一種井下甲烷監測及定位系統的製作方法

2023-05-15 10:45:26

專利名稱：一種井下甲烷監測及定位系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種井下甲烷監測及定位系統。本發明具體涉及WI-FI無線通信，無線定位及甲烷檢測等技術領域。
背景技術：
在礦井環境參數的監測中，瓦斯含量的監測最為重要，這是因為在煤炭生產中瓦斯爆炸事故造成的危害最大，所以準確的瓦斯監測是礦井安全和井下人員的生命安全的重要保障。瓦斯是多種可燃性氣體的總稱，我國的礦井中瓦斯的主要組成成分為甲烷CH4。因此，瓦斯檢測實質上為甲烷檢測。甲烷檢測報警儀主要用於煤礦有瓦斯爆炸危險的場所，如煤礦井巷、採掘工作面、採空區、迴風巷道、皮帶運輸巷道、機電峒室等處，
目前部分可攜式甲烷檢測儀器可支持無線通信，一般使用低頻段的非接觸RFID(無線射頻身份識別)技術實現檢測地址及檢測人員識別。儀器使用紅外線通信技術實現採集數據的通信，由計算機生成報表及數據及數據顯示與傳遞。存在以下問題I.甲烷檢測方式為手動區域檢測方式，即操作人員在工作區域手動檢測了甲烷濃度後；2.甲烷檢測方式為定點檢測方式，檢測密度受RFID讀寫器分布密度限制，，操作人員需到RFID定位讀卡設備進行位置和身份確認，檢測數據才能與檢測位置對應，不能做到實時檢測和定位；3.檢測數據不能實時上報，檢測設備檢測到的數據多採用紅外線通信技術通信上報，需有配對的採集設備支持，需操作人員手動操作實現，所以檢測系統採集到的數據均為歷史數據而非實時數據。基於無線傳感器網絡的甲烷檢測設備多為固定設備，也有便攜設備但由於無線傳感器網絡具有以下問題基本不能實現定位I.井下多為隧道組成的線狀環境，不同於開闊空間的平面定位環境，無線通信路由器的安裝位置受到空間限制；2.無線信號的傳輸損耗模型受環境影響巨大。3. Zigbee通信晶片內部的硬體定位引擎適用於平面定位環境為準，定位精度受無線通信路由器分布空間位置和安裝數量限制；4.由於井下電氣設備防爆要求較高，所以無線通信路由器的安裝數量受到限制，但Zigbee無線通信距離較短，沒有足夠數量的無線通信路由器無法滿足井下長跨度的系統通信要求，所以在具體工程實施中存在困難；「Ad hoc網絡」是IEEE802. 11標準委員會制定的一種特殊的自組織對等式多跳移動通信網絡，在Ad hoc網絡中，結點具有報文轉發能力，結點間的通信可能要經過多個中間結點的轉發，即經過多跳(MultiHop)，這是Ad hoc網絡與其他行動網路的最根本區別。結點通過分層的網絡協議和分布式算法相互協調，實現了網絡的自動組織和運行。因此它也被稱為多跳無線網(MultiHop Wireless Network)、自組織網絡(SelfOrganized Network)或無固定設施的網絡(Infrastructureless Network),大多WI-FI無線網絡的模塊同時支持Ad hoc網絡。

發明內容
本發明目的在於提供一種井下甲烷監測及定位系統，可監測井下任意位置的甲烷濃度，同步監測井下任意位置的環境溫度；實時監控甲烷檢測裝置使用人員的位置和運動狀態；實現對礦井各部位生產環境的實時監控；當井下發生意外事故或災害，固定通信設施無法正常工作時，甲烷檢測裝置在礦井救援中可作為環境檢測設備和人員搜救裝置使用。