一種煤礦井下人員定位系統的製作方法
2023-09-19 20:17:55 1
專利名稱：一種煤礦井下人員定位系統的製作方法
技術領域：
一種煤礦井下人員定位系統技術領域[0001]本實用新型涉及無線傳感器網絡定位技術領域，特別涉及是一種煤礦井下人員定 位系統。
背景技術：
[0002]近年來全國煤礦安全投入不斷加大，特別是在煤礦瓦斯治理和開發方面投入了大 量的資金。國家連續3年運用國債資金扶持國有重點煤礦進行安全技術改造，煤礦企業積 極自籌資金，地方政府也給予了支持。但是礦難還在不斷發生，而災難發生後搶險救災的 不力暴露出目前監控系統的弊端，監控系統對入井人員管理困難，井上人員難以及時掌握 井下人員的動態分布及作業情況，一旦事故發生，對井下人員的搶救缺乏可靠信息，搶險救 災、安全救護的效率低，效果不理想。[0003]有關煤礦井下人員定位系統的文獻近一兩年出現了不少，概括起來，煤礦井下人 員定位系統，國內大多數都使用KJ69型人員安全監測系統，由無線編碼發射器、井下數據 監測分站、地面中心站及數據傳輸信道組成。無線編碼發射器發出具有代表身份特徵的射 頻信號，經數據監測接收，再發送到地面中心站。中心站接收來自數據監測分站上的編碼信 號，進行分析處理，形成各種文件，使管理人員能及時查詢各種信息圈。該系統有移動目標 監測查詢、安全保障、丟失報警、統計考勤、信息聯網等功能，具有結構簡單、配置靈活、系統 復用，保護原有投資及身份識別等優點。但同時也存在著兩個缺點1、由於分站不具備行進 方向的判斷識別能力，也不具備人員是否完全通過的判斷識別能力，因此，本設計所設計的 系統在實際使用過程中可能出現一種極端的誤判斷情況。2、有線傳輸，上述系統必須採用 預先傳輸的方式礦用阻燃電源電纜是為分站提供工作電源；礦用阻燃雙絞線通信電纜主 要是完成井下網絡的連接，而井下巷道內對有線的電力供應有嚴格的限制。實用新型內容[0004]本實用新型的目的是提供一種高效、高可靠性、低成本、低功耗、誤判率低、布設容 易的無線煤礦井下人員定位系統。本實用新型所採用的技術方案是這樣的一種煤礦井下 人員定位系統，由ZigBee無線網絡和乙太網Khernet有線網絡組成，所述ZigBee無線網 絡對數據進行採集和傳輸，由乙太網Khernet傳輸數據到地面，地面的數據接收解析軟體 接收、解析後，存儲到資料庫中，最後送至監察系統處理。[0005]進一步所述ZigBee無線網絡由定位節點、路由節點、接入節點組成，所述定位節 點定時發送信息至路由節點，所述路由節點將信息路由至接入節點，所述接入節點通過以 太網網關與乙太網相連，將接收到的信息通過乙太網絡發送至監察系統，網關與接入節點 通過RS232串口進行通訊連接。[0006]進一步所述定位節點由主控晶片MCU、射頻晶片、外部設備組成，所述主控晶片 為PIC18F4620晶片，其通過SPI 口與射頻晶片連接，所述射頻晶片為CCM20晶片，其通過 天線與外界通信，所述主控晶片通過UART 口和外部設備機相連接。[0007]進一步所述ZigBee定位節點由電池供電，所述乙太網Khernet網絡使用礦用阻 燃雙絞線通信電纜與地面連接。[0008]通過採用前述技術方案，本實用新型的有益效果是該煤礦井下人員定位系統，採 用了 ZigBee定位模塊定時主動發送信號給臨近的路由節點，可以及時掌握人員位置，行進 方向，可靠性高避免了方向誤判；由於井下巷道內對有線的電力供應有嚴格限制，本系統採 用ZigBee無線通訊技術開放的無線傳感器網絡，布設容易，ZigBee器件由電池供電，一節 電池至少能夠使用6個月，其成本小、功耗低，Ethernet網絡在巷道內的部分也將由高容量 的電池驅動。
[0009]圖1是本實用新型實施例的系統結構示意圖；[0010]圖2是本實用新型實施例定位節點電路邏輯框圖；[0011]圖3是本實用新型實施例井下人員定位示意圖。
具體實施方式
[0012]
