用于跟踪人员和设备的系统和方法

专利名称：用于跟踪人员和设备的系统和方法
技术领域：
本发明涉及在危险环境中跟踪人员和设备，诸如地下矿井、铸造厂、工厂、大型船 舶、炼油厂、重工业环境等中，其中基于GPS(全球定位系统)和其他技术的跟踪系统是行不 通或不起作用的。
背景技术：
用于在具有较差无线电信号传播特性的危险环境中跟踪人员和设备的现有技术 系统和方法，在该危险环境中确定人员和设备的位置方面缺乏期望的"粒度"(即精度)。
另外，现有技术系统可能使用不是永久地分配给特定人员或设备的跟踪标签，这 导致在识别与特定跟踪标签相关联的实际人员或设备方面的准确性和置信度上存在问题。
还有，由于危险环境可能是"爆炸性"环境，因而如果设计不妥当，跟踪系统元件可 能是点火源。 有些危险环境，诸如地下矿井，能够覆盖几英里的区域并且仅在每3000到5000英 尺有电能和通信接口，典型地对应于输送带头(belthead)。依赖于电能和通信接口的现有 跟踪系统受限于这些设施的物理可用性，然而期望用更高的粒度，诸如在1000英尺内或更 少，来获悉人员和设备的位置。 在另一示例之中，在制造业环境中，尤其是制铝厂，可能需要在地下室或其他封闭
式建筑中部署灭火系统。部署灭火系统可能会造成这样状况，其中地下室或其他封闭式建
筑没有足够的氧气来维系生命。在这种情形中，期望在部署灭火系统之前，确认所有的人员
已从该建筑撤离。由于是封闭式建筑，所以基于GPS的系统不能可靠地工作。 在另一示例之中，具有架空管道和油罐的炼油厂可能造成不能可靠地接收到GPS
信号的环境。 在又一示例之中，大型船舶在甲板下可能包括巨大的封闭区域，在该封闭区域期 望对人员进行跟踪，诸如确认所有的人员均已离船，但是在该封闭区域中不能可靠地接收 到GPS信号。

发明内容
根据本发明的第一方面，一种用于跟踪人员和设备的系统包括跟踪标签和本质 安全读取器系统。在危险环境中，该系统在事故前和事故后两种情况下均是有用的。跟踪 标签是用于附着于危险环境中的人员或设备。跟踪标签是本质安全的并定期发送无线电信 号，无线电信号包含识别跟踪标签的唯一跟踪标签识别码。本质安全读取器系统包括集线 器电缆驱动器和多个本质安全天线或天线设备。集线器电缆驱动器和多个本质安全天线由通信电缆连接。将集线器电缆驱动器配置为经由通信电缆向多个本质安全天线提供本质安 全电能，并与所述多个本质安全天线通信。多个本质安全天线以自修复的有线网格冗余连 接基础结构拓扑形式，位于危险环境中的已知位置。有线网格拓扑相比视距无线网格系统 而言，允许更加灵活的天线放置。将每个本质安全天线配置为经由通信电缆，从所述跟踪标 签接收无线电信号并将数据信号发送给集线器电缆驱动器。数据信号包含识别天线的天线 识别代码和识别跟踪标签的跟踪标签识别代码。由于本质安全跟踪标签、多个本质安全天 线和来自集线器电缆驱动器的本质安全电能和通信的本质安全属性，系统能够继续在爆炸 性环境中操作。另外，冗余连接基础结构拓扑使得系统尽管在沿着冗余连接基础结构拓扑 的位置上有通信中断时，也能够继续操作。 本质安全跟踪标签可以附着于在危险环境中的人员所佩戴的安全帽。在该情形 中，将跟踪标签称为人员标签。 本质安全跟踪标签也可以是附着于位于危险环境中的设备的设备标签。本质安全 设备标签用于接收该设备的设备状态和位置信息，并定期地发射包含识别本质安全设备标 签的唯一设备标签识别码以及设备状态和位置信息的无线电信号。 每个本质安全天线可以具有用于连接多个其他天线的多个通信端口，并且该多个 通信端口不加电并相互断开直到接收到加电和连接到多个通信接口中选定的通信接口的 命令。更进一步地，每个本质安全天线可以具有第一电压域、开关调压器、以及第二电压域， 其中每个本质安全天线为了最大化本质安全，在第一电压域中接收第一电压的电能，并使 用开关调压器将第一电压的电能转换为第二电压的电能以用于在第二电压域中使用。
在另一实施中，集线器电缆驱动器具有输出端口、IS保护块和集线器微控制器。输
出端口用于提供本质安全电能和通信。is保护块用于检测输出端口处的电流和电压水平。
集线器微处理器用于从IS保护块接收电流和电压水平，并且当需要向多个本质安全天线 提供本质安全电能和通信时，从输出端口断开电能。 另一实施包括位于危险环境中的已知位置并与集线器电缆驱动器进行通信的本 质安全空气传感器。配置本质安全空气传感器来在本质安全空气传感器上检测空气中的 瓦斯水平；并且定期向集线器电缆驱动器发送信号，信号包含识别本质安全空气传感器的 唯一识别码和指示检测到的瓦斯水平的瓦斯水平读取值。本质安全空气传感器可以是无线 空气传感器，或可以通过通信电缆与集线器电缆驱动器进行通信。在通过通信电缆连接的 情况下，进一步配置本质安全空气传感器来经由通信电缆从集线器电缆驱动器接收电能。
根据本发明的第二方面，一种用于在危险环境中跟踪人员和设备的系统包括多 个跟踪标签、本质安全读取器系统、服务器数据库、以及服务器。每个跟踪标签用于定期发 送包含唯一跟踪标签ID的无线电消息。每个跟踪标签用于附着于危险环境中的不同人员 或设备。进一步地，每个跟踪标签是本质安全的。本质安全读取器系统包括集线器电缆驱 动器和连接到集线器电缆驱动器的多个本质安全天线，并且所述多个本质安全天线通过通 信电缆采用冗余连接基础结构拓扑相互连接，每个天线位于危险环境中的已知位置，用于 从附近的跟踪标签接收无线电消息、确定每个接收到的无线电消息的信号强度值、以及将 用于每个接收到的无线电消息的标签数据消息发送给集线器电缆驱动器。每个标签数据消 息包括接收到的无线电消息、接收天线的天线ID、以及信号强度值。该服务器包括服务 器模块、管理器模块和查看模块。服务器模块用于从集线器电缆驱动器接收标签数据消息、