所述井下甲烷監測定位系統包括系統伺服器、監控終端、有線通信子系統、無線通信基站、甲烷檢測裝置；有線通信子系統包括光纖、分光器和無線交換機；無線通信基站包括防爆箱、電源，備用電池、無線接入設備、天線隔離器和天線；在井下間隔一定距離安裝無線通信基站，無線通信基站通過光纖連接井上的無線交換機和系統伺服器；甲烷檢測裝 置與無線通信基站通過無線方式通信；甲烷檢測裝置基於場強定位結合計步測距實現準確定位；系統伺服器通過檢測人員攜帶的甲烷檢測裝置監測記錄井下無線信號覆蓋區域內的任意準確位置的甲烷濃度和環境溫度；甲烷檢測裝置部件包括處理器、無線通信、按鍵、存儲、顯示屏、LED指示燈、蜂鳴器、甲烷檢測、溫度傳感器、運動檢測電路和電源電路等部分；甲烷檢測裝置的系統包括採集子系統、定位子系統、通信子系統、顯示子系統、控制子系統和存儲子系統。甲烷檢測裝置的各子系統控制各硬體部件完成以下工作I.甲烷檢測裝置檢測甲烷濃度的同時基於場強定位結合計步測距實現準確定位；定位過程主要包括以下步驟甲烷檢測裝置通過無線通信部件實時檢測附近無線通信基站的信號場強，在甲烷檢測裝置靠近無線通信基站時，場強到達峰值，將此無線通信基站位置作為甲烷檢測裝置的當前位置可靠定位，並將此位置作為甲烷檢測裝置的當前定位基準點；甲烷檢測裝置通過運動檢測電路實現計步功能，可實時記錄甲烷檢測裝置使用人員在可靠定位後所行走的步數；步數乘以甲烷檢測裝置使用人員的個人步長得到甲烷檢測裝置與當前定位基準點的距離；根據甲烷檢測裝置檢測到的當前和下一個定位基準點所在無線通信基站的場強計算距離；取距離交集公共部分中心的值作為甲烷檢測裝置與當前定位基準點的距離，將此距離代入兩無線通信基站所在的隧道的曲線方程得到甲烷檢測裝置的當前坐標，實現對甲烷檢測裝置的定位。2.甲烷檢測裝置與系統伺服器通過有線通信子系統和無線通信基站實現雙向通信，甲烷檢測裝置定時向系統伺服器發送帶準確檢測位置的甲烷濃度信息，自動發送帶位置信息的甲烷濃度報警信息，使用者也可通過按鍵操作向系統伺服器發送信息和報警信息，在通信鏈路正常時實時上傳，在通信鏈路不通時，記錄此次操作，等到通信鏈路正常時再自動上傳至系統伺服器。3.甲烷超標報警；當甲烷檢測裝置檢測到環境的甲烷濃度超過設定的警戒值時，聲光報警，並通過無線通信方式向系統伺服器報警。在通信鏈路正常時實時上傳，在通信鏈路不通時，通信子系統記錄此次操作，等到通信鏈路正常時再自動上傳。4.調度及警報；甲烷檢測裝置的處理器控制無線通信單元實現下行通信，接收系統伺服器下發的調度指令信息和警示信息，並存儲在存儲晶片中，同時通過聲光提示提醒使用者閱讀；5.甲烷檢測裝置使用人員的活動檢測；甲烷檢測裝置的處理器實時檢測人體活動，當處理器一定時間未檢測到任何人體活動或按鍵操作則自動觸發報警，通過無線通信和聲光方式向外傳送報警信號。6.災害報警；甲烷檢測裝置可向系統伺服器發送預置的災害報警信息，信息內容包括多見於井下的一些事故和災害，預置信息包括火災、水災、瓦斯湧出、頂板事故、機器故障、運輸事故、人員受傷、請求救助等；發送的信息在通信鏈路正常時實時上傳，在通信鏈路不通時，通信子系統記錄此次操作，等到通信鏈路正常時再自動上傳。7.搜救；在無線通信網絡失效時，甲烷檢測裝置可搜索附近的其它無線通信裝置，搜索工作包括以下步驟甲烷檢測裝置處理器控制無線通信模塊實現自動Ad hoc組網，接受井下人員攜帶的其它無線通信裝置的無線連接，並為其分配IP位址；接收其它無線通信裝置發送來的其與甲烷檢測裝置之間的場強信息；甲烷檢測裝置根據場強計算與其它無線通信裝置的距離；甲烷檢測裝置通過顯示屏其它無線通信裝置距離和設備號；甲烷 檢測裝置通過聲音及燈光指示與被困人員的距離，根據計算的距離發出不同間隔頻率的聲音和燈光；在通信設施未損壞無線網絡通信正常區域，向系統伺服器通信上傳搜救紀錄；搜救過程中搜救人員可時刻檢測環境甲烷濃度，有效保障搜救人員的安全。8.