矿用便携式定位收发装置的制作方法

1.本实用新型涉及矿用设备技术领域，尤其涉及一种矿用便携式定位收发装置。


背景技术：

2.国家煤矿安监局制定的《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》对煤矿井下的人员精确定位系统的技术要求进行了更新。例如，规定了煤矿井下人员精确定位系统最大静态定位误差应不大于0.3m；定位系统应具备多种功能，等等。
3.现有的矿用定位收发装置只能实现单一功能，例如，定位仪功能，并且，搜索读卡完成后需要通过usb口连接至pc端将数据导出以供阅读分析；多数为区域定位方式，定位精度不高；前后端采用串口等有线连接方式；功能上均也只能完成简单的标签卡卡号搜索功能，不仅无法满足新的技术要求，而且使用起来也非常不方便。如果需要实现多种功能，需要携带多种设备下井，增加工作人员的负担。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术中的矿用收发装置无法满足新的技术要求且功能单一的技术问题。本实用新型提供了一种矿用便携式定位收发装置，通过蓝牙的灵活连接解决应用场景的多样性需求，并具备定位仪、井下3d路线导航、井下设备无线升级等功能，从而实现一机多用，满足了矿山信息化发展的相关需求。
5.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种矿用便携式定位收发装置，包括：上壳和下壳，所述上壳和所述下壳可拆卸连接，所述上壳和所述下壳之间形成容纳腔，所述容纳腔内设有电路模块，所述电路模块包括：mcu 控制模块，所述mcu控制模块用于处理定位、导航及升级任务；蓝牙模块，所述蓝牙模块与所述mcu控制模块通信连接，所述蓝牙模块用于数据交互；uwb定位模块，所述uwb定位模块与所述mcu控制模块通信连接，所述uwb定位模块用于实现定位、导航及升级功能；九轴传感器模块，所述九轴传感器模块与所述mcu控制模块通信连接，所述九轴传感器模块用于与所述uwb定位模块相互配合实现精准导航。本装置通过蓝牙的灵活连接解决应用场景的多样性需求，并具备定位仪、井下3d路线导航、井下设备无线升级等功能，从而实现一机多用，满足了矿山信息化发展的相关需求。
6.进一步地，还包括矿用本安电池，所述电路模块还包括电源控制模块，所述矿用本安电池与所述电源控制模块连接，所述电源控制模块与所述mcu控制模块连接。
7.进一步地，所述电路模块还包括rfid定位模块，所述rfid定位模块与所述mcu控制模块通信连接。
8.进一步地，所述九轴传感器模块包括三轴加速度计、三轴角速度计和三轴磁力仪，所述三轴加速度计用于测量矿用便携式定位收发装置的加速度，所述三轴角速度计用于测量矿用便携式定位收发装置的角速度，所述三轴磁力仪用于测量地球磁场。
9.进一步地，所述上壳侧面设有type-c接口，所述type-c接口用于与矿用本安电池
连接。
10.进一步地，所述上壳的侧面设有状态指示窗。状态指示窗正对着电路模块的状态指示灯，不同情况时，指示灯会闪烁或者变换颜色，例如，电路模块电量不足时，指示灯为红灯闪烁，正常状态时，指示灯每隔5秒绿灯闪烁一次，便于工作人员观察。
11.进一步地，所述上壳的侧面还设有防尘塞支柱安装孔。
12.本实用新型的有益效果如下：
13.1、本实用新型的矿用便携式定位收发装置体积小，易携带且与移动终端的组合方式灵活，既可通过专用套壳与移动终端组合在一起使用，也可通过卡扣固定于工作人员的腰带等位置。
14.2、本实用新型的矿用便携式定位收发装置可以独立完成附近标签卡搜索与定位，通过蓝牙与任意一台移动终端建立通信连接并上报相关数据，改善了一体机的硬件固化、维修困难等问题。
