一種化工場景下人員定位監測系統及定位方法
2023-06-23 18:43:11
專利名稱：一種化工場景下人員定位監測系統及定位方法
技術領域：
本發明涉及一種化工場景下人員定位監測系統，尤其是涉及一種使用無線傳感器網絡技術實現人員定位監測功能，該系統的另一個特點是將人員定位監測功能合併在一套總線網絡中，從而實現化工場景下人員監測和營救。
背景技術：
在移動通信技術的迅猛發展和信息技術的普及下，衍生出此類技術的各種應用服務。其中基於定位服務(LBS)的應用集成了信息技術，無線技術，Internet技術等，正處於快速發展中。LBS (Location-Based Service)的主要概念是通過整合各項信息提供個人的位置信息，用戶能夠通過接收該位置信息，即能判斷其所在地點的具體位置。化工冶煉設備一般被安放在工作車間內，由有關工作人員輪崗，對其工作的各項參數進行實時監控，以提高整個冶煉過程中的安全性能。但一些難以預料的例如有毒氣體洩漏，區域燃燒爆炸等突發事件常常威脅著現場工作人員的生命安全。除了從化工設備、化學反映本身的特點著手，從根源上降低這些事故的發生概率之外，緊急高效援救機制的建立，能夠在事故發生之後，迅速做出反應。據調查，目前運用較為成熟的人員定位系統為GPS 其定位精度在10米左右，只適用於室外的場景，這個事實對室內人員定位的研究提出了更急迫的要求。化工場景下的人員無線定位系統能夠幫助救援人員準確判斷受困人員的具體位置信息，結合廠房、車間的設備分布圖，能夠快速找出一條最近解救路線，避免我們的救援人員進入事故現場後，因尋找受困人員而浪費寶貴的時間。目前通用的室內定位技術包括 RFID，Bluetooth, ZigBee和Wi-Fi AP等。Bluetooth技術適用於小範圍的定位服務，而且節點能耗較大。ZigBee是一種基於無線傳感器網絡的用於中距離定位的技術，而Wi-Fi AP 則可提供大範圍的定位服務。根據其不同的特點，其適用條件各有不同。目前為止，還沒有單一種技術能夠適合各類應用場景。使用Wi-Fi技術實現化工場景下的室內定位，則需要複雜的軟硬體來支持，各種設備的成本也比較高，定位精度仍然是一個很大的問題。RFID技術在小範圍內可進行短距離固定點的定位，其主要特點是設備成本比較低，區域限制比較嚴重，只能在閱讀器可識別範圍內工作，此外RFID技術只能實現知道在監控閱讀器附近， 並不能解決人員確切定位的問題，而這也正是目前化工廠主要使用，且面臨的一大問題。比較各種室內定位技術，分析其在解決化工場景下實現人員定位的問題，使用無線傳感器網絡技術比較合適。
發明內容
本發明的目的是要提供基於無線傳感器網絡技術的面向化工場景下人員安全生產的監控系統，其中的可攜式移動節點具備化工場景下人員實時定位等功能，監控人員通過上位機監控軟體可實時獲取現場人員的位置信息。本發明提供一種化工場景下人員定位監測系統及方法。
為實現上述目的，本發明的第一方面，提供一種化工場景下人員定位監測的系統包括
RS-485總線網絡中的數據按照RS-485總線通訊協議進行通訊； 無線傳感器網絡中的數據按照串行通訊協議通過RS-232串口進行通訊； RS-485總線網絡與無線傳感器通過數據轉換裝置和各車間分站網關連接，用於將指令和參數傳輸給無線傳感器網絡。所述數據轉換裝置包括
RS-232/RS-485轉換器，用於將標準RS-232串行數據轉換為RS-485串行數據； RS-485集線器，用於將安裝在不同車間的分站網關連接至RS-485總線上； 平衡電阻，用於匹配RS-485傳輸電纜的特性阻抗，可根據掛載設備數進行選擇安裝。所述RS-485總線網絡的硬體包括監控計算機、化工車間分站、RS-485總線和控制設備組成，其中
監控計算機，用於對總線數據傳輸的調度、傳感器節點的數據採集以及現場人員的定位顯示；
化工車間分站、RS-485總線分別通過電纜與數據轉換裝置連接，數據轉換裝置與監控計算機連接，用於監控端數據採集和命令發送，在監控端存儲獲得的無線網絡採樣點地址 fn息；