實時溫度檢測採集，甲烷檢測裝置通過熱敏元件或控制器內置溫度檢測單元檢測裝置所在環境溫度，並將溫度信息連同準確位置信息通過無線通信方式上傳到系統伺服器；系統伺服器可根據甲烷檢測裝置的位置信息獲得其所在位置現場環境溫度，為監控終端提供井下各巷道的溫度數據。9.時鐘同步，根據系統伺服器下傳的所有信息中附帶的實時時間信息對甲烷檢測裝置的時鐘進行校準，使甲烷裝置的時鐘與系統時鐘同步。在採集甲烷濃度、溫度和定位數據時紀錄準確的檢測時間，用以保證數據的統一性和同步性，當通信發生延遲時，系統伺服器可根據信息附帶的時間戳準確存儲數據。同時甲烷檢測裝置具有時鐘顯示功能，可使裝置使用者能夠實時掌握準確的時間。


圖I井下甲烷監測及定位系統實施示意2甲烷檢測裝置硬體構成框3甲烷檢測原理4甲烷檢測裝置的系統框5甲烷和溫度檢測工作流程6甲烷檢測裝置通信流程7甲烷檢測裝置搜救工作流程8甲烷檢測裝置定位運算流程9甲烷檢測裝置使用人員行進方向判斷原理示意圖。圖10甲烷檢測裝置與無線通信基站的距離運算示意圖。圖11甲烷檢測裝置當前位置坐標運算示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施方式
對本發明做進一步的描述。如圖I所示，井下監控系統所述井下甲烷監測及定位系統包括系統伺服器(I)，有線通信子系統，無線通信子系統、甲烷檢測裝置(3)。有線通信子系統是整個系統的骨幹，有線通信子系統以光纖為主要傳輸介質。有線通信子系統還包括分光器，無線交換機(5)等網絡管理設備。在井下間隔一定距離安裝無線通信基站(2)，無線通信基站通過光纖連接井上的系統伺服器。無線通信基站主要功能是WI-FI無線接入，無線通信基站包括電源，備用電池、無線接入設備及天線。無線接入設備在標準WI-FI網絡中稱為AP (Access Point)，負責無線終端設備接入有線乙太網，通過無線通信基站將WI-FI無線區域網覆蓋各巷道。每個AP分配有服務集標識符SSID和不同的物理地址，監控系統根據AP的標識區別不同的無線通信基站，無線通信基站支持無線終端設備的跨區域漫遊，同時無線通信基站在定位運算時被作為定位基準 參考點，無線通信基站的位置信息和標識信息存貯在系統伺服器和甲烷檢測裝置的存儲子系統中，為定位運算提供依據。甲烷檢測裝置作為標準WI-FI終端設備接入WI-FI無線區域網與井上系統伺服器通信。系統伺服器負責系統通信管理、數據存儲和為監控終端提供人員及設備的信息服務。生產管理人員通過監控終端(4)訪問系統伺服器實現對井下工作人員、井下環境及相關設備的實時監控，監控終端具有地圖顯示，工作人員位置、工作人員資料顯示查詢，工作人員位置統計，歷史位置追蹤查詢、區域環境甲烷和溫度顯示報警等功能。地理信息平臺可使用MapX地圖化部件，礦井地圖為巷道二維剖面化的矢量地圖，地圖文件為MapInfo格式。圖2所示實施例中，甲烷檢測裝置硬體組成包括以下部分I.處理器(206)選擇TI公司的MSP430F147單片機。該型號為16位RISC結構，具有32kFlash，IkRAM ;並有5種低功耗模式，豐富的片內外圍模塊，靈活的時鐘系統等諸多優點。MSP430可在1.8 3. 6V低電壓下工作，系統採用3. 3V工作電壓。MSP430F147內置精度為12位200kps的A/D轉換器。I位非線性微分誤差，I位非線性積分誤差，4種模數轉換模式。2. WI-FI通信(207)部分包括WI-FI通信模塊和天線，WI-FI通信模塊採用以ConnectOne公司的iChip系列加密聯網控制晶片C02128為核心的方案的產品，模塊內部包括射頻模塊、通信接口模塊、狀態控制和檢測模塊和存儲器；天線採用柔性天線。3.