15.3、本实用新型的矿用便携式定位收发装置功能丰富，工作模式多样，与工作人员使用所携带的矿用本安型手机连接后，即可在一部手持终端中使用标签卡搜索与管理、井下位置服务系统导航、井下设备无线升级等功能，符合煤矿技术发展的趋势与潮流。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
17.图1是本实用新型的矿用便携式定位收发装置的结构示意图。
18.图2是本实用新型的电路模块的结构示意图。
19.图中：1、上壳，2、下壳，3、电路模块，4、矿用本安电池，31、mcu控制模块，32、蓝牙模块，33、uwb定位模块，34、九轴传感器模块，35、电源控制模块，36、rfid定位模块，11、type-c接口，12、状态指示窗，13、防尘塞支柱安装孔。
具体实施方式
20.现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
21.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
22.如图1至图2所示，一种矿用便携式定位收发装置，包括上壳1和下壳2，上壳1和下壳2可拆卸连接，上壳1和下壳2之间形成容纳腔，容纳腔内设有电路模块3。上下壳可拆卸连接可以方便组装和维修，例如，上下壳连接处采用密封圈防护，上壳1和下壳2的4个角落均有安装孔，可以通过螺钉将上下壳固定。上壳1的侧面还设有type-c接口，type-c接口采用防水接口。
23.电路模块3包括mcu控制模块31、蓝牙模块32、uwb定位模块33及九轴传感器模块34，mcu控制模块31用于处理定位、导航及升级任务，蓝牙模块32 与mcu控制模块31通信连
接，蓝牙模块32用于数据交互，uwb定位模块33与 mcu控制模块31通信连接，uwb定位模块33用于实现定位、导航及升级功能，九轴传感器模块34与mcu控制模块31通信连接，九轴传感器模块34用于与uwb 定位模块33相互配合实现精准导航。在本实施例中，mcu控制模块31可以采用接口丰富的超低功耗单片机stm32l431rct6，可以在低功耗情况下同时进行精确定位、区域定位和蓝牙数据通信等任务，并可以实时监测矿用本安电池4的电量。蓝牙模块32可以采用nordic的nrf52832低功耗蓝牙5.0，以透传的方式和其他设备进行数据交互。
24.矿用便携式定位收发装置还包括矿用本安电池4，电路模块3还包括电源控制模块35，矿用本安电池4与电源控制模块35连接，电源控制模块35与mcu 控制模块31连接。矿用本安电池4可通过type-c接口进行充电，矿用本安电池4可通过电源控制模块35对其他模块进行供电。
25.电路模块3还包括rfid定位模块36，rfid定位模块36与mcu控制模块31 通信连接。本实施例设置rfid定位模块36是考虑到可以兼容井下原有定位系统中保留的rfid标签卡。
26.九轴传感器模块34包括三轴加速度计、三轴角速度计和三轴磁力仪，三轴加速度计用于测量矿用便携式定位收发装置的加速度，三轴角速度计用于测量矿用便携式定位收发装置的角速度，三轴磁力仪用于测量地球磁场。上壳1侧面设有type-c接口11，type-c接口11用于与矿用本安电池4连接。上壳1的侧面设有状态指示窗12。上壳1的侧面还设有防尘塞支柱安装孔13。
27.本实用新型的矿用便携式定位收发装置是一个独立部件，可以通过蓝牙与移动终端进行通信连接，可以通过uwb定位模块33和rfid定位模块36与井下标签卡等设备通信连接，改善了现有技术中的一体机使用不便的问题(一体机是指所有操作均在一体机上完成，当一体机某个部件损坏时，整个一体机将无法使用)，如果某个矿用便携式定位收发装置故障或者移动终端故障，均可以与其他好的收发装置或者移动终端再进行连接，可以灵活替换，能够提高工作效率。
28.本实用新型的矿用便携式定位收发装置的工作过程具体包括以下步骤：
