專利名稱：一種井下人員定位系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦井下安全監(jiān)控領(lǐng)域，特別涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
煤炭是我國的主要能源，但多年以來，煤礦井下的工作環(huán)境惡劣，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜， 一直存在著各種有害氣體及不明水體逸出等災(zāi)難隱患，并且，我國的開采技術(shù)相對(duì)落后，井下生產(chǎn)人員素質(zhì)較低，導(dǎo)致各種礦井的惡性事故不斷發(fā)生，井下工作人員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們?cè)诰虏荚O(shè)了多種探測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，以便獲知井下工作人員的位置，方便在發(fā)生礦難時(shí)及時(shí)開展救援工作以及日常生產(chǎn)中的管理調(diào)度。
為實(shí)現(xiàn)井下人員的定位，中國專利申請(qǐng)01122258. 1公開了一種井下人員智能定位安全管理系統(tǒng)，它由電子識(shí)別卡、巷道詢問接收裝置和管理調(diào)度中心構(gòu)成。井下工作人員佩戴電子識(shí)別卡，識(shí)別卡寫入員工的電子編號(hào)，由礦燈電瓶供電，當(dāng)識(shí)別卡收到巷道詢問接收裝置的詢問信號(hào)后，應(yīng)答發(fā)射井下工作人員的編號(hào)信號(hào)，巷道詢問接收裝置收到應(yīng)達(dá)的信號(hào)傳送給管理調(diào)度中心，管理調(diào)度中心記錄該信號(hào)和發(fā)生的時(shí)間。通過多點(diǎn)定位接收可以對(duì)井下工作人員進(jìn)行跟蹤定位，有利于調(diào)度指揮、安全監(jiān)督和人員的統(tǒng)計(jì)考勤，特別是可以在事故發(fā)生時(shí)為救援提供人員位置信息。
但是，該發(fā)明只能確定井下工作人員的位置在詢問裝置的接收范圍內(nèi)，而一般的井下無線通信距離都為幾十米的數(shù)量級(jí)，所以該定位系統(tǒng)的定位精度也是幾十米的數(shù)量級(jí)，定位精度很低。另一方面，如果想要提高精度就必須增大詢問裝置的布設(shè)密度，這樣會(huì)增加定位系統(tǒng)的成本。
現(xiàn)有的井下定位系統(tǒng)大多是采用基于RFIDO^adio Frequency Identification) 射頻識(shí)別技術(shù)的定位系統(tǒng)，所用的方法也和上述專利類似，都存在定位精度不夠、精度受成本限制等問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，特別是針對(duì)礦井定位技術(shù)定位精度不夠、精度受成本限制的問題，本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)簡單的井下人員定位系統(tǒng)和一種精確度高，算法簡單的定位方法。該系統(tǒng)及方法結(jié)合巷道空間的特點(diǎn)，利用有限的參考節(jié)點(diǎn)和簡單的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確的目標(biāo)定位，滿足了礦井生產(chǎn)調(diào)度和災(zāi)后及時(shí)救援的需要。
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
上述系統(tǒng)是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)，包括地面監(jiān)控中心， 傳輸基站，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，光纖，總線，無線信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)中涉及的井下設(shè)備全部是本質(zhì)安全型設(shè)備。上述本發(fā)明的定位方法是一種基于模式匹配的人員定位方法。
所述的地面監(jiān)控中心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器，或者是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。地面監(jiān)控中心存儲(chǔ)定位模式數(shù)據(jù)，并從基站接收從井下發(fā)來的定位信息，處理定位信息。
所述的傳輸基站是大型的本質(zhì)安全型交換機(jī)，負(fù)責(zé)匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線發(fā)過來的信息，并通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。
所述的每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源及總線模塊。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)方式和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)覆蓋半徑布設(shè)在巷道壁上，負(fù)責(zé)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信息，并將其通過總線傳送到傳輸基站。
所述的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)按區(qū)塊布設(shè)，負(fù)責(zé)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位信息，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)都分配一個(gè)所屬區(qū)塊編號(hào)和一個(gè)在本區(qū)塊內(nèi)獨(dú)有的自身編號(hào)。
所述的每個(gè)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、顯示器、鍵盤、電源，鍵盤用于輸入訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)所在的位置坐標(biāo)，所以訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)已知自身位置坐標(biāo)，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配合，生成訓(xùn)練定位模式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面監(jiān)控中心。
所述的每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源，分配有一個(gè)獨(dú)有的編號(hào)，與井下工作人員的身份對(duì)應(yīng)。
所述的總線是CAN總線，或局域網(wǎng)總線，或RS-485總線，負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與傳輸基站之間的通信；所述的光纖負(fù)責(zé)傳輸基站與地面監(jiān)控中心之間的通信。
所述的井下人員定位系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上添加的傳感器，用于測(cè)量周圍的環(huán)境信息，并用與定位數(shù)據(jù)相同的傳輸方式，將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控中心。
上面所述定位方法的實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)階段一是訓(xùn)練階段，使用已知自身位置坐標(biāo)的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配合，生成包括自身位置坐標(biāo)、所在區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)及信號(hào)強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)和傳輸基站傳送到地面監(jiān)控中心存儲(chǔ)；二是定位階段，由置于井下人員安全帽上的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號(hào)，經(jīng)過簡單處理后形成包括所在區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)及信號(hào)強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)和傳輸基站發(fā)送到地面監(jiān)控中心， 地面監(jiān)控中心將這種模式數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中在訓(xùn)練階段生成的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算，找出與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所生成的模式數(shù)據(jù)最接近的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)生成的模式數(shù)據(jù)，得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的精確位置。