按鍵(204)控制電路由4個按鍵組成，採用獨立按鍵式鍵盤，結合顯示屏的顯示介面，實現各功能和狀態的切換。4.存儲(205)晶片採用I片24C512，由於所述甲烷檢測裝置只使用了一個存儲晶片，不需設置片選地址，所以24C512的片點選管腳全部接地。24C512使用I2C總線通信，，使用兩個標準I/O接口加上拉電阻連接SCL和SDA管腳，實現處理器與存儲晶片通信控制。5. IXD顯示屏(201)採用兩行點陣型液晶顯示模塊，具有功耗低、供應電壓範圍寬等特點，視域尺寸60. 5 X 18. Omm, 54. 8 X 18. 3mm,處理器通過8個I/O 口向液晶模塊傳輸顯示數據，另通過4個I/O 口驅動控制液晶模塊。6. LED指示燈(202)採用兩個貼片LED，分別是紅色和綠色，綠色作為系統狀態指示，狀態包括電源指示和充電指示等，紅色LED作為信息狀態指示,狀態包括信息指示、警告指示和呼救指示等。7.蜂鳴器(202)，採用無源蜂鳴器。8.溫度傳感器(211)硬體部分包括溫敏電阻和惠斯特電橋，溫敏電阻具有良好的線性度，並且精度高、可靠性好，·通過惠斯特電橋測量作為溫度敏感元件的溫敏電阻電阻變化，溫敏電阻作為其中一個橋臂電阻，將電阻的變化量直接轉換為橋壓的變化。MSP430147的ADC12的模塊內核是共用的，通過前端的模擬開關來分別完成採集輸入。所以溫敏電阻所在橋臂可選接12個AD模擬量輸入口的任一口用於檢測橋壓變化，對於檢測到的信號需通過處理器進行軟體濾波。MSP430F147單片機A/D轉換參考基準電壓可使用外部輸入的參考基準電壓，也可使用內部參考電壓發生器產生的參考基準電壓，可通過設置ADC12CTL控制寄存器完成A/D轉換設置。由於使用單片機內部參考電壓會增加處理器的功耗，出於裝置的節電設計考慮，選用外部參考電壓，以保證裝置的工作時間。9.運動檢測電路(210)使用SMB380三軸加速度傳感器，傳統的機械式計步器採用 簧片或者彈力小球檢測人行走時步產生的振動通過內部處理器判斷電子脈衝實現計步，採用此方式無法區別行走和其它活動產生的振動，靈敏度和準確性都不高。使用三軸加速度傳感器可以測量三個相互垂直的軸在地心引力範圍內保持絕對的方向上的靜態和動態的加速度，可檢測一般人體活動產生的振動，所採集的信號為數位訊號，採集結果通過SPI接口傳輸給處理器。10.串口通信(208)使用TI公司的MAX232晶片RS-232標準串口單電源電平轉換晶片，使用+5v單電源供電，接口使用SMT2. 5插口，可使用轉接電纜連接計算機9針串口實現通信。11.電源電路(209)部分包括電池、電壓轉換和電池管理部分，電池使用鋰離子蓄電池，鋰電池(組)應具有防反接功能，具有內部保護電路外，具有外保護電路，具備防過充、防過放、過流、短路等功能，還有均衡充電、均衡放電功能。電壓轉換採用MAX1724系列電源轉換穩壓晶片，轉換得到5V、3. 3V和3V穩定的工作電壓，分別為LCD顯示屏、系統及傳感器供電。電池充電電路採用TI的LM3658晶片，2. 5 6V輸入電壓，輸出電流可以高達1A，電流的實際大小可以通過外置電阻加以調節，內置的功率FET可根據環境溫度自動調整充電電流。12.甲烷檢測(甲烷傳感器，檢測電路，放大電路，A/D轉換)(212)13.甲烷傳感器採用載體催化元件包括黑元件和白元件，黑元件是一種對甲烷氣體很敏感的載體催化元件，白元件是補償元件，對甲烷氣體不起反應。甲烷傳感器是決定檢測儀精度的關鍵元件，其選擇依據主要包括工作環境、穩定性、響應速度、線性度及功耗等。