控制設備，控制設備通過電纜直接連接在RS-485總線上，構成RS-485總線網絡的終端被控制設備。所述無線傳感器網絡由無線網關節點模塊、參考節點和移動節點組成，無線網關包括無線通訊模塊和底座模塊，參考節點模塊包括無線通訊模塊，移動節點模塊包括無線通訊模塊和片上定位引擎，其中參考節點模塊和移動節點模塊結構相同，移動節點上包含片上定位引擎單元；網關節點底座模塊包括串行通訊接口單元，通過電纜直接連接在數據轉換裝置和RS-485總線上；
網關節點模塊在接收範圍內，通過無線鏈路與參考節點模塊、移動節點模塊交換數據和信息；參考節點模塊與接收範圍內的移動節點模塊進行無線通訊和數據交換； 參考節點模塊，用於對移動節點模塊發射信號的強度測量採集； 移動節點模塊，用於向區域內參考節點模塊發射包含自身唯一 ID特徵的無線信號，並採集各個參考節點模塊返回的信號強度測量值和由監控計算機端設定經由無線網關節點模塊發送的定位功能參數，啟動片上定位引擎後，計算出自身位置坐標，經由網關節點模塊向上傳遞至RS-485總線；
監控計算機，實時採集移動節點模塊上傳的定位數據並顯示具體位置信息，用於發生化工事故後，了解受困人員的在現場的精確分布，以便及時設定救援方案。所述網關節點模塊、參考節點模塊安裝位置是按照化工車間地理位置設定，可參考選擇天花板的四個角落等位置。所述監控計算機中存儲著各個車間內網關節點模塊、參考節點模塊所在的位置和每個移動節點模塊綁定人的信息，根據這些信息，監控計算機上運行的監控軟體，實時採集移動節點模塊上傳的定位數據並顯示具體位置信息，用於發生化工事故後，了解受困人員的在現場的精確分布，以便及時設定救援方案。
所述網關節點模塊的通訊通過RS-232串口連接在數據轉換裝置上，通過RS-232/ RS485串口轉換器和RS-485集線器將RS-232接口轉換為RS-485接口，再連接到RS-485總線上。最後通過相同的串口轉換器將RS-485接口轉變成RS-232接口，實現與監控計算機的通訊。為實現上述目的，本發明的第二方面，提供一種化工場景下人員的定位監控方法， 監控步驟如下
步驟1.監控計算機端系統啟動，監控計算機發出數據請求命令和定位參數後，監控軟體單元，網關節點單元，參考節點單元，移動節點單元進入運行狀態；
步驟2.網關節點單元組建區域內的無線網絡，保存定位參數，並向周圍廣播參考節點配置請求命令，並進入接收狀態；
步驟3.參考節點單元接收到網關節點模塊的配置請求命令後，將自身配置信息應答給網關節點單元，並進入接收狀態。準備接收移動節點單元發送來的信號；
步驟4.網關節點單元收到參考節點的應答信息後，廣播移動節點配置請求命令，並進入接收狀態；
步驟5.移動節點單元接收到網關節點單元的配置請求命令後，將自身配置信息應答給網關節點單元，並向接收範圍內的參考節點單元發送自身ID信息和信號強度測量請求， 並進入接收狀態；
步驟6.參考節點單元接收到移動節點單元的信號強度測量請求後，啟動信號測量單元對信號進行採集和測量，並將測量結果發回至相應移動節點單元；
步驟7.移動節點單元接收到區域內各個參考節點單元發送的測量結果後，向網關節點單元請求定位參數；
步驟8.網關節點單元發送定位參數給移動節點單元，進入接收狀態； 步驟9.移動節點單元啟動片上定位引擎，結合各信號強度測量值和定位參數，計算出自身的位置坐標值，並將計算結果連同自身ID信息打包，每隔一定周期發送給網關節點單元；
步驟10.網關節點單元將收到的定位坐標數據包通過標準RS-232串口發送，經由數據轉換設備和RS-485總線，傳輸至遠端監控計算機；
步驟11.監控計算機收到定位坐標數據包後，對其進行解碼，並將獲得的原始坐標數據與移動節點相關人員信息進行綁定，實時顯示在監控軟體的區域地圖上，通過該界面，可實時查詢各化工車間內人員的位置，並且實時更新。本發明的積極效果