5通过确定接收到最高信号强度值的无线电消息的天线来确定每个跟踪标签的位置。管理器模块用于维护所述服务器数据中的实况标签数据表，实况标签数据表包含用于每个跟踪标签的当前位置数据。查看模块用于在危险环境的至少一部分的地图上，产生每个跟踪标签的当前位置的显示，并且产生用于每个跟踪标签的数据的所选显示。 根据本发明的第二方面的一个实施，系统进一步包括与集线器电缆驱动器通信的至少一个空气传感器，并且服务器进一步包括传感器数据共享存储器。 根据另一实施，系统进一步包括监视模块，用于提供对数据库报告和状态通知的电子邮件支持。监视模块可以进一步用于读取和处理包含在从电子邮件服务器接收到的电子邮件消息中的命令。 根据又一实施，系统包括密钥模块，用于提供装置来基于允许的天线和跟踪标签的数量对许可进行控制。 在又一实施中，系统包括OPC模块，用于允许外部客户端对服务器的OPC访问。
如果已知跟踪标签离开本质安全读取器系统的可检测附近范围后，没有在预定的时间量内在本质安全读取器系统的可检测附近范围内重新出现，则查看模块可以进一步设置告警发出声响。 本发明的其他特征和优点将从下文中对本发明优选实施例的具体描述来阐述或显而易见。


图1是根据本发明，用于跟踪在危险环境中的人员和设备的示例性系统的功能框图。 图2-图5是在典型矿井环境中的示例系统配置的原理图。
图6是附着于代表性安全帽的示例性本质安全人员标签的立体图。
图7是图1的示例性系统的示例性集线器电缆驱动器的功能框图。
图8是图1的示例性系统的示例性本质安全天线的功能框图。
图9是图8的示例性本质安全天线的第一和第二电压域的功能框图。
图10是图8的示例性本质安全天线的示例性封闭式开关稳压器的电路图。
图11是图8的示例性本质安全天线的示例性线路开关输入部分的电路图。
图12是图1的示例性系统的示例性服务器的前平面图。 图13是用于在图1的示例性系统的显示工作站上进行显示的所产生的地图显示的代表性屏幕截图。 图14是用于在图1的示例性系统的显示工作站上进行显示的所产生的数据显示的代表性屏幕截图。 图15是用于在图1的示例性系统的显示工作站上进行显示的所产生的集结监视显示的代表性屏幕截图。 图16是图1的示例性系统的示例性软件系统的体系结构概况图。
图17是图16的示例性软件系统的示例性服务器模块的流程图。
图18是图16的示例性软件系统的示例性管理模块的流程图。
图19是图16的示例性软件系统的示例性监视模块的流程图。
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图20是图16的示例性软件系统的示例性查看模块的流程图。
图21是图16的示例性软件系统的示例性密钥模块的流程图。
图22是图16的示例性软件系统的示例性0PC模块的流程图。
具体实施例方式
根据本文的目的，"本质安全(intrinsically safe)"应按照美国劳工部、矿业安 全与健康管理局(MSHA)的定义。 另外，根据本文的目的，将参照地下矿井来描述"危险环境"，然而应当理解，描述 的系统和方法适用于任何危险环境，包括地下矿井、以及铸造厂、制造厂、大型船舶、炼油 厂、重工业环境等。
A.系统 图1示出用于在事故前和事故后情况下，在危险环境中跟踪人员和设备的示例性 系统10，包括本质安全人员标签20 (尽管仅示出一个标签，但是使用中可以有多个这种 标签)、本质安全设备标签22(同样，尽管仅示出一个标签，但是使用中可以有多个这种标 签)、第一组本质安全天线26a-26i、第二组本质安全天线28a-28i、集线器电缆驱动器30、 数据交换器34、服务器36、数据存储器38和工作站40。集线器30、第一组天线26a-26i、和 第二组天线28a-28i，由通信电缆(优选地是同轴电缆)段连接在一起。示例性系统10是 专门设计用于危险环境48的电子安全系统，以用来确定和报告人员和设备的位置。有利地 是，示例性系统10基于在诸如以下的很多商业应用中使用的工业标准射频识别(RFID)技 术收费站通道、马拉松/赛事、及门安全系统，当然按权利要求，其他无线电技术也处于本 发明的精神和范围之内。 示例性系统IO关注于通过对人员和资产的连续跟踪来改进安全性。这通过两个 部分来实现。第一部分由本质安全人员标签20和本质安全设备标签22所组成，其中本质 安全设备标签22具有发射器来将识别数据定期发送给部署天线的系统。第二部分由天线 26a-i、28a-i的密集网状冗余通信路径和中继收集到的数据以供分析和存储的网络组成。
本质安全读取器系统由多个规律性间隔的、通过诸如同轴电缆的通信电缆冗余地 互连在一起的天线26a-i、28a-i，以及集线器电缆驱动器30所组成，其中集线器电缆驱动 器30馈送电能和耦合双向数据到通信电缆上。每个天线26a-i、28a-i均是本质安全的，并 且可以部署到瓦斯区域中。在示例性系统10中，每个天线26、28具有四个可以同时使用的 端口 ，并且集线器电缆驱动器30可以同时馈送两个天线网络26 、 28 。集线器电缆驱动器30 不是安全的，并且优选地是用标准以太网连接和本地DC电源安装在新鲜空气中。
本质安全人员标签20和本质安全设备标签22的目的是用来定期发送包含ID代 码的数字无线电消息，该数字无线电消息可以由安装在危险环境48中的联网天线26a-i、 28a-i所接收。人员标签20是打算让那些处于危险环境48中的个人一直佩戴的，包括进入 到标签20需要被允许的区域。设备标签22是打算放置在待跟踪设备上的。本质安全人员 标签20和本质安全设备标签22每个均放置在因环境原因而密封的坚固塑料外壳内。外壳 内部的电路是本质安全的。 如以下将要详细解释的，示例性系统10因其本质安全人员标签20、本质安全设备 标签22和天线26a-26i、28a-28i的本质安全属性，故能够在事故后情形的危险环境48中继续操作。所以，因为所有位于危险环境48中的系统10的单元均是本质安全的，所以系统10能够继续在瓦斯环境中操作，并且继续在危险环境48中的事故或通风中断之后，提供人员和设备监视。 进一步，如以下将要解释的，系统10是容错和自我诊断的。系统10的元件监视其自身，并且系统10重新配置其自身来提供替代的电能和通信路径。所以，在故障情形下，诸如沿着天线(例如26a或28a)的位置发生通信中断，则冗余连接基础结构使得未受影响的天线(例如26b或28b)能够继续操作。另外，当检测到问题时，将问题通知给非危险环境元件(即集线器电缆驱动器30、交换机34、服务器36、存储器38和工作站40)，并且还将问题通知给操作员。 应当注意，在实践情形中，在危险环境48中可能有很多人员和处于操作中的设备，并且每个均应当有各自的唯一人员标签20或唯一的设备标签22。所以，为了简洁，使用单个人员标签20和设备标签22，应当理解，操作情形在危险环境中将具有同时使用的多个这样的设备，以下描述适用于这类操作情形。 而且，在实践情形中，为了实现期望的粒度水平，在整个危险环境中可以设置多个天线(例如，26a-26i，28a-28i)。有利地是，系统10的设计允许网络中每个天线经由一段通信电缆连接到任何其他天线。每个天线能够经由通信电缆段与一个或多个其他天线相互连接。 图2-5示出典型矿井环境中的示例系统配置，作为潜在危险环境的示例，其中期望对人员和设备进行监视。 图2示出矿井的水平分层，其具有将天线26a-c、28a-c的配置为相隔1000英尺的