如圖3所示，檢測電路為甲烷傳感器與電阻組成惠斯頓電橋，載體催化元件為電橋的兩個臂，無甲烷氣體時，電橋處於平衡狀態，當甲烷氣體進入傳感器氣室內在熱催化傳感元件表面發生氧化放熱反應，使元件的溫度升高，隨之電阻變大，電橋的電壓輸出不平衡，根據電壓變化檢測甲烷氣體的濃度，一定的甲烷濃度範圍內，產生正比於甲烷濃度的直流電壓變化信號。放大器電路米用AD620集成運算放大器,負責放大傳感器輸出的電壓信號。A/D轉換使用MSP430內部集成的12位ADC，ADC12選擇內部2. 5V參考電壓。電橋輸出的微弱電壓信號經過運算放大器處理後輸入到MSP430F147進行A/D轉換。在實際使用時需對甲烷檢測裝置進行校準，具體校準過程在下面的子系統組成部分進行介紹。
如圖4所示實施例中，甲烷檢測裝置的系統組成包括I.採集子系統(401)，負責裝置輸入信號的採集，包括溫度信息採集、甲烷檢測、運動檢測信號的採集、按鍵動作採集。運動檢測部分負責三軸加速度傳感器信號的採集處理，使用緩存存儲三個方向上的加速度信號，X為X軸方向的值，Y為Y軸方向的值，Z為Z軸方向的值，取速度變化量最大的軸進行計步，根據統計測量一般人跑步每秒不超過5步，慢速行走不低於每秒I步，可將O. 5-5Hz作為計步的信號的有效範圍，通過低通濾波去掉高頻噪聲，在參考其它軸上數據經過特徵匹配等運算實現準確計步。使用此方法計步不受甲烷檢測裝置佩戴位置限制，使用者可將甲烷檢測裝置隨身裝在任意位置，如裝入上下衣口袋、固定在腰帶上或背包中，不受均不影響準確計步。同時通過三軸的數據分析，也可檢測其它人體運動。溫度和甲烷信號的濾波算法採用簡單有效的限幅濾波算法結合算術平均濾波算法，即確定兩次採樣允許的最大偏差值P，xnS本次採集值，Xn-!為上次採集值，如Xn-Xlri ( P則此次採集值有效，否則放棄本次值，用上次值代替，即Xn = χη-1；經過限幅濾波可有效去除偶然因素引起的脈衝幹擾，限幅濾波的同時進行算術平均濾波，將X1. · · χ η個採集值進行
求平均值運算X = !>,/ ;則將上步運算得到的平均值X帶入校準公式求實際值。
I2.定位子系統(402)，負責從WI-FT通信模塊採集周邊WI-FI接入點到模塊的信號場強，並根據場強信號、接入點的位置信息，結合使用人員的步長步數運算得到甲烷檢測裝置的位置，通過通信子系統上傳至系統伺服器。3.通信子系統(403)，負責裝置與系統及外界設備的通信，包括WI-FI無線通信控制，UART通信控制。甲烷檢測裝置的通信協議包括兩部分第一部分為外部協議，是甲烷檢測裝置與系統伺服器間的通信協議；第二部分為內部協議，是甲烷檢測裝置的處理器與Wi-Fi模塊的協議，Wi-Fi模塊的廠家不同則該協議也不同。其中第一部分協議是監控系統設計的重要組成部分，可自主定義，它不依賴具體的Wi-Fi設備和模塊廠商。外部協議的實現基於網絡的應用層，處於TCP/IP層之上的，數據鏈路採用TCP或UDP方式，外部通信協議結構分為信息頭和信息內容。信息頭包含幀頭，設備ID，幀總長度(含信息頭及信息體)，幀類型，幀流水號4項內容，分別佔用雙字節長度。外部協議內容可根據系統的功能要求擴展。4.顯示子系統(404)，負責裝置的IXD屏的驅動和信息的顯示。5.控制子系統(405)，負責控制裝置的蜂鳴器、LED、IXD背光、電源等硬體單元實現各自功能。6.存儲子系統(406)，負責控制裝置與存儲晶片之間的通信，實現數據的存儲和讀取操作。存儲的信息包括位置信息、甲烷濃度信息及環境溫度信息等。