一种基于CSS技术的隧道人员定位系统及方法与流程

本发明涉及隧道施工安全领域，具体涉及一种基于CSS技术的隧道人员定位系统及方法。

背景技术：

隧道施工是在进行铁路、公路等陆上交通基础设施建设中经常遇到的，特别是西部大开发、中部崛起、东北振兴等战略的进一步实施，将会修建更多的公路、铁路。然而我国是一个多山的国家，许多地区崇山峻岭，山区面积占国土面积的69％，这就意味着我国隧道的建设将进入一个崭新的高潮阶段。随着我国隧道工程逐渐增多，其工程特殊性导致施工过程中人身安全问题逐渐凸显。目前，我国隧道人员定位系统应用较广的是ZigBee定位技术或RFID定位技术，两者的缺点是穿透性和抗干扰能力比较差，测距范围较短，在实施的过程中需要布置大量的参考节点，费时费工。为了在隧道施工时，对人员进行定位，保障施工安全，特便是发生事故时，确定遇险人员数量、位置及分布信息，及时开展救援工作，进而提高救援效率，同时减少现有定位系统参考节点数量的布置，需要开发一种新型隧道人员定位系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于CSS技术的隧道人员定位系统及方法，能够实现人员实时精确定位，保障施工安全，减少参考节点的部署数量。

为了实现上述目的，本发明基于CSS技术的隧道人员定位系统采用的技术方案为：

包括间隔布置在隧道两侧的参考节点，所述的参考节点包括微处理器模块、数据收发模块、天线模块以及用于给微处理器模块和数据收发模块进行供电的电源模块；所述的微处理器模块连接无线网桥，无线网桥将测距数据经无线网络通信模块传输至远程服务端；隧道人员携带能够被参考节点检测到的移动标签，所有参考节点对其循环检测。

所述的参考节点间隔60m部署在隧道两侧，每个参考节点离地高度2m。

所述的参考节点每四个分为一组，每组包括一个主参考节点以及三个次参考节点，主参考节点具有串口通信模块，通过串口通信模块实现微处理器模块与无线网桥的连接。

所有的主参考节点布置在隧道的一侧，无线网桥间隔120m部署在主参考节点上方。

所述的远程服务端包括远程监控电脑、远程服务器和手机终端。

所述的无线网桥外接能够将测距数据进行显示的显示模块。

所述的微处理器模块选用Atmega128L芯片，数据收发模块选用nanoPAN5375模块；所述的天线模块包括BOJU2.4G天线和功率放大器；无线网络通信模块选用GPRS无线网络通信模块，GPRS无线网络通信模块据通过ODBC接口连接远程服务端。

本发明基于CSS技术的隧道人员定位方法，包括以下步骤：

步骤一、通过公式(1)计算移动标签和参考节点之间的相对距离S：

其中，T₁、T₃为参考节点和电子标签测距的传播延时时间；T₂、T₄为两者处理测距的延时时间，V为信号在空气介质中的传播速度。

步骤二、参考节点发送测量数据，根据公式(1)计算移动标签的位置；

步骤三、参考节点的筛选；

步骤四、优选四个参考节点，根据三边测量法进行移动标签粗略计算，四个参考节点的坐标为(x_i,y_i)，参考节点到移动标签的距离为d_i,i＝1,2,3,4；移动标签坐标为(m,n)；

根据已知条件列出公式(2)如下：

步骤五、对由公式(2)初步计算的移动标签粗略位置用公式(3)进行坐标平均处理，作为移动标签的位置，记为(x,y)，计算公式如下：

所述步骤三参考节点在筛选时舍去和移动标签之间距离小于3m的参考节点。

与现有技术相比，本发明隧道人员定位系统具有如下的有益效果：当移动标签进入参考节点构成的无线网定位系统中，系统根据隧道内人数，选择每次需要测距的人数，然后逐批循环测距。参考节点将测量数据传到无线网桥，无线网桥将数据一路传到项目部处理后进行显示，另一路经过无线网络通信模块传递到远程服务端用于远程监控。本发明能够实现准确无误的自动考勤，解决了以往手工考勤出现的疏漏，系统记录的是人员的实时考勤信息，大幅提高了准确度和可靠度，使人为因素的影响减到最小，同时能够确定出施工人员的数量、位置及分布信息，一旦发生事故，根据现场数据确定施工人员的位置，及时开展救援工作，提高了救援效率。本发明的工作可靠性高，CSS相比较目前广泛应用于隧道人员定位系统的ZigBee和RFID穿透性、抗干扰能力强，信号很少由于障碍而中断位。本发明的实现成本较低，使用寿命长，安装、操作方便。本发明的实用性强，能够和隧道视频监控系统结合起来，及时发现并制止、纠正施工人员的违规操作及危险动作，将人员损失、经济损失减少到最小。该系统能够节约大量的人力、物力，提高科学管理水平，为隧道施工带来便利。

与现有技术相比，本发明基于隧道人员定位系统的定位方法具有如下的有益效果：采用对称双向双边测距法(SDS-TWR)，测出参考节点和移动标签之间的双向信号传播时间，然后根据速度、时间、距离公式得出参考节点相对于移动标签的距离，最后利用定位算法进行计算移动标签的位置。这种测距方法既不用参考节点和移动标签之间的时钟同步，也不用参考节点之间的时钟同步，实施起来比较容易，能够确定出施工人员的数量、位置及分布信息。

