专利名称：一种煤矿井下人员定位系统的制作方法
技术领域：
一种煤矿井下人员定位系统技术领域[0001]本实用新型涉及无线传感器网络定位技术领域，特别涉及是一种煤矿井下人员定 位系统。
背景技术：
[0002]近年来全国煤矿安全投入不断加大，特别是在煤矿瓦斯治理和开发方面投入了大 量的资金。国家连续3年运用国债资金扶持国有重点煤矿进行安全技术改造，煤矿企业积 极自筹资金，地方政府也给予了支持。但是矿难还在不断发生，而灾难发生后抢险救灾的 不力暴露出目前监控系统的弊端，监控系统对入井人员管理困难，井上人员难以及时掌握 井下人员的动态分布及作业情况，一旦事故发生，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救 灾、安全救护的效率低，效果不理想。[0003]有关煤矿井下人员定位系统的文献近一两年出现了不少，概括起来，煤矿井下人 员定位系统，国内大多数都使用KJ69型人员安全监测系统，由无线编码发射器、井下数据 监测分站、地面中心站及数据传输信道组成。无线编码发射器发出具有代表身份特征的射 频信号，经数据监测接收，再发送到地面中心站。中心站接收来自数据监测分站上的编码信 号，进行分析处理，形成各种文件，使管理人员能及时查询各种信息圈。该系统有移动目标 监测查询、安全保障、丢失报警、统计考勤、信息联网等功能，具有结构简单、配置灵活、系统 复用，保护原有投资及身份识别等优点。但同时也存在着两个缺点1、由于分站不具备行进 方向的判断识别能力，也不具备人员是否完全通过的判断识别能力，因此，本设计所设计的 系统在实际使用过程中可能出现一种极端的误判断情况。2、有线传输，上述系统必须采用 预先传输的方式矿用阻燃电源电缆是为分站提供工作电源；矿用阻燃双绞线通信电缆主 要是完成井下网络的连接，而井下巷道内对有线的电力供应有严格的限制。实用新型内容[0004]本实用新型的目的是提供一种高效、高可靠性、低成本、低功耗、误判率低、布设容 易的无线煤矿井下人员定位系统。本实用新型所采用的技术方案是这样的一种煤矿井下 人员定位系统，由ZigBee无线网络和以太网Khernet有线网络组成，所述ZigBee无线网 络对数据进行采集和传输，由以太网Khernet传输数据到地面，地面的数据接收解析软件 接收、解析后，存储到数据库中，最后送至监察系统处理。[0005]进一步所述ZigBee无线网络由定位节点、路由节点、接入节点组成，所述定位节 点定时发送信息至路由节点，所述路由节点将信息路由至接入节点，所述接入节点通过以 太网网关与以太网相连，将接收到的信息通过以太网络发送至监察系统，网关与接入节点 通过RS232串口进行通讯连接。[0006]进一步所述定位节点由主控芯片MCU、射频芯片、外部设备组成，所述主控芯片 为PIC18F4620芯片，其通过SPI 口与射频芯片连接，所述射频芯片为CCM20芯片，其通过 天线与外界通信，所述主控芯片通过UART 口和外部设备机相连接。[0007]进一步所述ZigBee定位节点由电池供电，所述以太网Khernet网络使用矿用阻 燃双绞线通信电缆与地面连接。[0008]通过采用前述技术方案，本实用新型的有益效果是该煤矿井下人员定位系统，采 用了 ZigBee定位模块定时主动发送信号给临近的路由节点，可以及时掌握人员位置，行进 方向，可靠性高避免了方向误判；由于井下巷道内对有线的电力供应有严格限制，本系统采 用ZigBee无线通讯技术开放的无线传感器网络，布设容易，ZigBee器件由电池供电，一节 电池至少能够使用6个月，其成本小、功耗低，Ethernet网络在巷道内的部分也将由高容量 的电池驱动。
[0009]图1是本实用新型实施例的系统结构示意图；[0010]图2是本实用新型实施例定位节点电路逻辑框图；[0011]图3是本实用新型实施例井下人员定位示意图。
具体实施方式
[0012]