系统50。在天线(例如26a、26b)之间的人员标签20将最有可能被两个天线(例如26a、
26b)获得，产生大约500英尺的粒度并且对人员标签20的位置进行全程监视。 图3示出矿井的水平分层，其具有将天线26a-c、28a-c配置为相隔2000英尺的系
统52。 间距限制了能够使用的天线26a-c、28a-c的数量，因为较长的电缆将具有较高的阻抗，故在天线网络26、28上能够有较少数量的读取器。例如，在IOOO英尺的间距下，系统50总共能够使用28个天线26a-x、28a-x(计算为14000英尺入，14000英尺出，每1000英尺具有一个天线26a-x、28a-x)。在2000英尺的间距下，系统52总共能够使用24个天线26a-x、28a-x (计算为24000英尺入，24000英尺出，每2000英尺一个天线26a-x、28a-x)。
天线26a-x、28a-x之间的连结线提供了天线网络26 、28之间的冗余。
图4示出矿井的水平分层，其具有被配置为通过在多个通道中放置天线26a-x、28a-x来覆盖四个通道或入口的系统54。故意将通道中的天线26a-x、28a-x放置成从不同通道中的天线26a-x、28a-x通过停止点不是直线路径，以用来防止标签20、22被不同通道中的26a-x、28a-x获得。 图5示出矿井的水平分层，其具有被配置为由四个集线器线缆驱动器30a-d来覆盖四个通道或入口的系统56。天线26a-x、28a-x并非配置为冗余方式。
B.本质安全人员标签和设备标签 图6示出附着于代表性安全帽66的代表性本质安全人员标签20，该安全帽66可能由矿工在矿井工作时佩戴。人员标签20定期发送包含识别人员标签20的唯一识别代码的数字无线电信号。示例性标签20是"活动"设备，使用电池来增加发射范围、以l-2秒的 间隔发送、具有200-800英尺的范围、使用433. 92MHz的频率，并且使用高科技粘着剂附着 于安全帽66。 类似地，本质安全设备标签22可以附着于矿井中的设备。示例性设备标签22具 有模拟输入和数字输入，用于接收设备状态信息，诸如车辆电能和温度。设备标签22定期 发送包含识别设备标签22的唯一识别代码和设备状态信息的数字无线电信号。
如在以引用的方式并入本文作为参考的美国专利申请12/017,888中描述的，有 利地是，本质安全人员标签20和本质安全设备标签22使用能够接收和发射的收发机。
C.本质安全集线器电缆驱动器 图7是示例性集线器电缆驱动器30的框图，包括主板和第一以太网子板70a或第 二以太网子板70b。如图7所示，从外部电源72将10-30V直流提供给集线器电缆驱动器 30。 +3.3￥直流和+36￥直流来自于外部电源72。 +3. 3V直流用于对本机系统供电，如图7 所示和以下所述，并且在将+36V直流提供给天线网络26、28(图1)之前，+36V直流通过IS 保护块74。 第一以太网子板70a和第二以太网子板70b的任何一个均可以处理到集线器电缆 驱动器30的以太网连接。第一以太网子板70a带有以太网交换机和多个RJ45和光纤端口 。 第二以太网子板70b带有单个RJ45端口 。第一以太网子板70a和第二以太网子板70b均 由本地+3. 3V电源供电。 从第一以太网子板70a或第二以太网子板70b路由的数据分组在传递到RF调制 芯片组78之前，通过集线器微处理器76来进行解释(interpretation)。调制后的数据在 耦合到电缆插头80a、80b(优选地是RGI 1同轴电缆插头)之前，由IS保护块74限压。
类似地，从天线网络26、28(图1)接收到的数据按照相反的路径，并且经在以太 网网络上从第一以太网子板70a或第二以太网子板70b流出。提供DB9串口 81和存储卡 82 (优选地是SD存储卡)，用来允许与集线器微处理器76直接进行通信。集线器微处理器 76从IS保护块74接收电压和电流水平，并且打开开关(未示出)(例如，小型输出继电器 (2A 30V DC))来用信号通知系统故障。另外，如果集线器微处理器76检测到故障，则集线 器微处理器76从两个电缆插头80a、80b断开电能，以向天线网络26、28 (图1)提供本质安 全。 如图1所示，集线器电缆驱动器30位于危险环境48之外。第一电缆将集线器电 缆驱动器30的端口 31a连接到第一组连接天线26a-26i。第二电缆将集线器电缆驱动器 30的端口31b连接到第二组连接天线28a-28i。将集线器电缆驱动器30配置为经由电缆 将电能提供给天线26a-26i 、 28a-28i ;经由电缆从天线26a-26i 、 28a-28i接收信号；并且经 由数据交换机34将信号发送给服务器36。将集线器电缆驱动器30诸如通过以太网协议通 信，通信性耦合到数据交换机34。 有利地是，示例性系统10的集线器线缆驱动器30和天线26a-26i、28a-28i之间 的网状连接配置提供了多级别的冗余，因为每个天线26a-26i、28a-28i具有多达四个独立 的路径来用于接收电能和用于将数据发送给服务器36。例如，如果在危险环境(例如，矿 井)中因事件造成在天线26a、26b之间的位置处产生通信中断，则所有的天线26a-26i、 28a-28i将仍能操作性连接到集线器线缆驱动器30。