附图说明

图1本发明施工现场布置示意图；

图2本发明系统的整体结构示意图；

图3本发明系统的结构原理示意图；

附图中：1-微处理器模块；2-数据收发模块；3-天线模块；4-电源模块；5-无线网桥；6-无线网络通信模块；7-远程服务端；8-显示模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，在隧道两侧每隔60m部署一个CSS参考节点，离地高度两米左右，每四个参考节点分为一组，每组中定义一个主参考节点，其余为次参考节点，区别在于主参考节点有串口通信模块，可以向无线网桥5传输测距数据。所有主参考节点分布在隧道的一侧，在这一侧每隔120m架设一对无线网桥5，布置在相应主参考节点的上方，具体位置可以适当调整，用于整个系统测量数据的传输。从隧道传出的数据一路接到了项目部，用于本地管理；另一路经无线网络通信模块6传到远程服务端7方便远程监控。由于nanoPAN5375模块支持外接天线和外围功率放大器，因此在具体实施过程中可以根据具体情况适当进行功率放大并安装外部天线，从而进一步减少参考节点的布置，降低成本。

参见图2，本发明定位系统总体包括了电源模块4、天线模块3、数据收发模块2、微处理器模块1、无线网桥5、显示模块8、无线网络通信模块6、远程服务端7，其中远程服务端7包括远程监控电脑、远程服务器、手机终端。参考节点是由电源模块4、天线模块3、数据收发模块2、微处理器模块1等构成的，移动标签和参考节点用同样的设计，区别在于天线选择可以不同，参考节点主要考虑的是通信问题，可以选择稍大体积的天线模块，而移动节点主要考虑是便携性和低功率性，所以必须选择体积小的天线模块。

参见图3，本发明定位系统具体包括电源模块4、BOJU2.4G天线、nanoPAN5375无线射频模块、Atmega128L芯片模块、无线网桥5、LED显示模块、GPRS无线网络通信模块、远程服务器、远程监控电脑、手机终端。其中，BOJU2.4G天线通过nanoPAN5375无线射频模块的外接天线接口与其相连，增大通信距离。nanoPAN5375模块通过SPI通讯接口与Atmega128L芯片模块连接，源模块为其供电。由BOJU2.4G天线、nanoPAN5375无线射频、Atmega128L芯片以及电源模块构成节点。当参考节点测完移动标签的位置信息后由主参考节点通过RS232或USB转网线口连接线与无线网桥连接，无线网桥将测距信息传出隧道外，一路传到项目部，经算法处理后显示在LED显示模块上，用于本地管理；另一路经GPRS无线网络通信模块传到远程服务端。

远程服务端的GPRS无线网络通信模块接入远程服务器，远程服务器上连接远程监控电脑和手机终端，用于对数据进行接收、存储。远程服务器与GPRS无线网络通信模块连接，将从GPRS无线网络通信模块接收到的数据通过ODBC接口存入远程服务器中的SQL数据库，远程监控电脑的服务平台通过ODBC接口与远程服务器的SQL数据库通信，实现隧道人员的实时准确定位、保障施工安全。同时用户可在任何地方通过连接Internet的计算机或手机终端使用授权的用户密码登陆服务器网站，查询隧道人员实时定位，进行远程管理。

本发明的工作原理及过程是：

当移动标签进入参考节点构成的无线网定位系统中，系统根据隧道内人数，选择每次需要测距的人数，然后一批一批循环测距。首先主参考节点对移动标签测距并通知次参考节点进行测距，次参考节点完成测距后，将数据回传给主参考节点。然后主参考节点通过RS232或USB转接网线口连接线将测量数据传到无线网桥5，无线网桥5将数据一路传到项目部处理后在LED屏上显示，一路经过GPRS无线通信模块传到远程服务器用于远程监控。

本发明基于CSS技术的隧道人员定位方法，包括以下步骤：

步骤一，采用基于对称双向双边测距法(SDS-TWR)进行测距，移动标签和参考节点之间的相对距离S可以由公式1得出，

其中，T₁、T₃为参考节点和电子标签测距的传播延时时间；T₂、T₄为两者处理测距的的延时时间，V为信号在空气介质中的传播速度。

步骤二，主参考节点将测量数据传给处理服务器，处理服务器根据公式(1)计算移动标签的位置；

步骤三，参考节点的筛选，由于线性调频扩频技术属于中远程的无线测距技术，近距离测距误差比较大，1～3m，测量相对误差29.0％～42.1％，大于3m后误差急剧较小，因此采用定位算法计算之前，舍去和移动标签之间距离小于3m的参考节点；

步骤四，优选四个参考节点，根据三边测量法进行移动标签粗略未知的计算，假设四个参考节点的坐标为(x_i,y_i)，参考节点到移动标签的距离为d_i,i＝1,2,3,4；移动标签坐标为(m,n)，则根据已知条件列出公式(2)；

由于有四个参考坐标，并且三边测量法需要三个不同的坐标，因此公式(2)能够计算出四个移动标签的粗略位置。

步骤五，对由公式(2)初步计算的移动标签粗略位置用公式(3)进行坐标平均处理，作为移动标签的位置，记为(x,y)；

本发明专利采用对称双向双边测距法(SDS-TWR)，测的是参考节点和移动标签之间的双向信号传播时间，然后根据速度、时间、距离公式得出参考节点相对于移动标签的距离，最后利用定位算法进行计算移动标签的位置。这种测距方法既不用参考节点和移动标签之间的时钟同步，也不用参考节点之间的时钟同步，实施起来比较容易。