本發明中數據轉換裝置的設計，克服了傳統布線中RS-232通訊距離受限的弱點，並且實現了點對多點的監控功能，使得化工車間到監控室之間的布線成本和布線時間大大減少。參考節點的配置能夠工作在兩種模式下，即喚醒模式和工作模式，可大大縮短能耗，增加電池使用壽命。相比傳統RFID監控設備，該發明更能提供精確的人員位置信息。本發明系統將人員定位及實時監控有機的結合在一個系統中，監控計算機負責定位參數的發送和對移動節點定位數據的採集和處理，形成整個化工廠工作車間各個人員分布情況實時顯示，能夠精確獲得工作人員在車間中的位置，並提供實時動態定位數據。定位數據在化工安全生產中必不可少，一旦發生化工安全事故，通過車間內人員定位區域定位
6數據，能夠迅速找到受困人員所處位置，提高營救隊員制定營救方案的效率，大大提高了受困人員的生還機率。
圖1是本發明監控系統整體結構框架圖； 圖2是本發明實施例監控系統結構示意圖3是本發明實施例監控系統化工車間內工作示意圖； 圖4是本發明實施例監控系統軟體結構框圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實施例旨在便於對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。本發明是利用無線傳感器網絡的低功耗、自組織的特性，設計了一個適合在化工場景下實現人員定位跟蹤，並能實現實時監控的系統。為化工安全生產提供車間內實時動態數據。定位數據在化工安全生產中必不可少，一旦發生化工安全事故，通過車間內人員定位區域定位數據，能夠迅速找到受困人員所處位置，提高營救隊員制定營救方案的效率，大大提高了受困人員的生還機率。本發明的系統採用RS-485總線網絡結合無線傳感器網絡兩種技術。根據系如下系統，圖1是本發明監控系統整體結構框圖，如圖2是本發明實施例監控系統結構示意圖， 對本發明進行進一步的描述，其中包括RS_485總線網絡1和無線傳感網絡2，串口轉換裝置3和分站網關節點14。RS-485總線網絡1中的數據時按照標準RS-485通訊協議進行通訊，無線傳感器網絡2中的數據通過RS-232數據，按照串口通訊協進行通訊，不同通訊協議的網絡之間進行數據交換，需要串口轉換裝置3，在本發明中，數據轉換裝置3有兩種設備組成RS-232/485 串口轉換器11和RS-485集線器16。RS-232/485轉換器11可使用任意一種可將標準RS-232 電平信號轉換成RS-485差分信號的產品，RS-485集線器16可採用符合國家電氣標準的、 可在高危環境下使用的任意一種RS-485集線器產品。無線傳感器網絡2中的無線模塊可使用符合ZigBee標準協議的無線模塊。RS-485總線網絡1主要包括監控計算機10、RS-232/485串口轉換器11、RS-485 總線15。RS-485總線網絡1與串口轉換裝置3構成的總線網絡與無線傳感器網絡2之間的連接主要通過分站網關14上的RS-232標準接口，RS-485總線網絡1通過與RS-485集線器16和RS-232/485串口轉換器11連接後，傳輸信號變成標準差分RS-485電平信號，經由 RS-485總線12，連接至RS-232/485串口轉換器13，再通過標準串行通訊電纜，與分站網關 14上的RS-232標準接口連接。監控計算機10與化工車間之間間隔一定距離，通過RS-485總線15連接至車間電纜入口處，RS-485集線器16固定安裝在化工車間一端支架上，RS-485總線15網絡布置在化工車間廠房門口過道處，各個單獨的分站網關14通過RS-232/485串口轉換器13掛載在 RS-485總線網絡上。
無線傳感器網絡2由無線網關節點14、參考節點17和移動節點18組成，無線網關節點14包括無線通訊模塊和底座模塊，參考節點17包括無線通訊模塊，移動節點18包括無線通訊模塊和片上定位引擎，其中；
參考節點17和移動節點18結構相同，移動節點18上包含片上定位引擎單元；網關節點14底座包括串行通訊接口單元，通過電纜直接連接在串口轉換裝置和RS-485總線上，具體的如下
