的与矿车在一定距离以内的危险区域。本实施例中，所述的基站个数为5个，其中1个基站设置在矿车顶部，矿车的两侧分别设置2个基站，且5个基站中任意4个基站均不在同一平面内。

每个基站的结构相同，均包括基站通讯模块和基站控制模块；基站通讯模块用于与标识卡通讯，基站控制模块用于将接收到的标识卡的信息发送给车载显示器，并在有报警信号时发出报警指令和停机指令。

每个标识卡的结构相同，如图2所示，均包括标识卡通讯模块、标识卡控制模块和报警模块；标识卡通讯模块用于与基站通讯，标识卡控制模块用于根据接收到的各个基站发送的信号、采用双向测距法计算出本标识卡的坐标并发送给各个基站，当本标识卡的坐标位于报警区域内时发送报警指令给报警模块和各个基站。可选的，每个标识卡还包括与控制器连接的惯性导航传感器，提高系统的定位精度，完成系统的校准。电源模块为必备模块，采用锂电池供电，通过电源模块给每个其他模块供电。所述的基站通讯模块和标识卡通讯模块通过uwb无线传感器网络连接。

标识卡控制模块采用stm32f405来控制各个模块之间的通讯，处理获得的数据进行计算来实现测距以及定位，通过所得定位结果判断是否需要报警，并将信息传递给存储模块进行存储。标识卡控制模块使用at24c02的eeprom来进行数据的存储，方便用户之后的数据读取。

所述的基站通讯模块和标识卡通讯模块结构相同，如图3所示，均包括依次连接的decawave公司生产的dw1000无线收发芯片、平衡器与天线。dw1000与天线的连接中要考虑阻抗匹配问题，已知dw1000的信号输出线是带100ω差分电阻的两条线pf_n与pf_p，而本系统所使用的天线是50ω的射频通信天线。为了匹配这两类传输线使高频信号得到高效的传输，本系统使用平衡器(balun)来使这两类信号线的电阻匹配。

利用所述的移动设备人员接近监测报警系统实现的监测报警方法，如图9所示，包括以下步骤：

s1、初始化：包括flash、系统时钟、gpio、usart、spi、iic、led以及dw1000地址、工作模式、基站列表的初始化，然后对dw1000进行无线参数的配置，如图4所示，接着注册接收回调函数txcallback()和接收回调函数rxcallback()。如果该模块被配置为基站则直接进入rx_mode，等待接收标识卡传过来的信息。如果该模块被配置为标识卡，则进入tx_mode，在主循环中循环为每个基站发送txpacket包进行测距。

s2、计算坐标：

每个基站和标识卡循环发送信息，每个标识卡根据接收到的各个基站发送的信号、采用双向测距法计算出本标识卡的坐标；将标识卡的坐标发送给基站，并显示在车辆的显示屏中。

双向测距法由基点和标识卡双向通信，交换各自的发送时间和接收时间信息，通过这个过程计算无线信号在空中飞行的时间进而实现测距。双向测距法分为两个阶段：搜索阶段和测距阶段。搜索阶段是标识卡搜索可以测距的基点的过程，当搜索的基点个数符合要求即进入测距阶段。如图5和图6所示，s2具体为：

首先标识卡循环给搜索到的每个基站的源地址与目标地址写入txpacket包，并设置txpacket包的类型为poll，向基站发送txpacket包，记录时间poll_tx并进入接收模式；

基站接收到标识卡发过来的poll信号，将通信量存入rxpacket，记录时间poll_rx；接着基站进入发送模式，设置txpacket包的类型为answer，发送txpacket包，记录时间answer_tx，并进入接收模式；

标识卡接收到answer信号包存入rxpacket,记录时间answer_rx并设置txpacket包的类型为final，发送txpacket包，记录时间final_tx，随后进入接收模式；

基站接收final信号包存入rxpacket,记录时间final_rx，并进入发送模式给标识卡发送report包，report包包含时间信息poll_rx、answer_tx、final_rx；

标识卡接收到report包信息后，如图4，计算标识卡第一次发出与收到数据包的时间差tround1＝answer_rx-poll_tx、基站第一次收到然后发出数据包的时间差treply1＝answer_tx-poll_rx、基站第一次发出数据包然后收到标识卡返回的数据包之间的时间差tround2＝final_rx-answer_tx、标识卡第一次收到数据包然后再发出数据包的时间差treply2＝final_tx-answer_rx，然后得到从基站到标识卡信号一次所经历的时间，乘以光速，即为标识卡与基站之间的距离；

