专利名称：一种井下人员定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及煤矿井下安全监控领域，具体的说是涉及一种基于无线传感器网络的井下人员定位系统。
背景技术：
煤炭是我国的主要能源，但多年以来，煤矿井下的工作环境恶劣，地质环境复杂，一直存在着各种有害气体及不明水体逸出等灾难隐患，并且，我国的开采技术相对落后，井下生产人员素质较低，导致各种矿井的恶性事故不断发生，井下工作人员的生命安全受到严重威胁。随着科学技术的不断进步，人们在井下布设了多种探测系统和监控系统，以便获知井下工作人员的位置，方便在发生矿难时及时开展救援工作以及日常生产中的管理调度。 为实现井下人员的定位，中国专利申请01122258. I公开了一种井下人员智能定位安全管理系统，它由电子识别卡、巷道询问接收装置和管理调度中心构成。井下工作人员佩戴电子识别卡，识别卡写入员工的电子编号，由矿灯电瓶供电，当识别卡收到巷道询问接收装置的询问信号后，应答发射井下工作人员的编号信号，巷道询问接收装置收到应达的信号传送给管理调度中心，管理调度中心记录该信号和发生的时间。通过多点定位接收可以对井下工作人员进行跟踪定位，有利于调度指挥、安全监督和人员的统计考勤，特别是可以在事故发生时为救援提供人员位置信息。但是该发明只能确定井下工作人员的位置在询问装置的接收范围内，而一般的井下无线通信距离都为几十米的数量级，所以该定位系统的定位精度也是几十米的数量级，定位精度很低。另一方面，如果想要提高精度就必须增大询问装置的布设密度，这样会增加定位系统的成本。现有的井下定位系统大多是采用基于RFID (Radio Frequency Identification)射频识别技术的定位系统，所用的方法也和上述专利类似，都存在定位精度不够、精度受成本限制等问题
实用新型内容
针对现有技术的不足，特别是针对矿井定位技术定位精度不够、精度受成本限制的问题，本实用新型提出了一种结构简单、定位精度高、成本低的井下人员定位系统。该系统结合巷道空间的特点，利用有限的参考节点和简单的算法实现实时精确的目标定位，满足了矿井生产调度和灾后及时救援的需要。为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种基于无线传感器网络的井下人员定位系统，由地面监控中心，传输基站，网关节点，光纤，总线，无线信标节点，训练节点和移动节点。必须指出的是，在系统中涉及的井下设备全部是本质安全型设备。无线信标节点和网关节点布设在巷道内，网关节点通过总线与传输基站相连，传输基站通过光纤与地面监控中心相连。[0009]所述的地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或服务器组成的计算机网络。地面监控中心的数据库存储定位模式数据，并从基站接收从井下发来的定位信息，处理定位信息。所述的传输基站是交换机，负责汇聚网关节点通过总线发过来的信息，并通过光纤传输到地面监控中心。所述的网关节点包括处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源及总线模块。网关节点负责接收移动节点发送的定位信息，并将其通过总线传送到传输基站。所述的信标节点包括处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源。信标节点在巷道内按区块布设，每个区块内信标节点数量相同，每个信标节点具有一个所在区块编号和一个在本区块内独有的自身编号；信标节点负责向移动节点发射定位信息，定位信息包括 信标节点所在区块编号和信标节点自身编号。所述的每个训练节点包括处理器、存储器、无线收发器、显示器、键盘、电源，训练节点在坐标已知位置从信标节点接收定位信息，生成包括自身位置坐标、所在区块编号、信标节点自身编号和信标节点信号强度的模式数据，并上传至地面监控中心，存储在数据库中，作为所述定位模式数据；所述的每个移动节点也包括处理器、存储器、无线接收发器、传感器、电源，分配有一个独有的编号，与井下工作人员的身份对应。移动节点置于井下人员的安全帽上，使用矿灯电瓶作辅助电源；移动节点周期性地向信标节点发射定位请求信号，并对接收到信标节点的定位信息进行处理，生成包括所在区块编号、信标节点自身编号和信标节点信号强度的模式数据，并上传至地面监控中心，与所述定位模式数据进行匹配计算，实现定位。所述的总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线。