上述基于模式匹配的井下人員定位方法的實(shí)現(xiàn)包括下列步驟
步驟A，根據(jù)井下的巷道結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，布設(shè)并配置信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，傳輸基站，以及總線；
步驟B，在巷道內(nèi)根據(jù)需要的定位精度，使用訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配合，在地面監(jiān)控中心生成定位模式數(shù)據(jù)庫；
步驟C，在井下工作人員安全帽上安裝移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)；
步驟D，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位請(qǐng)求信號(hào)后，向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位信號(hào)；
步驟E，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位信號(hào)，向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)收到信號(hào)并記錄接收到的定位信號(hào)中的區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身編號(hào)及信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)而確定自己所在的區(qū)塊，按照預(yù)先設(shè)定的格式將所在區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度，以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身的編號(hào)發(fā)送到臨近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；
步驟F，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，通過總線、傳輸基站、光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控中心；
步驟G，地面監(jiān)控中心接收到步驟F中所述的數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包中的模式數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中在步驟B生成的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配計(jì)算。
所述的步驟A包括以下步驟
步驟Al，在井下巷道內(nèi)分區(qū)塊布設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)區(qū)塊的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)相同；
步驟A2，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的覆蓋半徑，在井下巷道布設(shè)與總線連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)占.I— /、、、
步驟A3，完成布設(shè)任務(wù)后，按所分的區(qū)塊為區(qū)塊內(nèi)的每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，編號(hào)包括兩部分，一部分是所在區(qū)塊的編號(hào)，一部分是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)；
所述的步驟B包括以下步驟
步驟Bi，根據(jù)需要的定位精度選擇井下指定的定位點(diǎn)，根據(jù)井下巷道的具體構(gòu)型， 確定每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；
步驟B2，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)在步驟Bl中的每個(gè)指定的定位點(diǎn)，鍵盤輸入所在點(diǎn)的坐標(biāo)并存儲(chǔ)，接收該點(diǎn)所在區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號(hào)；
步驟B3，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)將所在區(qū)塊的編號(hào)、收到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度以及訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)自身的位置坐標(biāo)，按照預(yù)先設(shè)定的格式打成數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線將數(shù)據(jù)包發(fā)送至傳輸基站，傳輸基站通過光纖將數(shù)據(jù)包發(fā)送至地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心將收到的數(shù)據(jù)包作為定位模式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。
所述的步驟C還包括以下操作
在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)后，如果一段時(shí)間過后沒有收到或者沒有收到預(yù)定數(shù)量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，則重新發(fā)送，如果重發(fā)幾次都沒有收到或者沒有收到預(yù)定數(shù)量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，則向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)錯(cuò)信息，告知地面監(jiān)控中心信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可能損壞或者電池電量已耗盡。
所述的步驟E包括以下步驟
步驟E1，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位信號(hào)，記錄接收到的所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)、區(qū)塊編號(hào)及信號(hào)強(qiáng)度；
步驟E2，按照信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度從高到低進(jìn)行排序，選出最先排出的屬于同一區(qū)塊的所有的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)塊編號(hào)為這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)塊的編號(hào)， 并拋棄其它信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)；
步驟E3，將步驟E2確定的區(qū)塊編號(hào)、確定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度， 以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身的編號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的格式打成數(shù)據(jù)包發(fā)送至鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
所述的步驟G中，地面監(jiān)控中心將接收到的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的模式數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)發(fā)送的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算包括以下操作