網關節點模塊14的作用是收集監控計算機10發送的控制命令和定位參數等數據，廣播至無線通訊範圍內的相關節點；採集區域內各個參考節點模塊17和移動節點模塊18的配置信息和地址信息，並採集移動節點模塊18的定位結果信息打包後傳輸至RS-485總線網絡，因此，需帶有一個標準RS-232接口。參考節點模塊17的作用是接收無線通訊範圍內移動節點模塊18的信號，並對信號的強度進行測量，並將計算結果發送回移動節點模塊 18，網關節點模塊14和參考節點模塊17可以採用任何一種符合ZigBee協議標準的無線傳感器節點，其區別是節點模塊上運行的軟體不同，網關節點單元和參考節點單元均採用C 語言編寫軟體。網關節點單元多起著不同網絡之間通訊的橋梁作用，參考節點單元則負責測量移動節點單元18定位時需要的信號強度值。移動節點單元18根據參考節點單元17測量的信號強度值和網關節點單元14轉發的定位用參數啟動片上定位引擎，計算自身坐標，因此移動節點模塊可採用任何一種符合ZigBee協議標準、包含片上定位引擎功能單元的無線傳感器節點。如圖3是本發明監控系統化工廠車間內工作示意圖，圖中標記為 ▲網關節點
參考節點 ■移動節點 —RS-232通訊電纜
_ RS-485通訊電纜
普無線通訊鏈路
監控計算機10放置在距離化工生產車間一定距離的監控室中，監控計算機10上附有標準RS-232接口，使用RS-232電纜與安裝在監控室內的RS-232/485串口轉換器11連接。 RS-485集線器16安裝在化工車間內電纜入口處，一端連接RS-485總線15，另一端連接 RS-485總線12。各個車間的分站網關節點14使用RS-232電纜連接至RS-232/485串口轉換器13，轉換器的另一端通過RS-485電纜連接至RS-485總線12上。網關節點模塊14安裝在車間入口旁，參考節點模塊17如圖示可選擇安裝在天花板的角落處。當攜帶移動節點模塊18的工作人員進入車間無線無線通訊範圍內，移動節點模塊的ID碼將會通過無線鏈路，由網關節點模塊14採集並傳送至總線網絡，並實時傳送至到監控計算機10中。採用一臺高性能計算機作為監控計算機10，這臺計算機CPU主頻為P4-2. 8G Hz, 內存為504M，硬碟80G。主控計算機10的主板上，帶有一個標準的RS-232接口，在接口上連接電纜，電纜另一端連接宇泰UT-201無源RS232/485串口轉換器，轉換器接口特性兼容 EIA/TIA的RS-232、RS-485標準，電氣特性符合RS-232端DB9型連接器，RS-485端DB9針連接器，並配接線柱。轉接器的另一端連接標準RS-485電纜即RS-485總線15。電纜的另一端連接在CHISHENG ECS8201型集線器上，該集線器支持掛載128個設備節點，能在1. 2千米範圍內工作，RS-485信號每線帶有400W防雷保護，可應對化工車間內的一般事故。集線器的另一端用標準RS-485電纜引出，用於掛載監控設備。無線網關節點14作為各個車間內無線網絡與外界聯繫的分站，用RS-232標準電纜連接至宇泰UT-201無源RS232/485串口轉換器，轉換器的另一端使用RS-485電纜連接至RS-485總線12上，即由RS-485集線器引出的電纜上。在本實例中使用了 8個無線參考節點模塊17，布置在兩個房間，5名工作人員佩戴有移動節點模塊18。網關節點單元14、參考節點單元17和移動節點單元18無線發射接收頻率為2. 4GHz，無線傳輸距離為50米。如圖4發明監控系統軟體結構框圖所示，系統管理單元21、交互界面22、數據管理 23、通訊單元24、分站網關25、參考節點單元26、移動節點單元27。這些單元中運行的軟體包括系統管理軟體、交互界面軟體、數據管理軟體、無線傳感器網絡軟體。軟體功能和硬體配置可根據系統具體使用環境來設計。本實施例中，基於Windows XP作業系統，使用Visual 0#編寫的監控系統軟體有系統管理單元21，其主要包括交互界面22、數據管理23，通訊單元24。交互界面22是監控人員與監控系統軟體交互的主要接口，包括參數設定、命令輸入、數據顯示、監控區域選擇，其中