所述的网关节点、信标节点和移动节点中的传感器、无线收发器，训练节点的无线收发器、键盘和显示器及网关节点中的总线模块与各节点中的处理器和存储器单元相连；各节点中的无线收发器接收和发送无线电磁波；网关节点、信标节点和移动节点中的传感器感知周围环境的温度、湿度、甲烷浓度信息，并用与定位数据相同的传输方式，将感知数据传送到地面监控中心；各节点中的处理器和存储器单元存储接收的数据，并处理控制其它单元的运行；训练节点的键盘输入训练节点所在的位置坐标，显示器显示键入坐标；网关节点中的总线模块与总线相连；各节点中的电源提供电能。本实用新型可广泛应用于矿井的井下人员或者移动设备的精确定位。虽然在训练阶段生成数据库需要一定的时间，但是为了达到高精度可靠的定位效果，这些时间是值得的，而且，数据库的生成方式非常简单，容易实现。并且，本实用新型还可以轻松的实现井下的人员调度、考勤监督等。通过本实用新型，可有效的提高矿山的管理水平和工作效率。本实用新型的有益效果是I.本实用新型采用移动节点主动发射定位请求信号，信标节点只有检测到定位请求信号时才发射定位信号的方式，并且将区块选择和数据帧的形成及发送任务放在可以用矿灯电瓶供电的移动节点上，使用电池供电的无线信标节点只需要在收到移动节点发送的定位请求信号时才发射电磁波信号，这样可以大大延长信标节点中电池的使用时间，进而延长整个无线传感器网络的使用寿命。2.本实用新型采用基于模式匹配的定位算法，以信标节点发送到移动节点的信号强度为计算参量，无须根据信号强度计算信号传输距离，一方面算法的复杂度低，可以减小计算带来的时延，另一方面，定位确定到巷道内各个地点的具体坐标，相比于现在煤矿井下普遍使用的基于RFID (Radio Frequency Identification)射频识别技术,只能确定移动节点在某个读卡器附近的定位方式，大大提高了定位的精度。3.本实用新型结合井下巷道的特点把井下巷道分成不同的区块，每个区块只需要铺设很少的几个信标节点即可实现高精度的定位，成本较小；并且结构功能简单，信标节点的数量还可以依据具体环境和定位精度要求灵活设定。
图I是本实用新型的基于传感器网络的井下人员定位系统的组成框图；图2是本实用新型的定位方法中训练阶段巷道的俯视示意图； 图3是本实用新型的信标节点发送的数据包格式；图4是本实用新型的训练节点向地面监控中心发送的数据包格式；图5是本实用新型的移动节点向地面监控中心发送的数据包格式；图6是本实用新型的定位方法中定位阶段巷道的俯视示意图；图7是本实用新型的训练节点的电路框图；图8是本实用新型的移动节点和信标节点相同的电路框图；图9是本实用新型的网关节点的电路框图。
具体实施方式
为使本实用新型的技术方案、特点和优点更加清楚，
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行进一步说明。图I是本实用新型的井下人员定位系统的组成框图。如图I所示，本实用新型是一种井下人员定位系统，包括地面监控中心I、传输基站2、光纤3、总线4、网关节点5、信标节点6、训练节点7和移动节点8。训练节点和移动节点在系统的网络结构中所处的位置是一样的，而且在系统中是先后出现，而不是同时出现。井下人员定位的实现分为两个阶段一是训练阶段，二是定位阶段。在训练阶段，训练节点的键盘键入自己所在位置的坐标，并接收坐标位置所在区块内的信标节点发射的定位信号，信标节点发射的定位信号中包含其所在区块的编号和自身编号，训练节点收到区块内各个信标节点发送的定位信号后，测出各个信号的信号强度，并将所在区块编号，各个信标节点的自身编号，对应的信号强度，及训练节点所在的位置坐标打成数据包发送到临近的网关节点，网关节点将收到的数据包通过总线发送到传输基站，传输基站将收到的数据包通关光纤传送到地面监控中心，地面监控中心收到数据包后，将其中包含的模式存储在数据库中；在定位阶段，移动节点置于井下工作人员的安全帽上，可以使用矿灯电瓶作为移动节点的辅助电源，移动节点的存储器内存储着自身的特有编号，编号与人员的身份相对应，移动节点周期性的向四周发送定位请求信号，信标节点收到信号后发送定位信号，定位信号内包含的信息与上面所述的训练阶段的信息一样，移动节点将收到的信号存储，对收到的信号按照信号的强度排序，排出属于同一个区块的所有节点，说明移动节点处在这些信标节点所在的区块内，并将其它节点信号抛弃，移动节点将所在区块编号、所有信标节点的编号及对应的信号强度打成数据包发动送到临近的网关节点，如果收不到属于同一区块的所有信标节点的定位信号或者没有收到预定数量的信标节点的信号，说明在节点所在的区块内的某个或某些信标节点出了故障，移动节点向地面监控中心发送故障通知信号，以便及时排除故障，网关节点将移动节点发送的数据包通过总线发送给传输基站，传输基站通过光纤发送给地面监控中心，地面监控中心将收到的数据包中的模式与数据库中存储的在训练阶段生成的各种模式进行模式匹配计算，找到与移动节点发送的数据包中的模式最接近的模式，该模式所对应的坐标即定位为移动节点所在的坐标。