地面監(jiān)控中心接收到步驟F所述的數(shù)據(jù)包后，將其與步驟B中生成的數(shù)據(jù)庫中的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包中的區(qū)塊編號(hào)確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)塊，再根據(jù)數(shù)據(jù)包中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度，通過與數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)區(qū)塊的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算，找出數(shù)據(jù)庫中與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包中的模式數(shù)據(jù)最相似的模式數(shù)據(jù)，則該模式數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)確定為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于礦井的井下人員或者移動(dòng)設(shè)備的精確定位。雖然在訓(xùn)練階段生成模式數(shù)據(jù)庫需要一定的時(shí)間，但是為了達(dá)到高精度可靠的定位效果，這些時(shí)間是值得的，而且，數(shù)據(jù)庫的生成方式非常簡單，容易實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明還可以輕松的實(shí)現(xiàn)井下的人員調(diào)度、考勤監(jiān)督等。通過本發(fā)明，可有效的提高礦山的管理水平和工作效率。
本發(fā)明的有益效果是
1.本發(fā)明采用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)射定位請(qǐng)求信號(hào)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)只有檢測(cè)到定位請(qǐng)求信號(hào)時(shí)才發(fā)射定位信號(hào)的方式，并且將區(qū)塊選擇和數(shù)據(jù)幀的形成及發(fā)送任務(wù)放在可以用礦燈電瓶供電的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上，使用電池供電的無線信標(biāo)節(jié)點(diǎn)只需要在收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位請(qǐng)求信號(hào)時(shí)才發(fā)射電磁波信號(hào)，這樣可以大大延長信標(biāo)節(jié)點(diǎn)中電池的使用時(shí)間，進(jìn)而延長整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。
2.本發(fā)明采用基于模式匹配的定位算法，以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度為計(jì)算參量，無須根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算信號(hào)的傳輸距離，一方面算法的復(fù)雜度低，可以減小計(jì)算帶來的時(shí)延，另一方面，定位確定到巷道內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的具體坐標(biāo)，相比于現(xiàn)在煤礦井下普遍使用的基于RFID (Radio Frequency Identification)射頻識(shí)別技術(shù)，只能確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在某個(gè)讀卡器附近的定位方式，大大提高了定位的精度。
3.本發(fā)明結(jié)合井下巷道的特點(diǎn)把井下巷道分成不同的區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊只需要鋪設(shè)很少的幾個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)高精度的定位，成本較??；并且結(jié)構(gòu)功能簡單，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量還可以依據(jù)具體環(huán)境和定位精度要求靈活設(shè)定。


圖1是本發(fā)明的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)的組成框圖
圖2是本發(fā)明的定位方法中訓(xùn)練階段巷道的俯視示意圖3是本發(fā)明的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式；
圖4是本發(fā)明的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)向地面監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式；
圖5是本發(fā)明的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向地面監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式；
圖6是本發(fā)明的定位方法中定位階段的巷道俯視示意圖7是本發(fā)明的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的電路框圖8是本發(fā)明的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相同的電路框圖9是本發(fā)明的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電路框圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容和優(yōu)勢(shì)更加清楚明了，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的一種井下人員定位系統(tǒng)及方法進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明的井下人員定位系統(tǒng)及方法，是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)及方法，主要針對(duì)在井下人員定位方面現(xiàn)有技術(shù)在定位精度、成本限制等方面的不足， 提出一種采用模式匹配方法的高精度定位方法，和一種結(jié)合該方法構(gòu)成的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)井下人員定位系統(tǒng)。定位方法的實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)階段一是訓(xùn)練階段，使用已知自身位置坐標(biāo)的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配合，生成包括自身位置坐標(biāo)和所在區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在地面監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫；二是定位階段，由置于井下人員安全帽上的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，經(jīng)過簡單處理后形成包含所在區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳輸基站發(fā)送到地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心將這種模式數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中在訓(xùn)練階段生成的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算，找出與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所生成的模式數(shù)據(jù)最接近的數(shù)據(jù)庫中的模式數(shù)據(jù)， 進(jìn)而得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的精確位置。該方法區(qū)別于目前常用的基于電子識(shí)別卡和讀卡器的只能確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在讀卡器能感知的區(qū)域內(nèi)的定位方式，采用模式匹配的方法，得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具體的位置坐標(biāo)，大大提高了系統(tǒng)的定位精度。
下面詳細(xì)說明本發(fā)明的井下人員定位系統(tǒng)及方法。
圖1是本發(fā)明的井下人員定位系統(tǒng)的組成框圖。
如圖1所示，本發(fā)明的一種井下人員定位系統(tǒng)，包括地面監(jiān)控中心1、傳輸基站2、 光纖3、總線4、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)5、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)6、訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)7和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)8。訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所處的位置是一樣的，但在系統(tǒng)中是先后出現(xiàn)，不是同時(shí)出現(xiàn)。