圖5所示實施例中，甲烷檢測裝置的甲烷和溫度檢測工作流程如圖所示處理器讀取甲烷濃度和溫度的A/D的轉換值(501)存入內存，多次轉換後如到達轉換規定的轉換次數(502)，將所存A/D轉換值進行軟體濾波(503)濾波算法採用限幅濾波算法結合算術平均濾波算法，具體過程已在前面的子系統組成部分詳細描述；將經軟體濾波運算得到的值帶入校準公式求實際甲烷濃度值和溫度值(504)，進行定位運算(505)，將甲烷濃度值和溫度值送顯示子系統顯示(506)，將甲烷濃度值、溫度值、位置和數據採集時間存入存儲晶片(507);如果甲烷濃度超標(508)，則聲光報警(509)，如通信鏈路正常(510)就上傳數據到伺服器(511);如通信鏈路不通則繼續採集過程，到通信鏈路恢復時將所存數據未發送數據發送至伺服器。圖6所示實施例中，甲烷檢測裝置通信過程示例如下甲烷檢測裝置與系統伺服器通信雙方以客戶端-伺服器端方式建立TCP連接(601)，檢測裝置作為客戶端連接系統伺服器固定IP位址及埠，系統伺服器端為伺服器方使用固定TP地址及固定埠，上下行信息基於TCP鏈路通道傳輸。當鏈路通道上沒有數據傳輸時，檢測裝置應每隔時間S(602)發送鏈路檢測數據包￠03)以維持TCP連接，系統開始計時，如收到回復則解析回復內容得到系統時間信息，根據系統時間校準檢測裝置時鐘(607)，當鏈路檢測數據包發出超過時間K後未收到回復￠04)，立即再發送鏈路檢測包(603);在連續發送R次(605)後仍未收到回復則判定鏈路無效，數據發送方主動斷開此連
接(608)重複TCP連接過程￠01);如果TCP未能連接成功，則每隔時間G (606)重新連接網絡。參數S、K、R、G可根據鏈路情況設定，參考取值為S = 3min，K = 30s, R = 3，G = 20s。圖7為甲烷檢測裝置工作流程圖，初始化系統後，檢測裝置自動搜索其它無線通信裝置(701)，檢測裝置具有Ad hoc組網功能，在檢測裝置到達其它無線通信裝置的通信距離時，檢測裝置為其它無線通信裝置分配IP位址(702)，檢測裝置接受其它無線通信裝置的連接(703)，開啟通信服務建立通信鏈路(704)，鏈路建立成功後，其它無線通信裝置定時檢測檢測裝置的信號場強，其它無線通信裝置通過與甲烷檢測裝置的通信鏈路向甲烷檢測裝置發送場強信息和自身的設備號(705)。甲烷檢測裝置接收到其它無線通信裝置發送來的信息後解析得到其它無線通信裝置檢測到的甲烷檢測裝置的信號場強，將場強代入經驗公式^計算得到檢測裝置與其它無線通信裝置的距離(706);甲烷檢測裝置內部有溫度傳感器，具有溫度檢測功能，定時監測環境溫度(707);通過LCD屏顯示信號場強其它無線通信裝置的身份號及其它無線通信裝置感應到的使用者的最後活動時間，搜救者可以此作為判斷被困者活動狀態的參考；甲烷檢測裝置根據與其它無線通信裝置的距離發出不同間隔頻率的聲音和燈光(708)，距離越短聲音和燈光閃爍頻率越高，使用者可不看LCD顯示屏，只通過聽聲音或觀察燈光閃爍情況即可知道被困人員的距離，用以提高搜救工作效率；LCD顯示屏顯示實時溫度；甲烷檢測裝置具有時鐘功能，可實時顯示當前的時間，可使使用者能夠實時掌握準確的時間。搜救人員可通過LCD屏顯示提示和操作按鍵將甲烷檢測裝置設置為上傳記錄狀態(709)，在上傳記錄狀態下甲烷檢測裝置處理器的通信子系統修改WI-FI通信模塊設置(710)，將其工作狀態設置為普通WI-FI網絡終端節點方式，甲烷檢測裝置搜索附近正常工作的無線通信基站(711)，如發現則自動連接入WI-FI網絡，連接系統伺服器TCP服務埠以TCP方式發送未上傳的搜索記錄(712)，當全部記錄上傳後自動恢復WI-FI通信模塊轉入Ad hoc組網工作方式(713)，繼續搜索其它無線通信裝置701)。