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D.本质安全天线 如图1所示，第一组本质安全天线26a-26i和第二组本质安全天线28a_28i位于危险环境48中的已知位置，并且通过通信电缆相互连接或分别连接到集线器30的第一端口 31a或第二端口 31b。将天线26a-26i和28a_28i配置为，当人员标签20和设备标签22处于天线26a-26i、28a-28i的范围内时，从标签20、22接收数字无线电信号。将每个天线26a-26i、28a-28i进一步配置为，经由通信电缆发送包含识别各个天线26a-26i、28a_28i的唯一识别码的信号，并且将接收到的用于人员标签20和设备标签22的唯一识别码与任何各自的设备状态信息一起中继转发到集线器电缆驱动器30。每个天线26a-26i、28a-28i还具有与集线器电缆驱动器30或其他天线连接的多个端口。 图8示出示例性天线26a的功能块图，其包括板载天线(on-boardantenna)84、天线微控制器85、多个RF调制器86a-86d，和端口 88a_88d。 端口88a-88d在使其顺序加电的命令发布之前，保持断开。以此方式，能够对分立的电缆段加电并测试正确的功能，并且将自动避免受损或短路的分段。所以，如果通信电缆或元件故障，则系统10重新配置自身以提供替代电能和通信路径。 回到图1，在危险环境48中以规律的间隔安装多个天线26a-26i、28a-28i，并且彼此冗余地连接。该"网状网络"结构从在自由空气(freeair)中部署的单个集线器电缆驱动器30获得电能。集线器电缆驱动器30还对与以太网网络交换数据负责。每个天线26a-26i、28a-28i是本质安全的，并且在达到集线器电缆驱动器30的可用电能限度之前，可以扩展安装。每个天线26a-26i、28a-28i能够经由独立的通信电缆与多个其他天线26a-26i、28a-28i连接。 在将天线网络26、28完全初始化之后，将开始从本质安全人员标签20和本质安全设备标签接收信息。在示例性系统10之中，用板载天线84接收数据分组，并将数据单独地中继到每个端口88a-88d。每个端口都有自己的RF调制器86a-86d。为了节能，可以降级任何未使用的端口 88a-88d。在由一个以上的天线26a-26i、28a-28i从一个或多个标签20、22接收信号的情形中，天线26a-26i、28a-28i确定从每个标签20、22接收到的信号强度，以推导出距离每个标签20、22最近的天线26a-26i、28a-28i。 图9示出具有第一电压域90和第二电压域92的示例性天线26a，以最大化部件的本质安全。 第一域90属于IS供电网络。任何端口 88a-88d(图8)可以接受41V、500mA。
回到图8，线路开关组件93a-93d和RF耦合电容器94a-94d(图8)也可以加该种电压。封闭式开关稳压器95采用该电压，然后对其限定以产生第二电压域92(图9)。
第二电压域92(图9)是本机3.3V直流，对每个RF调制器86a-86d和天线微控制器85供电。封闭式开关稳压器95的输入用熔断器限制到62mA，而输出的电压由冗余5. IV齐纳管(未示出)限制为5.36V。另外，每个RF调制器86a-86d以及天线微处理器85具有自己的10V可靠62mA熔断器96。 为了保持较高的电能效率以及网格(mesh)稳定，因此封闭式开关稳压器95接受IS 41V直流，并且将其降压为+3.3V直流以用于所有本机通信和控制操作。将封闭式开关稳压器95进行封闭以隔绝空气，并将其焊接到板上，这样用户不能对其进行更换。部件的保护性元件目标是将调压器在其操作中所需的板载电容器和电感器进行隔离。所有的保护元件与封闭式开关稳压器95 —起封闭到板上，并且是60V可靠。 为了消除共点故障，RF部分是分别加熔断器的，紧靠着调压器95的输出。熔断器 96是10V可靠、最大62mA，并且是用户不可更换的。 图10示出封闭式开关稳压器95。 一次性、用户不可更换的熔断器F7将最大输入 电流限定为62mA(从IS 41V直流、500毫安集线器源)。为了将调压器输入电容器(C142、 C143和C144)与输入反向馈送分开，使电流通过冗余二极管(D36、D33和D34)。 U9是标准 降压转换器，具有内部开关脚和单输出电感器L 17。输出电容器是C136、C137和C140。通 过R83和R84的反馈设置3. 3V的正常输出。任何过压故障将由冗余5. IV齐纳管D28、D29 和D30进行限定，其设置的有效最大值为5. 36V。 现在看图11，在第一电压域90内(即41伏特域)，所有的隔离组件是两次错误冗 余或60V可靠的。四个端口 88a-88d功能相同，并且可以由其任何一个接受IS 41V直流、 500mA。每个端口 88a-88d输出的电能在到达自己的线路开关M0SFET(Ql、Q3、Q4、Q2)之前 首先经过RF过滤(L7、L1、L2、L10)。同时，任何RF通信通过冗余隔直电容(C67/C68/C69、 C19/C20/C21、C36/C35/C34、C81/C80/C79)分流。电压检测线路由高阻值系列电阻器R7来 限流。类似地，MOSFET控制线路由高串联电阻器(R5/R10、 R6/R12、 R8/R13、 R9/R11)来限 流。MOSFET内在体二极管为本机3. 3V调压器提供电能，同时阻隔来自未经初始化端口的电 能。 回到图8，所有其他组件在第二电压域92中。RF调制器86a_86b (优选地是CCI 101RFID芯片)用于单独地与每个端口 86a-86b进行通信。天线微控制器85优选地是SAM 7S微控制器。天线微控制器85负责从集线器电缆驱动器30接收初始化命令，并且用一组 低电流二极管泵(未示出)接通每个端口 88a-88d。天线微处理器85监视供给电压的下 降，这表示坏的分段信号。温度数据由温度传感器(未示出)收集。用户接口 97由按钮、 LED和LCD显示器组成。数据收发机98从标签20、22收集数据，并且将数据传送给天线微 处理器85以用来向回传播给集线器电缆驱动器。