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本實用新型。[0013]如圖1所示，一種煤礦井下人員定位系統，由ZigBee無線網絡和乙太網Khernet 有線網絡組成，所述ZigBee無線網絡對數據進行採集和傳輸，由乙太網Khernet傳輸數據 到地面，地面的數據接收解析軟體接收、解析後，存儲到資料庫中，最後送至監察系統處理， 監察系統對接收的監測信號進行判別報警、數據統計、存儲、顯示、人員路線監測、控制列印 等處理。所述數據接收解析軟體以後臺應用軟體的形式運行在地面的伺服器上，為多線程 軟體。一個線程為從串口接收數據，存儲在鍊表中；一個線程為分析鍊表中的數據，進行數 據分析並存儲；一個線程為在用戶界面顯示目前接收、解析情況；使用多線程的模式是為 了軟體能夠實時響應用戶界面交互。所述Zigbee無線網絡子網和乙太網具有相對獨立性， 不需要修改現有煤礦安全監控系統的結構和功能，就可以達到定位的目的。同時復用了已 建設的Khernet網，保護了原有投資，避免了重複建設。[0014]如圖2所示，所述ZigBee無線網絡由定位節點、路由節點、接入節點組成，所述 定位節點定時發送信息至路由節點，所述路由節點將信息路由至接入節點，所述接入節點 通過乙太網網關與乙太網相連，將接收到的信息通過乙太網絡發送至監察系統，網關與接 入節點通過RS232串口進行通訊連接。所述ZigBee定位節點由電池供電，所述乙太網 Ethernet網絡使用礦用阻燃雙絞線通信電纜與地面連接。系統工作時，需要將定位節點附 著在井下人員身上，將其位置信息通過Zigbee網絡和乙太網絡送入地面的數據接收解析 模塊，最後藉助GIS技術將人員的位置信息在地圖上實時地標出。本系統運用FME進行地圖 的轉換，FME是一個通用的跨GIS軟體平臺數據轉換工具，靈活易用而又具有強大的功能。[0015]所述定位節點由主控晶片MCU、射頻晶片、外部設備組成，所述主控晶片為 PIC18F4620晶片，它負責控制整個板子的工作。該單片機是一個八位的單片機，有 64Kbytes 的 flash，4Kbytes 的 SRAM，IKbytes 的 EEPR0M，一個 A/D 口，一個串 口，3 個時鐘， 支持一個SPI總線，所述主控晶片通過SPI 口與射頻晶片連接，所述射頻晶片為CCM20芯 片，其通過天線與外界通信，所述主控晶片通過UART 口和外部設備機相連接。本系統中礦井工作人員的定位通信模塊製作成腰牌，大約2cm*2cm大小，非常方便攜帶。由於定位節點 只需要發出存在信息，微控制器MCU使用普通單片機。系統管理人員給礦井工作人員發放 腰牌時，對應記錄下該工作人員的名稱、工號、類別等信息，並且將這些信息和小型通信模 塊的射頻晶片64位的永久地址相對應。這樣，當地面的煤礦人員定位系統的信息接收解析 軟體收到定位信息時，能夠通過定位信息的64位的永久地址，和記錄下來的工作人員腰牌 的射頻晶片64位的永久地址匹配，進行身份辨析，得到該工作人員的名稱等信息。[0016]所述路由節點固定部署在煤礦巷道中，從ZigBee子網的組成劃分，為定位節點的 父節點，功能在於接收定位節點發出的信息，並將此信息路由(跳傳)至接入節點。路由節 點大約15cm*10cm大小，按照網絡覆蓋策略固定部署在煤礦巷道中。一個路由節點通信覆 蓋範圍一般只有幾十米，即每個節點都只能與其鄰居節點進行通信。由於路由節點需要承 擔更多的計算量和存儲量，路由節點的微控制器MCU使用高檔單片機。系統管理人員部署 路由節點時，為所有的路由編號，對應記錄下該節點的編號，並且將這些信息和路由節點的 射頻晶片64位的永久地址相對應。這樣，路由節點作為定位節點的父節點，當接收到定位 節點發出的存在信息時，將該定位信息加上自己的地址信息，並將此信息路由(跳傳)至接 入節點。[0017]所述接入節點固定部署在煤礦巷道中，功能在於接受來自路由節點數據，並將其 通過乙太網絡發送至監察系統。接入節點是一個ZigBee組織者，他通過一個乙太網關與以 太網相連。網關與ZigBee接入節點通過RS232串口進行通訊連接。由於接入節點需要承擔 更多的計算量和存儲量、通訊工作量，接入節點的微控制器MCU使用網絡微控制器AXI100。 接入節點還需要與乙太網關通過RS232串口進行通訊連接，所以接入節點還配置了串口模 塊。在程序調試的過程中，還可以通過串口 UART模塊與PC機相連，通過串口進行晶片的更 新，路由節點和定位節點沒有配置串口模塊，它們程序更新的方式為PC機通過串口與接 入節點相連，定位節點或者路由節點與接入節點之間採用無線通信方式傳輸數據，PC機將 更新程序的編程數據發送給接入節點，再由接入節點傳輸給定位節點或者路由節點，然後 燒寫到Flash的引導加載區。