至此，标识卡与基站之间一次测距过程完成；

在一次测距过程中，通过测距锁实现一个标识卡只能同时与一个基站进行通信，在测距完成后释放测距锁；

已知基站坐标，根据得到的标识卡与所有基站之间的距离，计算出标识卡的坐标。若基站接收到标识卡的发射信号时延为tof，由电磁波传播特性可以得到标识卡到基站的直线距离r＝tof*c(c为电磁波在自由空间的传播速度)。在已知标识卡到基站距离的情况下，根据几何原理，标识卡可以理解为以uwb基站所在的坐标为圆心，ri为半径的圆周上，即uwb标识卡的位置坐标(x,y,z)与基站坐标(xi,yi,zi)满足如下关系：

通常四个不在同一个平面的基站就可以通过数学运算求得标识卡的位置，本次设计采用五个基站坐标来精确确定标识卡的坐标。通过球形定位法则得出以下公式：

将(1)-(5)，(2)-(5)，(3)-(5)，(4)-(5)得：

由于基站坐标已知，且基站与标识卡的距离已知，即以下参数均为常数

x1,x2,x3,x4,x5；y1,y2,y3,y4,y5；z1,z2,z3,z4,z5；

则非线性方程化简为线性方程：

其中：

用最小二法求解线性方程组：

hx＝n

得

x＝(h^th)^-1·h^tn

至此就可以得到未知标识卡的位置坐标。

如图7所示，针对矿井的实际环境，矿井和连采车的形状，我们在车的两侧和车顶放置基站，两侧面各放四个基站成梯形，且两侧梯形互为倒置梯形，车顶放置一个，确保定位时的五个基站不在同一平面。标识卡进入定位区域时，标识卡发出定位请求信号给多个基站接收，基站接收到定位请求后和标识卡进行通信，标识卡记录通信的时间差，计算出自己与各基站的距离，并取五个距离最近的基站位置进行定位(即为距离标识卡近的一侧的四个和车顶的基站)，通过定位算法得到自己的坐标，上传到各个基站，基站接收后传给主控器，主控器对数据进行分析，发出相应的指令。

如图8所示，根据获取的信号传输数据计算待定位终端的位置坐标的步骤包括：计算第一定位信号与定位信号的到达时间差；根据计算的到达时间差，计算标识卡与多个基站之间的距离差；以及根据计算得到的距离差计算待定位终端的坐标。

为了提高测距定位的效率，我们将dw1000设计为两种工作模式，一个是标识卡，一个是基站。(1)标识卡：给各基站发送定位请求，与基站进行通信，获取时间差，计算出自己距基站的距离，并进行定位，计算出具体位置坐标，传给各个基站。(2)基站：当基站接收到标识卡的定位请求后，对标识卡的请求进行应答，并将通信信息以report的形式发给标识卡，等待下一个标识卡的定位请求，在标识卡与基站通信时，基站锁定，不与其他标识卡通信。基站收到标识卡的位置信息后传给主控器。

s3、区域判断：

比较标识卡的坐标与报警区域的坐标，判断标识卡是否位于车辆周围l1至l2范围内，若是则标识卡和基站均发出报警信号；若标识卡位于车辆周围l1范围内，则控制车辆停止，同时标识卡和基站均发出报警信号；所述的l1和l2为预设的距离，且l1小于l2。本实施例中，l1为1.5m，l2为4.5m。

本发明设计将坐标计算和区域判断的工作放在了标识卡，减少了基站的工作量，有多个标识卡时能够提高效率，基站只需要与车内的主控制器连接，将接收到的标识卡的坐标报警信息发送给车内的主控制器，当标识卡距离车辆小于1.5m时发出停车指令，进行停车操作，确保人员安全。

本发明能够解决井下移动设备伤人或撞车的问题，系统能够精确测距定位人员携带的移动设备，当预先设定的区域内有人员携带的移动设备侵入时，系统自动发出预警信号，并使采煤机械停止运动，从而防止采矿设备伤害矿工。应用超宽频uwb测距方法，能大大提高测距的精度与实时性。车的两侧和车顶放置基站，两侧面各放四个基站成梯形，且两侧梯形互为倒置梯形，车顶放置一个，确保定位时的五个基站不在同一平面。标签自己计算的工作模式，减少了基站的工作量，对于有多个标签时，能大大提高效率。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。