E.物理描述 回到图l，示例性集线器电缆驱动器30的电路优选地安装到金属壳体内。罩不需 要防爆或防尘。优选地，所有板是敷型涂层。示例性天线26a-26i、28a-28i的电路因环境 原因优选地安装在封闭的坚固塑料罩内；然而，没有对罩做出防尘的要求。罩不需要防爆或 防尘。示例性天线26a-26i、28a-28i的电路是本质安全的。优选地，所有板是敷型涂层。
F.网格网络安全性 为了保持本质安全性和方便快速检查，当部署示例性系统10时，应当注意以下限 制 1.每个天线网络26、28组合可以仅使用一个集线器电缆驱动器30。
2.处于集线器电缆驱动器30和天线(例如26a-26i、28a-28i)或天线(例如 26a-26i、28a-28i)之间的每个通信电缆分段的长度应当少于通信电缆特性所确定的预定 长度(例如，对于RGll同轴电缆，长度为4000英尺)。 3.由通信电缆特性所确定的每天线网络组合26、28可以使用预定数量天线(例 如，26a-26i、28a-28i)。例如，50个天线的上限限制了可部署的电缆分段的最大数量。如果 对第一节点添加四个分段，并且每个附加节点添加三个分段，则通过使用RGI 1同轴电缆的优选特性，最大的分段数一定是1*4+49*3 = 151。 15W4K英尺产生604K英尺网络的更 坏情形。考虑16pF/ft电缆规范揭示了分布在整个网络中9.6uF的更坏情形。假定系统最 大40V直流，并使用75欧姆交流和18. 4欧姆直流的分段电阻数，则可以看出最大网络没有 表现出点火危险。 应当注意，这些准则(maxim)的意图是简化安全性检查，但超出了示例性系统10 的有用能力范围。天线负载、信号强度和电缆电阻将自动把可用网络大小限制到这些水平 之下。因而，对持续安全性的简单检查是系统功能。简单而言，如果天线26a-26i、28a-28i 是加电并通信的，则网络状态良好。
G.可选空气传感器 选择性地，系统10能够包括本质安全空气传感器，不论是有线还是无线。本质安
全无线空气传感器位于地下矿井的已知位置，并且使用以上相对于人员标签20和设备标
签22描述的同一无线电技术定期发射数字无线电信号。数字无线电信号包含识别无线空
气传感器的唯一识别码以及由无线空气传感器所检测到的瓦斯水平读取值。 有利地，无线空气传感器通过允许需要校准的无线空气传感器与已经校准过的无
线空气传感器进行交换来简化校准处理。然后，可以在相比矿井更加受控(和舒适)的环
境中，在中心位置，将需要校准的无线空气传感器与其他无线空气传感器一起进行校准。另
外，无线空气传感器包含充电电池，其能够在校准之间对无线空气传感器供电。所以在校准
之后可以对充电电池充电，然后该无线空气传感器将是已经过校准和充电的，并准备好与
需要校准和充电的另一个无线空气传感器进行互换。 本质安全有线空气传感器也位于地下矿井的已知位置。有线空气传感器优选地是 由通信电缆串联连接到网状天线网络26、28。将每个有线空气传感器配置为经由通信电 缆从集线器电缆驱动器30接收电能；在各个有线空气传感器上检测空气中的瓦斯水平；并 且通过通信电缆定期向集线器电缆驱动器30发射信号。发射的信号包括识别各自空气传 感器的唯一识别码以及指示检测到的瓦斯水平的瓦斯水平读取值。各个集线器电缆驱动器 30将接收到的信号经由数据交换机34发射到服务器36。服务器36将数据存储在数据存 储器38中，并且工作站40使用数据存储器38中的数据来跟踪每个有线空气传感器的瓦斯 水平。 H.数据交换机 数据交换机34是诸如本领域所熟知的标准数据交换机，并且用作使用诸如以太 网的预定通信协议将集线器30连接到服务器36。
I.服务器/数据存储器 服务器36从集线器30接收信号，并且将包含在接收到的信号中的数据存储在数 据存储器38中。
J.工作站 将工作站40配置为，使用如下所述的软件从数据存储器38检索已存储的数据，并 使用已存储的数据来跟踪人员和采矿设备。
K.软件 图12示出代表性服务器36。优选地，服务器36具有冗余电源、硬盘、风扇和以太 网端口。而且，服务器36优选地具有远程管理卡，用来允许对服务器36进行远程管理。服务器36执行以下将要描述的数个程序模块，实施示例性方法的步骤以用来使用如上所述 的标签20、22和天线26a-26i、28a-28i来跟踪矿井中的矿工和设备。 图13-图15示出程序模块可以产生以用来在显示工作站40(图1)上显示的代表 性屏幕截图。显示工作站40优选地是经由以太网连接与服务器36进行通信。
图13是示例性地图显示270，用于识别矿工、单元、设备、或设备组。例如，地图显 示270上的节点272表示天线26a-26i、28a-28i (图1)。通过选择节点272，地图显示270 上出现的窗口 274识别所选的天线26a-26i、28a-28i，并列出当前在该位置上出现的矿工 或设备(即标签20、22(图l))。地图显示270可以具有縮放能力。 图14是示例性数据显示280，其显示天线26a-26i、28a-28i (图1)和标签20、 22(图1)的详细信息，并且可以由标签20、22或天线26a-26i、28a-28i来分类。数据 显示280包括天线识别/状态区域282、所选的标签详细信息区域284、和在所选的天线 26a-26i、28a-28i附近出现的所有标签列表286。所选的标签详细信息区域284还可以包 括与标签20、22相关联的矿工或设备的照片288。 图15是示例性集结监视显示290，其用于显示在集结区域中显示矿工和确认标签 操作。集结监视显示器290包括第一区域292，用来识别还没有办理登记的矿工的人员标 签20 ;第二区域294，用来识别已经办理登记的矿工标签20 ;以及第三区域296，用来识别 在集结区域天线上出现的矿工的人员标签20。图16-图22图示用于使用上述的标签(例如20、22)和天线(例如26a-26i、 28a-28i)来跟踪矿井中的矿工和设备的示例性软件系统100。如此，在以下描述中引用标 签20、22和天线26a-26i、28a-28i应当理解为指上述示例性的标签(例如20、22)和天线 (例如26a-26i、28a-28i)。 