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本实用新型。[0013]如图1所示，一种煤矿井下人员定位系统，由ZigBee无线网络和以太网Khernet 有线网络组成，所述ZigBee无线网络对数据进行采集和传输，由以太网Khernet传输数据 到地面，地面的数据接收解析软件接收、解析后，存储到数据库中，最后送至监察系统处理， 监察系统对接收的监测信号进行判别报警、数据统计、存储、显示、人员路线监测、控制打印 等处理。所述数据接收解析软件以后台应用软件的形式运行在地面的服务器上，为多线程 软件。一个线程为从串口接收数据，存储在链表中；一个线程为分析链表中的数据，进行数 据分析并存储；一个线程为在用户界面显示目前接收、解析情况；使用多线程的模式是为 了软件能够实时响应用户界面交互。所述Zigbee无线网络子网和以太网具有相对独立性， 不需要修改现有煤矿安全监控系统的结构和功能，就可以达到定位的目的。同时复用了已 建设的Khernet网，保护了原有投资，避免了重复建设。[0014]如图2所示，所述ZigBee无线网络由定位节点、路由节点、接入节点组成，所述 定位节点定时发送信息至路由节点，所述路由节点将信息路由至接入节点，所述接入节点 通过以太网网关与以太网相连，将接收到的信息通过以太网络发送至监察系统，网关与接 入节点通过RS232串口进行通讯连接。所述ZigBee定位节点由电池供电，所述以太网 Ethernet网络使用矿用阻燃双绞线通信电缆与地面连接。系统工作时，需要将定位节点附 着在井下人员身上，将其位置信息通过Zigbee网络和以太网络送入地面的数据接收解析 模块，最后借助GIS技术将人员的位置信息在地图上实时地标出。本系统运用FME进行地图 的转换，FME是一个通用的跨GIS软件平台数据转换工具，灵活易用而又具有强大的功能。[0015]所述定位节点由主控芯片MCU、射频芯片、外部设备组成，所述主控芯片为 PIC18F4620芯片，它负责控制整个板子的工作。该单片机是一个八位的单片机，有 64Kbytes 的 flash，4Kbytes 的 SRAM，IKbytes 的 EEPR0M，一个 A/D 口，一个串 口，3 个时钟， 支持一个SPI总线，所述主控芯片通过SPI 口与射频芯片连接，所述射频芯片为CCM20芯 片，其通过天线与外界通信，所述主控芯片通过UART 口和外部设备机相连接。本系统中矿井工作人员的定位通信模块制作成腰牌，大约2cm*2cm大小，非常方便携带。由于定位节点 只需要发出存在信息，微控制器MCU使用普通单片机。系统管理人员给矿井工作人员发放 腰牌时，对应记录下该工作人员的名称、工号、类别等信息，并且将这些信息和小型通信模 块的射频芯片64位的永久地址相对应。这样，当地面的煤矿人员定位系统的信息接收解析 软件收到定位信息时，能够通过定位信息的64位的永久地址，和记录下来的工作人员腰牌 的射频芯片64位的永久地址匹配，进行身份辨析，得到该工作人员的名称等信息。[0016]所述路由节点固定部署在煤矿巷道中，从ZigBee子网的组成划分，为定位节点的 父节点，功能在于接收定位节点发出的信息，并将此信息路由(跳传)至接入节点。路由节 点大约15cm*10cm大小，按照网络覆盖策略固定部署在煤矿巷道中。一个路由节点通信覆 盖范围一般只有几十米，即每个节点都只能与其邻居节点进行通信。由于路由节点需要承 担更多的计算量和存储量，路由节点的微控制器MCU使用高档单片机。系统管理人员部署 路由节点时，为所有的路由编号，对应记录下该节点的编号，并且将这些信息和路由节点的 射频芯片64位的永久地址相对应。这样，路由节点作为定位节点的父节点，当接收到定位 节点发出的存在信息时，将该定位信息加上自己的地址信息，并将此信息路由(跳传)至接 入节点。[0017]所述接入节点固定部署在煤矿巷道中，功能在于接受来自路由节点数据，并将其 通过以太网络发送至监察系统。接入节点是一个ZigBee组织者，他通过一个以太网关与以 太网相连。网关与ZigBee接入节点通过RS232串口进行通讯连接。由于接入节点需要承担 更多的计算量和存储量、通讯工作量，接入节点的微控制器MCU使用网络微控制器AXI100。 接入节点还需要与以太网关通过RS232串口进行通讯连接，所以接入节点还配置了串口模 块。在程序调试的过程中，还可以通过串口 UART模块与PC机相连，通过串口进行芯片的更 新，路由节点和定位节点没有配置串口模块，它们程序更新的方式为PC机通过串口与接 入节点相连，定位节点或者路由节点与接入节点之间采用无线通信方式传输数据，PC机将 更新程序的编程数据发送给接入节点，再由接入节点传输给定位节点或者路由节点，然后 烧写到Flash的引导加载区。接入节点同时也承担路由节点的角色，当定位节点发出存在 信号，且接入节点收到该存在信号时，接入节点将存在信息加上自己的地址信息，并将此信 息传送到以太网中。