接入節點同時也承擔路由節點的角色，當定位節點發出存在 信號，且接入節點收到該存在信號時，接入節點將存在信息加上自己的地址信息，並將此信 息傳送到乙太網中。[0018]如圖3所示，當礦井工作人員攜帶腰牌在井下工作時，移動中的定位節點可由一 個ZigBee網絡進入另一個ZigBee網絡中，由接收到定位節點信號的路由節點決定其位 置。位置判斷的依據為兩個無線信號參數LQI(Link Quality Indicator)和RSSI (Signal Strength Indicator)，這兩個值由路由節點在接收到定位節點的信號後得出。位置判斷的 精度取決於路由節點分布的密度，需要根據現場實際情況方可決定。[0019]其中定位判定的關鍵環節即是採用基於接收信號強度指示(RSSI)定位算法實現 節點的精確定位。此定位算法在己知發射節點的發射信號強度的情況下，接收節點根據收 到信號的強度計算出信號的傳播損耗，然後根據信號傳播模型公式將傳輸損耗轉化為距 離，再利用三邊測量法計算出未知節點的位置。在實際定位中，要保證未知節點處於三個以 上發射信號強度和位置坐標已知的參考節點的通信範圍內，未知節點根據接收信號強度計 算出信號的傳播損耗，進而計算出節點位置，從而實現對攜帶它的工作人員的定位。[0020]本系統是集井下人員考勤、跟蹤定位、災後急救、日常管理一體化的綜合性運用系統，是國內最先進、最穩定、最專業化的運用系統。[0021] 以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特徵及其優點，本行業的技術人 員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明中描述的只是說明本 實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下，本實用新型還會有各種變化 和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型範圍內，本實用新型要求保護範圍 由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求1.一種煤礦井下人員定位系統，其特徵在於由ZigBee無線網絡和乙太網Khernet 有線網絡組成，所述ZigBee無線網絡對數據進行採集和傳輸，由乙太網Khernet傳輸數據 到地面，地面的數據接收解析軟體接收、解析後，存儲到資料庫中，最後送至監察系統處理。
2.根據權利要求1所述的一種煤礦井下人員定位系統，其特徵在於所述ZigBee無線 網絡由定位節點、路由節點、接入節點組成，所述定位節點定時發送信息至路由節點，所述 路由節點將信息路由至接入節點，所述接入節點通過乙太網網關與乙太網相連，將接收到 的信息通過乙太網絡發送至監察系統，網關與接入節點通過RS232串口進行通訊連接。
3.根據權利要求2所述的一種煤礦井下人員定位系統，其特徵在於所述定位節點由 主控晶片MCU、射頻晶片、外部設備組成，所述主控晶片為PIC18F4620晶片，其通過SPI 口與 射頻晶片連接，所述射頻晶片為CCM20晶片，其通過天線與外界通信，所述主控晶片通過 UART 口和外部設備機相連接。
4.根據權利要求1或2或3所述的一種煤礦井下人員定位系統，其特徵在於所述 ZigBee定位節點由電池供電，所述乙太網Khernet網絡使用礦用阻燃雙絞線通信電纜與 地面連接。
專利摘要本實用新型涉及無線傳感器網絡定位技術領域，提供一種高效、高可靠、低成本、低功耗、誤判率低、布設容易的無線煤礦井下人員定位系統，由ZigBee無線網絡和乙太網Ethernet有線網絡組成，所述ZigBee無線網絡對數據進行採集和傳輸，由乙太網Ethernet傳輸數據到地面，地面的數據接收解析軟體接收、解析後，存儲到資料庫中，最後送至監察系統，監察系統對接收到的監測信號進行判別報警、數據統計、存儲、顯示、人員路線監測、控制列印等操作，該系統是一種集井下人員考勤、跟蹤定位、災後急救、日常管理一體化的綜合性運用系統。
文檔編號H04W84/18GK201818330SQ20102056265
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月11日 優先權日2010年10月11日
發明者李彬林 申請人:李彬林