图16是示例性软件系统100的体系结构概况图，包括软件模块，该软件模块包括 服务器模块101、管理模块102、查看模块103、监视模块104、密钥模块105、 OPC模块106、 传感器数据共享存储器107、标签数据共享存储器108、读取器通信共享存储器110、服务器 数据库112、和RS命令共享存储器114。 服务器模块101包括同时运行的多个服务器对象101a-101e。每个运行的服务器 对象101a-101e处理集线器电缆驱动器30和天线(例如26a-26i、28a-28i)。服务器模块 101的目的是从集线器电缆驱动器30和天线(例如26a-26i、28a-28i)接收信息，并将该 信息传递给管理模块102。该通信通过服务器36的存储元件内的标签数据共享存储器108 完成。 另外，服务器对象101a-101e通过存储了数字无线电消息的读取器通信共享存储 器110来相互进行通信。服务器模块101对由一个以上天线(例如26a-26i、28a-28i) — 次接收到的数字无线电消息进行过滤，并仅将具有最强信号的数字无线电消息和接收该信 号的天线的位置存储在标签数据共享存储器108中。以此方式，服务器模块101通过确定 最近天线(例如26a-26i、28a-28i)(即接收最强信号的天线)的位置，来确定标签20、22 的位置。 将传感器数据存储在传感器数据共享存储器107中。 管理模块102提供若干种功能。管理模块102的主要功能是读取标签数据共享存 储器108和传感器数据共享存储器107的共享存储器，并将该信息转换为在服务器数据库
13112上的服务器记录。另外，管理模块102经由RS命令共享存储器114将命令发送给服务 器模块101。另外，管理模块102维护在系统10中使用的集线器电缆驱动器30和所有天 线(例如26a-26i、28a-28i)的定义。这些定义包括诸如专用于读取器硬件的以太网地址 和端口信息的条目。 在服务器数据库112内，管理模块102维护实况标签数据表113和历史数据表 115。实况标签数据表113包含如从集线器电缆驱动器30和附属于系统10的每个天线(例 如26a-26i、28a-28i)读取的当前数据。管理模块102将历史跟踪标签数据存储在历史数 据表115中，以维护用于每个跟踪标签20、22的位置历史。 查看模块103相对于服务器数据库112提供两个主要功能。 一个功能是提供矿井 的视觉概况，包括多级地图及将跟踪标签20、22的位置显示在地图上。另一功能提供表格 形式的跟踪数据视图，二者用于实施跟踪数据表113和历史数据表115。另外，查看模块103 还能够从实况标签数据表113和历史数据表115中的数据产生临时(ad hoc)和预定的报
告 查看模块103还提供多种其他功能。 一种功能允许用户从系统10添加、修改或移 除天线(例如26a-26i、28a-28i)时，相对于地图对天线(例如26a-26i、28a-28i)的位置信 息进行编辑。另一功能是选择性地挑选是否对标签20、22的数据进行过滤，诸如仅针对当 前班次或当活动标签被读入实况标签数据表113时。显示模块103还提供将跟踪标签20、 22定位到当前位置以及定位到跟踪标签20、22被读取的最后位置，然后将这些位置视觉显 示在地图和表格中。显示模块103提供的另一功能是编辑与特定标签相关联的详细信息。 这些详细信息可以包括诸如以下条目工号、仓库ID、以及数据库中的个人或财产的照片。
监视模块104对数据库报告和状态通知提供电子邮件支持。监视模块104还提供 方法来清理数据库表格、清理数据库例程、以及监视管理模块102的操作。
密钥模块105提供一种用来基于允许的天线(例如26a-26i、28a-28i)和标签20、 22的数量来控制许可，并且基于在远程系统上的系统参数来产生用于远程系统的密钥(允 许经由电话支持进行许可证改变)的方法。 0PC模块106允许对外部客户端的0PC访问，诸如连接到提供空气监视服务的另一 服务器。 图17是服务器模块101的流程图，服务器模块101作用为到天线(例如26a-26i、 28a-28i)的接口。读取器初始化过程116首先对集线器电缆驱动器30和所有的天线(例 如26a-26i、28a-28i)进行初始化，包括读取集线器电缆驱动器30和天线(例如26a_26i、 28a-28i)的状态，以及从集线器电缆驱动器30和天线(例如26a-26i、28a-28i)读取历史 数据。这提供了在服务器36宕机(down)时，从集线器电缆驱动器30和天线(例如26a-26i、 28a-28i)读取信息的功能。在读取器初始化过程116之后，在服务器模块101内进行六个 过程。 第一过程是流处理过程118。 一旦读取器初始化过程116完成，则集线器电缆驱动 器30和天线(例如26a-26i、28a-28i)进入"数据流"模式。在"数据流"模式中，集线器 电缆驱动器30和天线(例如26a-26i、28a-28i)"流出"来自于每个标签20、22，读入到服 务器36的数据，包括时间戳、标签的ID，接收信号的天线的ID、以及RSSI (接收到的信号强 度指示符)值。如上所述，每个运行的服务器对象101a-101e处理集线器电缆驱动器30和天线(例如26a-26i、28a-28i)，在步骤120中核查标签数据，并且在步骤122中将标签数据 存储到读取器通信共享存储器110。 第二过程是标签数据处理过程124，用于处理来自读取器通信共享存储器110的 数据。读取器通信共享存储器110用作数据的缓冲，并且标签数据处理过程124读取已缓 冲的数据，且仅存储用于在特定时间上对于特定标签20、22具有最高RSSI的数字无线电消 息的标签数据。标签数据处理过程124将已缓冲或已过滤的数据存储到标签数据共享存储 器108，从而识别在特定时间最靠近于标签20、22的天线。缓冲过程确保了仅将有效的、新 的、和最强的标签数据传递给管理模块102，以用于存储在服务器数据库112中。