29.s1：矿用便携式定位收发装置在初始状态时处于低功耗待机模式，将移动终端与矿用便携式定位收发装置通过蓝牙模块32建立无线连接，移动终端发送模式指令控制矿用便携式定位收发装置执行对应的工作模式。
30.需要说明的是，移动终端是工作人员随身携带的本安型手机，工作人员打开本安型手机后可以选择与矿用便携式定位收发装置建立蓝牙连接，本安型手机可以发送模式指令通过蓝牙发送给矿用便携式定位收发装置。例如，本安型手机发送搜卡指令，则矿用便携式定位收发装置进入搜卡模式，矿用便携式定位收发装置可以搜索到的附近的多个标签卡进行通信，并将搜索到的这些标签卡的信息通过蓝牙上传至本安型手机的显示界面中，便于工作人员查看或者进行修改。本实施例的矿用便携式定位收发装置可以进行三种工作模式：定位仪模式、导航模式和无线升级模式。三种工作模式的模式指令如表1所示，由帧起始位、串密数组、模式码、扩展码、校验码和结束位组成，其中模式码不同的数值(例如1，2，3)分别代表定位仪模式、导航模式和无线升级模式。蓝牙长时间断开后默认回退到低功耗待机模式。
31.表1
32.指令构成备注
帧起始1byte串密数组8bytes模式码1byte扩展码2bytes校验码1byte结束帧1byte
33.s2：当移动终端控制矿用便携式定位收发装置执行定位仪模式时，uwb定位模块33搜索附近的uwb标签卡，并对搜索到的所有uwb标签卡进行巡检及精确测距，并将巡检和精确测距得到的实时数据上传给移动终端。
34.需要说明的是，矿用便携式定位收发装置还可以包括rfid定位模块36，当矿用便携式定位收发装置执行定位仪模式时，首先会进行搜卡。例如，可以通过uwb定位模块33搜索附近的uwb标签卡，通过rfid定位模块36搜索附近的 rfid标签卡。uwb定位模块33可以对搜索到的所有的uwb标签卡进行巡检及精确测距。rfid定位模块36没有精确测距的功能，本实施例保留rfid定位模块 36是为了可以兼容矿井下之前已经布置的rfid标签卡。uwb定位模块33和rfid 定位模块36在搜卡时均可以获得标签卡的卡号、电量、报警状态等信息。uwb 定位模块33可以通过tof(time of flight)原理对uwb标签卡进行测距，通过记录电磁波从矿用便携式定位收发装置发出到被uwb标签卡接收的时间戳得到电磁波的飞行时间，然后将该飞行时间乘以电磁波的传播速度即可得到矿用便携式定位收发装置与uwb标签卡之间的距离。移动终端获得标签卡的信息后还可以对标签卡进行卡号修改或报警状态设置，卡号修改可方便工作人员对所有的标签卡进行统一管理，报警状态设置使得当标签卡触发报警时，标签卡可以发出蜂鸣声并震动，卡号报警命令下发后指定的标签卡会发出蜂鸣声并震动，可方便用户从众多标签卡中快速查找到指定的标签卡。
35.s3：当移动终端控制矿用便携式定位收发装置执行导航模式时，井下布置的定位基站能够通过uwb定位模块33对矿用便携式定位收发装置进行精确测距得到距离值，同时，九轴传感器模块34将实时测量到的矿用便携式定位收发装置的传感数据发送给定位基站，定位基站将距离值和传感器数据通过环网上传至人员定位服务器，人员定位服务器再根据距离值和传感器数据计算矿用便携式定位收发装置的精确坐标。
36.需要说明的是，九轴传感器模块34包括三轴加速度计、三轴角速度计和三轴磁力仪，三轴加速度计用于测量矿用便携式定位收发装置的加速度，三轴角速度计用于测量矿用便携式定位收发装置的角速度，三轴磁力仪用于测量地球磁场。井下布置的定位基站在井下地图中已有自己的坐标位置，根据uwb定位模块33可以测量到矿用便携式定位收发装置与该定位基站之间的距离值。人员定位服务器可以根据该距离值计算出矿用便携式定位收发装置当前所处的初步坐标。但是由于矿用便携式定位收发装置是工作人员随身携带的，所以可能会发生移动或者转动，导致计算出的初步坐标可能存在偏差。所以本实施例结合了九轴传感器模块34测量到的角速度、加速度及地球磁场数据对初步坐标进行修正，可以得到矿用便携式定位收发装置当前所处的精确坐标，获得的精确坐标的误差不超过0.1m，符合新的技术要求。工作人员可以通过安装在本安型手机内的3d导航app实时查看当前的精确坐标，并且可以搜索目的站点进行路径规划和导航。由于井下巷道情况非常复杂，环境也非常恶劣，如果不能精确确定当前所在的位置，那么到目的站点的路径和导航可能