參數設定的參數主要包括串行通訊波特率、串口號、停止位、校驗位等；離發射機一米內RSSI絕對值，離發射機一米後信號強度衰減值；
數據管理23單元包括數據接收、數據處理、人員信息、定位信息管理等，其中該單元是系統軟體設計主體，負責車間內人員定位數據的分析和處理，相關人員信息存儲，定位數據包的解壓縮，定位數據的實時更新。本發明實現的系統經過一段時間運行，效果達到了化工場景下車間內人員定位監控的目的。監控系統軟體工作流程如下
1.啟動系統，監控計算機10上的系統管理單元21進入運行狀態交互界面22，數據管理23單元，分站網關25單元組建無線網絡，參考節點單元26，移動節點單元27。2.分站網關25廣播參考節點單元26配置請求；
3.參考節點單元26收到分站網關25配置請求命令後，將自身坐標和配置信息應答至分站網關25，進入接收狀態。4.分站網關25廣播移動節點27配置請求命令；
5.移動節點單元27接收到分站網關配置請求後，將配置信息應答至分站網關25。6.分站網關25收到應答後，廣播移動節點單元27數據請求。7.移動節點單元27向區域內各個參考節點單元26單播信號強度測量請求，並向分站網關25請求定位參數。8.各參考節點單元26接收到移動節點單元27的測量請求後，對其信號進行強度測量，並將結果反送至相應移動節點單元27。9.分站網關25將定位參數發送至移動節點單元27。10.移動節點單元27結合區域內各個參考節點單元26測量的信號強度值和定位參數，啟動定位引擎，計算坐標，將結果通過無線鏈路發送至分站網關25。11.分站網關25接收到坐標數據包後，通過RS-232串口發送至監控計算機10。12.監控計算機10收到數據包後，有數據管理23中的數據處理部分對其數據包進行定位數據恢復，並由交換界面22的數據顯示部分對其進行顯示。 13.監控軟體數據管理23的人員信息將相應人員信息調出，由數據顯示模塊顯
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權利要求
1. 一種化工場景下人員定位監測系統，其特徵在於，包括 RS-485總線網絡中的數據按照RS-485總線通訊協議進行通訊； 無線傳感器網絡中的數據按照串行通訊協議通過RS-232串口進行通訊； RS-485總線網絡與無線傳感器通過數據轉換裝置和各車間分站網關連接，用於將指令和參數傳輸給無線傳感器網絡； 所述數據轉換裝置包括RS-232/RS-485轉換器，用於將標準RS-232串行數據轉換為RS-485串行數據； RS-485集線器，用於將安裝在不同車間的分站網關連接至RS-485總線上； 平衡電阻，用於匹配RS-485傳輸電纜的特性阻抗，可根據掛載設備數進行選擇安裝； 所述RS-485總線網絡的硬體包括監控計算機、化工車間分站、RS-485總線和控制設備組成，其中監控計算機，用於對總線數據傳輸的調度、傳感器節點的數據採集以及現場人員的定位顯示；化工車間分站、RS-485總線分別通過電纜與數據轉換裝置連接，數據轉換裝置與監控計算機連接，用於監控端數據採集和命令發送，在監控端存儲獲得的無線網絡採樣點地址 fn息；控制設備，控制設備通過電纜直接連接在RS-485總線上，構成RS-485總線網絡的終端被控制設備；所述無線傳感器網絡由無線網關節點模塊、參考節點和移動節點組成，無線網關包括無線通訊模塊和底座模塊，參考節點模塊包括無線通訊模塊，移動節點模塊包括無線通訊模塊和片上定位引擎，其中參考節點模塊和移動節點模塊結構相同，移動節點上包含片上定位引擎單元；網關節點底座模塊包括串行通訊接口單元，通過電纜直接連接在數據轉換裝置和RS-485總線上；網關節點模塊在接收範圍內，通過無線鏈路與參考節點模塊、移動節點模塊交換數據和信息；參考節點模塊與接收範圍內的移動節點模塊進行無線通訊和數據交換； 