第三过程是传感器数据处理过程126，用于处理传感器数据共享存储器107的传 感器数据。 第四过程是显示处理过程128。显示处理128显示集线器电缆驱动器30和天线 (例如26a-26i、28a-28i)的状态并监视通信。 第五过程是调试处理过程130，其向工程师或技师提供可以对在程序内运行的处 理进行故障排除，并确定标签数据是否存储正确的能力。这通过收集数据然后将该数据显 示在服务器模块101中可用的追踪框中来完成。 第六过程是控制处理过程132，用于对来自管理模块102的命令进行处理。管理模 块102将命令发送给RS命令共享存储器114，控制处理过程132对命令进行处理，并然后在 服务器模块101内提供合适的操作步骤。 图18是管理模块102的流程图，其提供对集线器电缆驱动器30和相关联的天线 (例如26a-26i、28a-28i)的管理。 第一过程是读取器服务器显示处理过程140。读取器服务器显示处理过程140读 取数据库信息，并以表格形式将服务器描述和服务器状态(框142)显示在管理模块102产 生的主屏幕上。 第二过程是读取器服务器定义处理过程144。读取器服务器定义处理过程144在 集线器电缆驱动器30和相关联的天线(例如26a-26i、28a-28i)当前不处于活动时，对系 统IO进行初始化。其注册新的服务器、重新注册或编辑旧的服务器，并且将服务器从系统 IO中注销或删除(框146)。 第三过程是控制请求过程148。控制请求过程148与服务器模块101的控制处理 过程132 (图17)结合运行。控制请求处理148向操作员提供了一种将全局命令和单个读 取器特定命令(框150)发送给服务器模块101和服务器对象(例如102a-102e)的方法。 这些功能的示例是设置服务器对象内的选项，诸如每日开启诸如时间同步的功能，或者一 旦服务器模块IOI已初始化，就清除读取器历史。控制请求过程148还提供诸如即时清理 历史或强制时间同步的命令。经由RS命令共享存储器区114，将该数据发送到服务器模块 101和服务器对象(例如101a-101e)。 第四过程是标签数据存储处理过程152。数据存储处理过程152提供了管理模块 104的主要功能，是将数据存储到服务器数据库112。第一步骤154将从标签数据共享存储 器108读取标签数据。然后，在步骤156，将标签数据存储到服务器数据库112的实况标签 数据表113。进一步地，附加处理确定历史数据表115是否还需要更新。历史数据表115最 多每10秒更新一次，并且当管理模块104确定标签20、22已经从与一个天线24靠得更近
15移动到与其他天线靠得更近时，在历史数据表115中创建新的记录。 最后的过程是传感器数据存储处理过程157，其是用于传感器数据的标签数据存 储处理过程152的镜像。 图19是监视模块过程104的流程图。读取器状态处理检测集线器电缆驱动器30 和相关联的天线(例如26a-26i、28a-28i)的状态，并经由电子邮件产生对状态改变的通 知。每日报告处理产生每日报告、每日日志、和标签检查报告。测试标签监视监视器对标签 进行测试，并且如果测试标签不是活动的，则发送通知。电池告警监视监视器对用于电池告 警的标签进行监视，若检测到电池告警则发送通知。远程命令处理从电子邮件服务器读取 命令，并且对电子邮件中包含的命令进行处理。每日清理清除历史数据和错误标签数据。
图20是查看模块103的流程图，其提供用于系统10的主用户界面。显示模块103 由在矿井中的操作员或技师使用，以可以对存储在服务器数据库112中的信息进行视觉 化。显示模块103有三种主要功能/过程。 第一过程是视觉显示过程158，其显示用户定义的矿井的层级树，通过选择树中的 要素，用户能够查看矿井的不同部分。用户具有对该矿井中的这些不同区域进行定义，以 及在系统是用于查看来自不同矿井的数据时，对不同矿井中的这些不同区域进行定义的能 力。天线(例如26a-26i、28a-28i)的状态显示在矿井的视觉地图上，且状态由颜色来指示， 而且标签20、22的列表可以在地图上显示的每个天线(例如26a-26i、28a-28i)处看到。该 列表是选择性的，基于标签的活动水平、基于当前的时间和日期、以及基于标签20、22的组 成员。 第二过程是表格显示过程160，其以表格形式显示数据。表格显示过程160提供显 示实况标签数据和历史标签数据的选项。进一步地，当在表格中选择特定标签20、22时，表 格显示处理160显示用于该标签20、22的详细信息，包括诸如名称、工号、组成员、和分配 给标签20、22的个人或设备的图片。 显示模块103的最后过程是控制功能过程162。控制功能过程162定义以下功能， 其中能够选择地像并将其存储在服务器数据库112中；能够定义标签20、22的详细 信息，诸如雇员数量和照片；能够通过"查找"按钮搜索矿工或资产的位置；在选择性挑选 的数据范围的情况下，能够产生预定的快速报告或临时报告；能够打印用于个别标签20、 22、组成员、或标签组的报告；并且能够通过拖放功能定义天线位置。另外，控制功能过程 162还提供定义矿井的区域和表示用于特定矿井和区域的背景的图像文件。最后，控制功能 过程162包括如果已知离开监视区域的标签20、22没有在预定的时间量内在监视区域内 重新出现，则能够人工设置告警来发声。 图21是密钥模块105的流程图，其必须运行来产生初始化字符串，或第一密钥 ("密钥A")，其必须报告第二密钥("密钥B")的产生。第一密钥和第二密钥功能作为许 可控制系统。 图22是OPC模块106的流程图，其提供了使数据从支持OPC (用于过程控制的OLE)
的其他系统进出的方法。 L.附加步骤和配置 本领域的技术人员将意识到在不偏离本发明教导的前提下，其他步骤和配置也是 可能的。这里的具体描述，尤其是公开的示例性实施例的特定细节主要是为了理解清楚的
16目的，不应将其理解为有不必要的限制，本领域的技术人员在阅读本公开之后，修改将变得 显而易见，且在不偏离要求发明的精神或范围的前提下可以做出修改。 所以，本发明的范围应当由权利要求及其合法的等同来确定，而不是由给出的示 例来确定。
权利要求