地面監(jiān)控中心可以是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器，或者是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。它擁有一個(gè)大型的數(shù)據(jù)庫，可以使用Microsoft SQL krver作為管理系統(tǒng)， 用于存儲(chǔ)訓(xùn)練階段由訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)生成的定位模式數(shù)據(jù)。在定位階段，地面控制中心負(fù)責(zé)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)7通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)5和傳輸基站2發(fā)送過來的模式數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算，找出與其最接近的一種模式數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的精確坐標(biāo)。
模式匹配計(jì)算的具體算法如下
訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)7發(fā)送到地面監(jiān)控中心的模式數(shù)據(jù)用(1)表示，其中A為所屬區(qū)塊的編號(hào)，X
K[A,X<i1,r1, i2,r2,…，in，rn>，L] (1)里包含該區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)in和對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度rn，η表示預(yù)先設(shè)定的每個(gè)區(qū)塊中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，L為該模式對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)。
移動(dòng)節(jié)點(diǎn)8發(fā)送到地面監(jiān)控中心的模式數(shù)據(jù)用(2)表示，其中，B為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身的編號(hào)，
M[B，DJGnP1, i2，p2，…，in, pn>] 為所屬的區(qū)塊編號(hào)，Y里包含的內(nèi)容同上面敘述中的X。模式匹配計(jì)算時(shí)，先根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)7發(fā)來的模式數(shù)據(jù)中的區(qū)塊編號(hào)，找到數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)區(qū)塊編號(hào)對(duì)應(yīng)的模式數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行匹配計(jì)算，匹配計(jì)算如( 所示，最終選擇最小的N，取其對(duì)應(yīng)模式數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)，作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。
N = ^jJj-J-Pjf(3)
圖2是本發(fā)明的定位算法中訓(xùn)練階段巷道的俯視示意圖。
如圖2所示，本系統(tǒng)中使用每個(gè)區(qū)塊4個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行闡述，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)精度的需求靈活選擇每個(gè)區(qū)塊中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，當(dāng)然，不同的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的模式中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量不同。圖中9為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，10為訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)都有自己的編號(hào)，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)已知自身所在位置的坐標(biāo)，接收該區(qū)塊內(nèi)四個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號(hào)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號(hào)中包含其所在區(qū)塊的編號(hào)，自身的編號(hào)，其數(shù)據(jù)包的格式如圖3所示。訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)后，測(cè)得其到達(dá)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，然后將所在區(qū)塊的編號(hào)、四個(gè)信
權(quán)利要求
1.一種井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，包括地面監(jiān)控中心，傳輸基站，光纖，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，總線，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)；所述地面監(jiān)控中心是一臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器，或者是多臺(tái)計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；地面監(jiān)控中心存儲(chǔ)定位模式數(shù)據(jù)，并從傳輸基站接收從井下發(fā)來的定位信息，處理定位信息；所述傳輸基站是本質(zhì)安全型交換機(jī)，匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線發(fā)過來的信息，并通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心；所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位信息，通過總線傳送到傳輸基站； 所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)按區(qū)塊布設(shè)，每個(gè)區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)所在區(qū)塊編號(hào)和一個(gè)在本區(qū)塊內(nèi)獨(dú)有的自身編號(hào)；信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位信息，定位信息包括信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)塊編號(hào)和自身編號(hào)；所述每個(gè)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)具有鍵盤，輸入在巷道內(nèi)自身位置坐標(biāo)，從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收定位信息， 生成包括自身位置坐標(biāo)、所在區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，并上傳至地面監(jiān)控中心，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，作為所述定位模式數(shù)據(jù)；所述每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)獨(dú)有的編號(hào)，與井下人員的身份對(duì)應(yīng)；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)置于井下人員的安全帽上，使用礦燈電瓶作輔助電源；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位請(qǐng)求信號(hào)，并對(duì)接收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信息進(jìn)行處理，生成包括所在區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，并上傳至地面監(jiān)控中心，與所述定位模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算，實(shí)現(xiàn)定位；所述井下人員定位系統(tǒng)中涉及的井下設(shè)備，包括傳輸基站、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、總線、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、 訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是本質(zhì)安全型設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，所述總線是CAN總線，或局域網(wǎng)總線，或RS-485總線；所述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源及總線模塊； 所述信標(biāo)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、傳感器、電源，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在巷道內(nèi)按區(qū)塊布設(shè)；所述訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線收發(fā)器、鍵盤、顯示器、電源； 和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)包括處理器、存儲(chǔ)器、無線接收發(fā)器、傳感器、電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的傳感器、無線收發(fā)器，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)器、鍵盤和顯示器以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊與各節(jié)點(diǎn)中的處理器和存儲(chǔ)器單元相連；各節(jié)點(diǎn)中的無線收發(fā)器接收和發(fā)送無線電磁波；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中的傳感器感知周圍環(huán)境的溫度、濕度、甲烷濃度信息； 各節(jié)點(diǎn)中的處理器和存儲(chǔ)器單元存儲(chǔ)接收的數(shù)據(jù)，并處理控制其它單元的運(yùn)行；訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的鍵盤鍵輸入訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)所在的位置坐標(biāo)，顯示器顯示該坐標(biāo)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的總線模塊與總線相連；各節(jié)點(diǎn)中的電源提供電能。
4.一種井下人員定位方法，其實(shí)現(xiàn)過程包括兩個(gè)階段訓(xùn)練階段和定位階段； 所述訓(xùn)練階段中，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配合，生成包括自身位置坐標(biāo)、所在區(qū)塊編號(hào)及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，并上傳該模式數(shù)據(jù)到地面監(jiān)控中心，在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)；所述定位階段中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配合，生成包括所在區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度的模式數(shù)據(jù)，并上傳該模式數(shù)據(jù)至地面監(jiān)控中心，與訓(xùn)練階段生成的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位。
5.一種井下人員定位方法，其特征在于，包括下列步驟步驟A，根據(jù)井下的巷道結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，布設(shè)并配置信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，傳輸基站， 以及總線；步驟B，使用訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)配合，生成定位模式數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中；步驟C，在井下人員的安全帽上安裝移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性地向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)；步驟D，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位請(qǐng)求信號(hào)后，向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射定位信號(hào)； 步驟E，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位信號(hào)，向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)收到信號(hào)并記錄接收到的定位信號(hào)中的區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身編號(hào)及信號(hào)強(qiáng)度，確定自己所在的區(qū)塊，按照預(yù)先設(shè)定的格式將所在區(qū)塊編號(hào)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度，以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身的編號(hào)發(fā)送到臨近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；步驟F，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包，通過總線、傳輸基站、光纖把數(shù)據(jù)發(fā)送到地面監(jiān)控中心；步驟G，地面監(jiān)控中心接收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)照數(shù)據(jù)庫中在步驟B生成的定位模式數(shù)據(jù)， 進(jìn)行模式匹配定位。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述井下人員定位方法，其特征在于，所述步驟A包括以下具體步驟步驟Al，根據(jù)需要的定位精度，在井下巷道分區(qū)塊布設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)區(qū)塊內(nèi)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同；步驟A2，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)的覆蓋半徑，在井下巷道布設(shè)與總線連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)占.步驟A3，完成布設(shè)任務(wù)后，按所分的區(qū)塊為區(qū)塊內(nèi)的每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，編號(hào)包括所在區(qū)塊編號(hào)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述井下人員定位方法，其特征在于，所述步驟B包括以下具體步驟步驟Bi，根據(jù)需要的定位精度選擇井下指定的定位點(diǎn)，根據(jù)井下巷道的具體構(gòu)型，確定每個(gè)定位點(diǎn)的坐標(biāo)；步驟B2，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)在步驟Bl中的每個(gè)指定的定位點(diǎn)，鍵盤輸入所在位置坐標(biāo)，接收該點(diǎn)所在區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號(hào)；步驟B3，訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)將收到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、所在區(qū)塊編號(hào)、信號(hào)強(qiáng)度以及訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)自身的位置坐標(biāo)，按照預(yù)先設(shè)定的格式打成數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過總線將數(shù)據(jù)包發(fā)送至傳輸基站，傳輸基站通過光纖將數(shù)據(jù)包發(fā)送至地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心將收到的數(shù)據(jù)包作為所述定位模式數(shù)據(jù)，該定位模式數(shù)據(jù)表示為K[A，XGnri, i2,r2,…，in， rn>，L]，其中A為所在區(qū)塊編號(hào)，X里包含該區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)in和對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度 