[0018]如图3所示，当矿井工作人员携带腰牌在井下工作时，移动中的定位节点可由一 个ZigBee网络进入另一个ZigBee网络中，由接收到定位节点信号的路由节点决定其位 置。位置判断的依据为两个无线信号参数LQI(Link Quality Indicator)和RSSI (Signal Strength Indicator)，这两个值由路由节点在接收到定位节点的信号后得出。位置判断的 精度取决于路由节点分布的密度，需要根据现场实际情况方可决定。[0019]其中定位判定的关键环节即是采用基于接收信号强度指示(RSSI)定位算法实现 节点的精确定位。此定位算法在己知发射节点的发射信号强度的情况下，接收节点根据收 到信号的强度计算出信号的传播损耗，然后根据信号传播模型公式将传输损耗转化为距 离，再利用三边测量法计算出未知节点的位置。在实际定位中，要保证未知节点处于三个以 上发射信号强度和位置坐标已知的参考节点的通信范围内，未知节点根据接收信号强度计 算出信号的传播损耗，进而计算出节点位置，从而实现对携带它的工作人员的定位。[0020]本系统是集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理一体化的综合性运用系统，是国内最先进、最稳定、最专业化的运用系统。[0021] 以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及其优点，本行业的技术人 员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明中描述的只是说明本 实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化 和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内，本实用新型要求保护范围 由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求1.一种煤矿井下人员定位系统，其特征在于由ZigBee无线网络和以太网Khernet 有线网络组成，所述ZigBee无线网络对数据进行采集和传输，由以太网Khernet传输数据 到地面，地面的数据接收解析软件接收、解析后，存储到数据库中，最后送至监察系统处理。
2.根据权利要求1所述的一种煤矿井下人员定位系统，其特征在于所述ZigBee无线 网络由定位节点、路由节点、接入节点组成，所述定位节点定时发送信息至路由节点，所述 路由节点将信息路由至接入节点，所述接入节点通过以太网网关与以太网相连，将接收到 的信息通过以太网络发送至监察系统，网关与接入节点通过RS232串口进行通讯连接。
3.根据权利要求2所述的一种煤矿井下人员定位系统，其特征在于所述定位节点由 主控芯片MCU、射频芯片、外部设备组成，所述主控芯片为PIC18F4620芯片，其通过SPI 口与 射频芯片连接，所述射频芯片为CCM20芯片，其通过天线与外界通信，所述主控芯片通过 UART 口和外部设备机相连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种煤矿井下人员定位系统，其特征在于所述 ZigBee定位节点由电池供电，所述以太网Khernet网络使用矿用阻燃双绞线通信电缆与 地面连接。
专利摘要本实用新型涉及无线传感器网络定位技术领域，提供一种高效、高可靠、低成本、低功耗、误判率低、布设容易的无线煤矿井下人员定位系统，由ZigBee无线网络和以太网Ethernet有线网络组成，所述ZigBee无线网络对数据进行采集和传输，由以太网Ethernet传输数据到地面，地面的数据接收解析软件接收、解析后，存储到数据库中，最后送至监察系统，监察系统对接收到的监测信号进行判别报警、数据统计、存储、显示、人员路线监测、控制打印等操作，该系统是一种集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理一体化的综合性运用系统。
文档编号H04W84/18GK201818330SQ20102056265
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月11日 优先权日2010年10月11日
发明者李彬林 申请人:李彬林