參考節點模塊，用於對移動節點模塊發射信號的強度測量採集； 移動節點模塊，用於向區域內參考節點模塊發射包含自身唯一 ID特徵的無線信號，並採集各個參考節點模塊返回的信號強度測量值和由監控計算機端設定經由無線網關節點模塊發送的定位功能參數，啟動片上定位引擎後，計算出自身位置坐標，經由網關節點模塊向上傳遞至RS-485總線；監控計算機，實時採集移動節點模塊上傳的定位數據並顯示具體位置信息，用於發生化工事故後，了解受困人員的在現場的精確分布，以便及時設定救援方案；所述網關節點模塊、參考節點模塊安裝位置是按照化工車間地理位置設定，可參考選擇天花板的四個角落位置；所述監控計算機中存儲著各個車間內網關節點模塊、參考節點模塊所在的位置和每個移動節點模塊綁定人的信息，根據這些信息，監控計算機上運行的監控軟體，實時採集移動節點模塊上傳的定位數據並顯示具體位置信息，用於發生化工事故後，了解受困人員的在現場的精確分布，以便及時設定救援方案；所述網關節點模塊的通訊通過RS-232串口連接在數據轉換裝置上，通過RS-232/RS485串口轉換器和RS-485集線器將RS-232接口轉換為RS-485接口，再連接到RS-485總線上，最後通過相同的串口轉換器將RS-485接口轉變成RS-232接口，實現與監控計算機的通訊。
2. 一種利用權利要求1所述的定位監測系統進行人員定位的方法，其特徵在於該方法包括如下步驟步驟1.監控計算機端系統啟動，監控計算機發出數據請求命令和定位參數後，監控軟體單元、網關節點單元、參考節點單元和移動節點單元進入運行狀態；步驟2.網關節點單元組建區域內的無線網絡，保存定位參數，並向周圍廣播參考節點配置請求命令，並進入接收狀態；步驟3.參考節點單元接收到網關節點模塊的配置請求命令後，將自身配置信息應答給網關節點單元，並進入接收狀態，準備接收移動節點單元發送來的信號；步驟4.網關節點單元收到參考節點的應答信息後，廣播移動節點配置請求命令，並進入接收狀態；步驟5.移動節點單元接收到網關節點單元的配置請求命令後，將自身配置信息應答給網關節點單元，並向接收範圍內的參考節點單元發送自身ID信息和信號強度測量請求， 並進入接收狀態；步驟6.參考節點單元接收到移動節點單元的信號強度測量請求後，啟動信號測量單元對信號進行採集和測量，並將測量結果發回至相應移動節點單元；步驟7.移動節點單元接收到區域內各個參考節點單元發送的測量結果後，向網關節點單元請求定位參數；步驟8.網關節點單元發送定位參數給移動節點單元，進入接收狀態； 步驟9.移動節點單元啟動片上定位引擎，結合各信號強度測量值和定位參數，計算出自身的位置坐標值，並將計算結果連同自身ID信息打包，每隔一定周期發送給網關節點單元；步驟10.網關節點單元將收到的定位坐標數據包通過標準RS-232串口發送，經由數據轉換設備和RS-485總線，傳輸至遠端監控計算機；步驟11.監控計算機收到定位坐標數據包後，對其進行解碼，並將獲得的原始坐標數據與移動節點相關人員信息進行綁定，實時顯示在監控軟體的區域地圖上，通過該界面，可實時查詢各化工車間內人員的位置，並且實時更新。
全文摘要
本發明涉及一種化工場景下人員定位監測系統及定位方法。現有的定位設備成本高、定位精度低。本發明包括RS-485總線、無線傳感器網絡、數據轉換裝置和分布在各車間的分站網關。RS-485總線網絡中的數據按照RS-485總線通訊協議進行通訊；無線傳感器網絡中的數據按照串行通訊協議通過RS-232串口進行通訊；RS-485總線網絡與無線傳感器通過數據轉換裝置和各車間分站網關連接，用於將指令和參數傳輸給無線傳感器網絡。本發明能夠精確獲得工作人員在車間中的位置，並提供實時動態定位數據。
文檔編號G05B19/418GK102183930SQ201110065468
公開日2011年9月14日 申請日期2011年3月18日 優先權日2011年3月18日
發明者張作一, 王建中, 王瑞榮, 薛安克 申請人:杭州電子科技大學