会出错，导致工作人员不能准确的到达目的地，不仅影响工作效率，还可能存在安全隐患。
37.s4：当移动终端控制矿用便携式定位收发装置执行升级模式时，uwb定位模块33能够与井下待升级设备a建立升级连接并将升级程序包发送给待升级设备 a，待升级设备a接收升级程序包后自动进行程序升级。
38.需要说明的是，当井下设备只具备uwb功能时，矿用便携式定位收发装置的uwb定位模块33可以通过uwb与待升级设备a建立升级连接。当井下设备只具备rfid功能时，矿用便携式定位收发装置的rfid定位模块36可以通过rfid 与待升级设备b建立升级连接。通常情况下，升级时因为待升级设备的类型是明确的，只使用一种模块建立升级连接即可，但是从功耗角度考虑，如果待升级设备同时具备rfid和uwb功能，优先尝试通过功耗较低的rfid方式建立升级连接，若无法成功建立连接，再尝试通过uwb建立升级连接。待升级设备接收到指定版本的升级程序包后可以自动进入升级模式为自身更新硬件程序。待升级设备自身有预设升级功能，不需要移动终端再下发升级操作指令就可以进行升级，也就是说，移动终端只需要下发完整的升级程序包即可，简单便捷。
39.进行程序升级具体包括以下步骤：
40.t1：程序包加载：将移动终端内存中的本地升级程序包通过蓝牙发送至矿用便携式定位收发装置。
41.t2：号段下发：在移动终端的程序升级界面中，工作人员设置待升级的设备id号段范围，并将该设备id号段范围下发至矿用便携式定位收发装置。
42.t3：建立升级连接：矿用便携式定位收发装置通过uwb定位模块33或rfid 定位模块36与附件待升级的设备建立升级连接，使待升级设备进入等待接收升级程序包的状态。
43.t4：启动升级：待升级设备接收升级程序包后进行进行程序升级。
44.t5：状态巡检：在升级过程中，实时巡检被升级设备的状态例如，等待升级、升级中、升级完成，并将状态信息上传给移动终端，移动终端根据状态信息对每个待升级设备分别进行状态标注例如，红色表示等待升级，黄色表示升级中，绿色表示升级完成，使得工作人员方便区分升级进程。
45.在本实施例中，三种工作模式是从使用目的上划分的，但是在具体工作过程中需要相互间的协同配合。例如，导航模式下也会开启定位仪模式，实时搜索附近的标签卡并统计其状态信息，以便于实时查看附近人员信息。一张标签卡代表一个人员信息，两种模式同时开启可以节约时间，提高工作效率。进入无线升级模式时，如果升级对象是标签卡则会同时开启定位仪模式，并将发射功率调至最大，尽可能多的搜索到附近的标签卡，并与之建立升级连接，此时标签卡上的指示灯变成红色常亮进入升级状态，待升级完成后指示灯变回绿色并闪烁周期一秒，即正常工作状态。
46.综上所述，本实用新型的矿用便携式定位收发装置体积小，易于携带且工作方式灵活，既可通过专用套壳与移动终端组合在一起使用，也可以通过卡扣固定于工作人员的腰带等位置，小巧轻便。本装置可以独立完成附近标签卡搜索与定位，且可以通过蓝牙与任意一台移动终端建立通信连接后上报相关数据，改善了一体机的硬件固化、维修困难等问题。本装置功能丰富，工作模式多样，将移动终端与本装置蓝牙连接后，工作人员只需要在移动终端中操作即可完成标签卡搜索与管理、井下位置服务系统导航、井下设备无线升级等功能，符合煤矿技术发展的趋势与潮流。
47.以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。