一种用于在危险环境中跟踪人员和设备的系统，包括跟踪标签，用于附着于所述危险环境中的人员和设备的一个，所述跟踪标签是本质安全的，并且定期发送包含了用于识别所述跟踪标签的唯一跟踪标签识别码的无线电信号；本质安全读取器系统，包括集线器电缆驱动器和多个本质安全天线，所述集线器电缆驱动器和所述多个本质安全天线由通信电缆连接；所述集线器电缆驱动器被构造成经由所述通信电缆向所述多个本质安全天线提供本质安全电能并与所述多个本质安全天线通信；所述多个本质安全天线采用自修复的冗余连接基础结构拓扑位于所述危险环境中的已知位置，每个本质安全天线被构造用于从所述跟踪标签接收所述无线电信号，以及经由所述通信电缆向所述集线器电缆驱动器发送数据信号，所述数据信号包含用来识别天线的天线识别码和用来识别跟踪标签的跟踪标签识别码；其中，由于所述本质安全跟踪标签、所述多个本质安全天线和来自于所述集线器电缆驱动器的所述本质安全电能和通信的本质安全属性，所述系统能够继续在爆炸性环境中操作；并且其中，所述冗余连接基础结构拓扑使得所述系统尽管在沿着所述冗余连接基础结构拓扑的位置上有通信中断时，也能够继续操作。
2. 如权利要求1所述的系统，其中所述本质安全跟踪标签附着于所述危险环境中的人 员所佩戴的安全帽。
3. 如权利要求1所述的系统，其中所述本质安全跟踪标签附着于位于所述危险环境中 的设备，所述本质安全跟踪标签用于接收所述设备的设备状态和位置信息，并且定期发送 包含用来识别所述本质安全设备标签的唯一设备标签识别码以及所述设备状态和位置信 息的无线电信号。
4. 如权利要求1所述的系统，其中每个本质安全天线具有第一电压域、开关调压器、以 及第二电压域，其中每个本质安全天线为了最大化本质安全，接收所述第一电压域中的第 一电压的电能，并使用所述开关调压器将所述第一电压的电能转换为所述第二电压域的电 能以供在所述第二电压域中使用。
5. 如权利要求1所述的系统，其中每个本质安全天线具有用来与多个其他天线连接的 多个通信端口 ，其中所述多个通信端口 一直不加电且相互断开，直到接收到加电和连接所 述多个通信端口中的选定通信端口的命令。
6. 如权利要求l所述的系统，其中所述集线器电缆驱动器具有输出端口，用于提供所 述本质安全电能和通信；IS保护块，用于检测所述输出端口处的电流和电压水平；以及集 线器微处理器，用于从所述IS保护块接收所述电流和电压水平，并且当必要时从所述输出 端口断开电能。
7. 如权利要求1所述的系统，进一步包括位于所述危险环境中的已知位置上并与所述 集线器电缆驱动器通信的本质安全空气传感器，所述本质安全空气传感器被构造用于检 测在在所述本质安全空气传感器处的空气中的瓦斯水平；并且定期将信号发送给所述集线 器电缆驱动器，所述信号包括用来识别所述本质安全空气传感器的唯一识别码以及用来指 示所检测到的瓦斯水平的瓦斯水平读取值。
8. 如权利要求7所述的系统，其中所述本质安全空气传感器是无线空气传感器。
9. 如权利要求7所述的系统，其中所述本质安全空气传感器通过通信电缆与所述集线器电缆驱动器进行通信，并且其中所述本质安全空气传感器进一步被构造为经由所述通信电缆从所述集线器电缆驱动器接收电能。
10. —种用于在危险环境中跟踪人员和设备的系统，包括多个跟踪标签，每个跟踪标签用于定期发送包含唯一跟踪标签ID的无线电消息，每个跟踪标签附着于在所述危险环境中存在的不同人员或设备，每个跟踪标签是本质安全的；本质安全读取器系统，包括集线器电缆驱动器和多个本质安全天线，所述多个本质安全天线连接到所述集线器电缆驱动器并且通过通信电缆采用冗余连接基础结构拓扑相互连接，每个天线位于所述危险环境中的已知位置并用来从附近的跟踪标签接收无线电消息、确定每个接收到的无线电消息的信号强度值以及将用于每个接收到的无线电消息的标签数据消息发送到所述集线器电缆驱动器，每个标签数据消息包括所述接收到的无线电消息、所述接收天线的天线ID、和所述信号强度值；服务器数据库；以及服务器，所述服务器包括服务器模块，用于从所述集线器电缆驱动器接收标签数据消息、通过确定接收具有最高信号强度值的所述无线电消息的所述天线来确定每个跟踪标签的位置；管理模块，用于维护所述服务器数据中的实况标签数据表，所述实况标签数据表包含用于每个跟踪标签的当前位置数据；以及查看模块，用于在所述危险环境的至少一个部分的地图上，产生每个跟踪标签的当前位置的显示，并且产生用于每个跟踪标签的数据的选定显示。
11. 如权利要求io所述的系统，进一步包括至少一个与所述集线器电缆驱动器通信的空气传感器；其中所述服务器进一步包括传感器数据共享存储器。
12. 如权利要求10所述的系统，进一步包括监视模块，用于提供对数据库报告和状态通知的电子邮件支持。
13. 如权利要求12所述的系统，其中所述监视模块进一步用于读取和处理包含在从电子邮件服务器接收到的电子邮件消息中的命令。
14. 如权利要求IO所述的系统，进一步包括密钥模块，用于提供基于允许的天线和跟踪标签的数量控制许可的装置。
15. 如权利要求10所述的系统，进一步包括0PC模块，用于允许外部客户端对所述服务器的0PC访问。
16. 如权利要求10所述的系统，其中所述查看模块进一步用于，当已知离开所述本质安全读取器系统的检测附近范围的跟踪标签没有在预定的时间量内重新出现在所述本质安全读取器系统的检测附近范围，则设置告警发出声响。
全文摘要
一种在事故前和事故后在危险环境中跟踪人员和设备的系统，包括本质安全跟踪标签和本质安全读取器系统。所述本质安全跟踪标签将识别和状态信息发送给本质安全读取系统，所述本质安全读取系统包括多个本质安全天线和集线器电缆驱动器。在一个实施例中，天线位于危险环境中的已知位置，并且经由冗余有线网格拓扑互连。所述有线网格拓扑相比视距无线网格系统，允许更加灵活的天线放置。所述集线器电缆驱动器使用通信电缆向所述天线提供电能并与所述天线进行通信，从所述天线接收数据信号，并将所述数据信号发送给服务器。所述服务器将所述数据信号存储在存储设备中并连接到工作站。所述工作站检索已存储的数据以用来跟踪人员或设备。
文档编号G01S1/00GK101765786SQ200880100862
公开日2010年6月30日 申请日期2008年6月13日 优先权日2007年6月13日
发明者伊万·M·布扎纳, 保罗·R·布莱洛克, 克里斯托弗·艾尔普斯, 大卫·科拉迪, 朱斯廷·E·贝纳特, 特蕾西·L·海富德, 蒂莫西·M·迪百列, 马克·瓦特森, 麦克·E·斯霍拉斯 申请人:阿利安斯煤炭有限责任公司