地面监控中心可以是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络。它拥有一个大型的数据库，可以使用Microsoft SQL Server作为管理系统，用于存储训练阶段由训练节点生成的定位数据模式。在定位阶段，控制台负责将移动节点7通过网关节点5和传输基站2发送过来的数据模式与数据库中的模式进行匹配，找出与其最接近的一种模式，进而得到移动节点的精确坐标。模式匹配计算的具体实现方式如下训练节点7发送到地面监控中心的数据模式数据用⑴表示，其中A为所属区块的编号，K[A, X<i1； r1； i2, r2, ···, in, rn>, L](I)X里包含该区块内信标节点的编号in和对应的信号强度rn，L为对应的坐标。移动节点8发送到地面监控中心的模式用(2)表示，其中，B为移动节点自身的编号，M[B, D, Y<i1； p1； i2, p2,…，in, pn>](2)D为所属的区块编号，Y里包含的内容同上面叙述的X。模式匹配计算时，先根据移动节点7发来的数据模式中的区块编号，找到数据库中相应区块编号对应的模式，然后进行匹配计算，匹配计算如(3)所示，最终选择最小的N，取其对应模式中的坐标，作为移动节点的坐标。
_2] N = ^YjSrJ-Pj)2(3)图2是本实用新型的定位算法中训练阶段巷道的俯视示意图。如图2所示，假定4个信标节点构成一个区块，实际应用中可以根据巷道的实际情况选择区块内信标节点的数量，当然，不同的信标节点的个数对应的模式中信标节点数据量不同。图中9为信标节点，10为训练节点，每个信标节点都有自己的编号，训练节点已知自己所在位置的坐标，接收该区块内四个信标节点的定位信号，信标节点的定位信号中包含其所在区块的编号，自身的编号，其数据包的格式如图3所示。训练节点收到信标节点的信号后，测得其到达时的信号强度，然后将所在区块的编号、四个信标节点的编号、信号强度以及训练节点所在的位置坐标组装成数据包，数据包的格式如图4所示，发送到网关节点5，网关节点5通过总线4将数据包发送至传输基站2，传输基站2通过光纤3将数据包发送至地面监控中心1，地面监控中心I将其存储进数据库中。图3是本实用新型的信标节点发送的数据包格式。如图3所示，因为不同区块内的信标节点编号方式是一样的，那么如果每个区块用4个信标节点，总共需要4个编号，所以一个字节的空间足够了，而一个大的矿井内可以被分为很多个区块，所以区块编号用两个字节来存储。图4是本实用新型的训练节点向地面监控中心发送的数据包格式。如图4所示，因为在模式匹配时，先判定移动节点属于哪个区块，再在本区块内进行模式匹配，最后确定移动节点的坐标，所以数据包内的数据也是按照这个顺序排列的。图5是本实用新型的移动节点向地面监控中心发送的数据包格式。如图5所示，其与图4对比，只少了最后一个字节的内容，就是需要进行模式匹配得出的节点坐标。图6是本实用新型的定位算法中定位阶段的俯视示意图。
如图6所示，两个相邻的区块11和区块12，对于移动节点13，由于距离12区块信标节点19和信标节点21比较远，接收不到这两个节点的信号，只能收到区块11中四个信标节点的信号，很容易确定信标节点处于区块11内。但对于移动节点14，虽然也在区块11内，区块11内的信标节点发射的信号它都能收到，但是它距离区块12比较近，有可能收到区块12内的信标节点19和信标节点21的信号，甚至能收到信标节点20和信标节点22的信号，这样就需要判断该移动节点处在哪个区块内。本发明中的基于信号强度的区块选择算法就是为了解决该问题，移动节点将收到的信号按照信号强度由大到小排序，取前四个属于同一区块的信标节点的信号，该移动节点属于这个区块，将其它信号抛弃，再按照图5的格式组成数据包发送给网关节点。图7是本实用新型的训练节点的电路框图。如图7所示，训练节点包括存处理器存储器单元23、键盘24、无线收发器25、显示器26和电源27。其中，键盘24、无线收发器25、显示器26都和处理器存储器23单元相连。键盘24用于输入训练节点所在的位置坐标，输入的坐标显示在显示器26上；处理器和存储器联系最为紧密，看成是一个处理器存储器模块23，负责对接收数据的存储、处理和控制其他单元的运行；无线收发器25负责发送和接收无线信号；电源与各个电源连接，为各单元提供电能。图8是本实用新型的移动节点和信标节点相同的电路框图。如图8所示，移动节点和信标节点的电路框图是相同的，包括处理器存储器单元28、传感器29、无线收发器30、电源31。