rn，η表示預(yù)先設(shè)定的每個(gè)區(qū)塊中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，η的值可以根據(jù)實(shí)際定位精度的需要設(shè)定，L為該定位模式數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述井下人員定位方法，其特征在于，所述步驟C包括以下操作 在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)后，如果一段時(shí)間過后沒有收到或者沒有收到預(yù)定數(shù)量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，則重新發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)，如果重發(fā)預(yù)定次數(shù)都沒有收到或者沒有收到預(yù)定數(shù)量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，則向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)錯(cuò)信息，告知地面監(jiān)控中心信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可能損壞或者電量已耗盡。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述井下人員定位方法，其特征在于，所述步驟E包括以下具體步驟步驟E1，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的定位信號(hào)，記錄接收到的所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的自身編號(hào)、區(qū)塊編號(hào)及信號(hào)強(qiáng)度；步驟E2，按照信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度從高到低進(jìn)行排序，選出最先排出的屬于同一區(qū)塊的所有的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)塊編號(hào)為這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)塊的編號(hào)，并拋棄其它信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)；步驟E3，將步驟E2確定的區(qū)塊編號(hào)、確定的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)和對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度，以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身的編號(hào)，按照預(yù)先設(shè)定的格式打成數(shù)據(jù)包發(fā)送至鄰近的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)包中的模式為M[B, D，Y<ii; Pl, i2，p2,…，in，pn>]，其中，B為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自身的編號(hào)，D為所在的區(qū)塊編號(hào)，Y里包含該區(qū)塊內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)in和對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度Pn，n表示預(yù)先設(shè)定的每個(gè)區(qū)塊中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，其值與步驟Β3中的所述的η的值相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述井下人員定位方法，其特征在于，所述步驟G中，地面監(jiān)控中心將接收到的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包中的定位模式數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的所述定位模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配計(jì)算包括以下操作地面監(jiān)控中心接收到步驟F所述數(shù)據(jù)包后，將其與所述步驟B中生成的所述定位模式數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包中的區(qū)塊的編號(hào)確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在的區(qū)塊，再根據(jù)數(shù)據(jù)包中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度找出數(shù)據(jù)庫中與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包中的模式最接近的模式，模式匹配計(jì)算式為N =在:.=l(r廠巧)2，其中，η為訓(xùn)練階段生成的模式數(shù)據(jù)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，Pj為定位階段移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上傳至地面監(jiān)控中心的模式數(shù)據(jù)中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，η表示預(yù)先設(shè)定的每個(gè)區(qū)塊中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，選擇最小的N，取其對(duì)應(yīng)模式數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)，定為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在的坐標(biāo)位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于煤礦井下的人員定位系統(tǒng)及方法。本系統(tǒng)包括設(shè)在井上的地面監(jiān)控中心，設(shè)在井下的傳輸基站，多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，光纖，總線，多個(gè)無線信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其中應(yīng)用于井下的設(shè)備均是本質(zhì)安全型的。本方法是一種基于模式匹配的定位方法，根據(jù)巷道的結(jié)構(gòu)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)覆蓋范圍將巷道劃分為不同的區(qū)塊，各區(qū)塊內(nèi)按照相同的方式布設(shè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在訓(xùn)練階段，通過訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)在地面監(jiān)控中心生成定位模式數(shù)據(jù)庫，在定位階段，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位信號(hào)，向地面監(jiān)控中心發(fā)送定位模式，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)訓(xùn)練節(jié)點(diǎn)生成的模式進(jìn)行匹配，找到最接近的模式，實(shí)現(xiàn)精確定位。本發(fā)明的井下人員定位系統(tǒng)及方法定位精度高，成本低，并且耗能少，系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。
文檔編號(hào)E21F17/18GK102523621SQ20121000642
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者孫繼平, 李宗偉 申請(qǐng)人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)