其中处理器与存储器的联系最为紧密所以看为一个单元28，负责对接收数据的存储和处理和控制其它单元的运行，另外在移动节点和信标节点的存储器内存储着节点的编号；传感器29、无线收发器30都和处理器存储器单元28相连；无线收发器30负责接收和发送无线电磁波；传感器29负责感知周围环境的温度、湿度、甲烷浓度等信息，对环境进行实时的监测，监测信息与定位信息采用同样的方式传送到地面监控中心；电源26与每个单元相连,负责为每个单元提供电能。图9是本实用新型的网关节点电路框图。如图9所示，网关节点包括处理器存储器单元32、总线模块33，传感器34、无线收发器35、电源36。网关节点的电路框图与训练节点、移动节点及信标节点相同的电路框图相比，只多了一个总线模块33，它的作用是与总线相连，其它单元的作用与上面所述图8中的各单元的作用相同。
权利要求1.一种井下人员定位系统，其特征在于，包括地面监控中心，传输基站，光纤，网关节点，总线，信标节点，训练节点和移动节点； 所述地面监控中心是一台计算机或者服务器，或者是多台计算机或者服务器组成的计算机网络；地面监控中心存储定位模式数据，并通过光纤从传输基站接收从井下发来的定位信息，处理定位信息； 所述传输基站是交换机，汇聚网关节点通过总线发过来的信息，并通过光纤传输到地面监控中心； 所述网关节点接收移动节点发送的定位信息，通过总线传送到传输基站； 所述信标节点在巷道内按区块布设，每个区块内信标节点数量相同，每个信标节点具有一个所在区块编号和一个在本区块内独有的自身编号；信标节点向移动节点发射定位信息，定位信息包括信标节点所在区块编号和信标节点自身编号； 所述每个训练节点在坐标已知位置从信标节点接收定位信息，生成包括自身位置坐标、所在区块编号、信标节点自身编号和信标节点信号强度的模式数据，并上传至地面监控中心，存储在数据库中，作为所述定位模式数据； 所述每个移动节点具有一个独有的编号，与井下人员的身份对应；移动节点置于井下人员的安全帽上，使用矿灯电瓶作辅助电源；移动节点周期性地向信标节点发射定位请求信号，并对接收到信标节点的定位信息进行处理，生成包括所在区块编号、信标节点自身编号和信标节点信号强度的模式数据，并上传至地面监控中心，与所述定位模式数据进行匹配计算，实现定位； 所述井下人员定位系统中涉及的井下设备，包括传输基站、多个网关节点、总线、多个信标节点、少数训练节点和多个移动节点是本质安全型设备。
2.根据权利要求I所述井下人员定位系统，其特征在于，所述总线是CAN总线，或局域网总线，或RS-485总线。
3.根据权利要求I所述井下人员定位系统，其特征在于，所述信标节点包括处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源。
4.根据权利要求I所述井下人员定位系统其特征在于，所述训练节点包括处理器、存储器、无线收发器、键盘、显示器、电源。
5.根据权利要求I所述井下人员定位系统，其特征在于，所述每个移动节点包括处理器、存储器、无线收发器、传感器、电源。
6.根据权利要求I所述井下人员定位系统，其特征在于，系统中包括在网关节点、信标节点和移动节点上的传感器，监测周围环境的温度、湿度、甲烷浓度信息，并用与定位数据相同的传输方式，传送数据到地面监控中心。
7.根据权利要求I所述井下人员定位系统，其特征在于，网关节点、信标节点和移动节点中的传感器、无线收发器，训练节点的无线收发器、键盘和显示器及网关节点中的总线模块与各节点中的处理器和存储器单元相连；各节点中的无线收发器接收和发送无线电磁波；各节点中的处理器和存储器单元存储接收的数据，并处理控制其它单元的运行；训练节点的键盘输入训练节点所在的位置坐标，显示器显示键入坐标；网关节点中的总线模块与总线相连；各节点中的电源提供电能。
专利摘要本实用新型公开了一种用于煤矿井下的人员定位系统。该系统包括设在井上的地面监控中心，设在井下的传输基站，多个网关节点，光纤，总线，多个无线信标节点，多个移动节点，其中应用于井下的设备均是本质安全型的。该系统采用基于模式匹配的人员定位方式，根据巷道的结构和信标节点的信号覆盖范围将巷道划分为不同的区块，各区块内按照相同的方式布设信标节点。在训练阶段，训练节点在地面监控中心生成定位模式数据库，在定位阶段，移动节点根据接收的信标节点的定位信号，向地面监控中心发送定位模式，与数据库内训练节点生成的模式进行匹配，找到最接近的模式，实现精确定位。本实用新型定位精度高，成本低，并且系统设备结构简单，能耗小。
文档编号H04W84/18GK202634708SQ20122000942
公开日2012年12月26日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者孙继平, 李宗伟 申请人:中国矿业大学(北京)