圖8所示實施例中，人員定位的實現過程如下甲烷檢測裝置的系統初始過程中，首先根據存儲的甲烷檢測裝置使用人員的身高記錄T通過以下公式得到其實際步長(801)N = I. 85(T-132)甲烷檢測裝置定時監測與各無線通信基站所發射信號的場強(802)，當井下人員攜帶甲烷檢測裝置行走靠近無線通信基站時，場強到達峰值，以此無線通信基站的位置作為甲烷檢測裝置的當前位置，作為一次可靠定位存儲無線通信基站編號，將此位置作為當前定位基準點(803)，同時開始計步。甲烷檢測裝置實時記錄人員經過無線通信基站後行走的步數M，乘以自身存儲的甲烷檢測裝置使用人員的個人步長，即可得到人員與前定位基準點的距離(804);設步數為M，步長為N，則甲烷檢測裝置與當前定位基準點的距離L為L = MN方向判斷(805)，如圖9所示，根據記錄的上次的可靠定位數據判斷井下人員(904)的行進方向，如上次準確定位的無線通信基站為A(901)，此次準確定位的無線通信基站為B (902)，則可判定人員的行進方向是由無線通信基站A向無線基站B方向移動；也可根據甲烷檢測裝置(3)檢測到的無線通信基站的場強變化趨勢來判定方向，當甲烷檢測裝置檢測到兩個相鄰無線基站的場強，如檢測到無線通信基站B (902)的場強變化趨勢是逐漸變小，而無線通信基站C(903)的場強變化趨勢是逐漸變大，則判定行進方向為由無線 通信基站B向無線通信基站C方向移動；誤差判斷(806)，根據甲烷檢測裝置使用人員的行進方向判斷移動方向上的下一個定位基準點，如距離L的值大於當前定位基準點與下一個定位基準點之間的距離，則說明此距離值存在誤差，不作為參考值；檢測當前定位基準點所在無線通信基站(902)和下一個定位基準點所在無線通信基站(903)的信號場強值Rdl，Rd2(807);根據場強計算距離(808)，將場強帶入代入以下公式得到甲烷檢測裝置與無線通信基站(902)和(903)的距離dl，d2。
「nA-Rd+Xs^ ^ IQ ιο 式中A為信號傳播Im遠時接收信號的功率；η為傳播因子也稱為損耗指數，其數值大小取決於無線信號的傳播環境；Rd為其它無線通信裝置接收到的無線通信基站的信號強度，即RSSI值；X5為零均值的高斯分布正態隨機變量如圖10所示，取dl，d2，L三個距離交集公共部分中心的值作為甲烷檢測裝置與當前定位基準點所在無線通信基站(902)的距離的d(809);將甲烷檢測裝置到當前定位基準點所在無線通信基站(902)的距離d代入兩無線通信基站所在的隧道在地圖上的曲線方程，即可得到甲烷檢測裝置的當前坐標(810)，如圖9所示，設兩無線通信基站所在的隧道為一直線端點分別為(Xl，yl),(x2, y2)，將距離d與兩點式直線方程解方程即得到其它無線通信裝置坐標(X，y)
y- = χ-χιa -(χ,γ) ^^f(X-Xl)2 +(γ-γ,)2
X2 < Λ < X,，位置運算由系統伺服器結合矢量地圖數據完成。
權利要求
1.一種井下甲烷監測及定位系統，包括系統伺服器、監控終端、有線通信子系統、無線通信基站、甲烷檢測裝置；有線通信子系統包括光纖、分光器和無線交換機；無線通信基站包括防爆箱、電源，備用電池、無線接入設備、天線隔離器和天線；甲烷檢測裝置包括處理器、無線通信部件、按鍵、存儲、顯示屏、LED指示燈、溫度傳感器、運動檢測電路；無線通信部件包括無線通信模塊和天線；運動檢測電路採用三軸加速度傳感器；在井下間隔一定距離安裝無線通信基站，無線通信基站通過光纖連接井上的無線交換機和系統伺服器；甲烷檢測裝置與無線通信基站通過無線方式通信；甲烷檢測裝置基於場強定位結合計步測距實現準確定位系統伺服器通過檢測人員攜帶的甲烷檢測裝置監測記錄井下無線信號覆蓋區域內的任意準確位置的甲烷濃度和環境溫度；甲烷檢測裝置實時上傳甲烷濃度檢測數據和檢測位置至系統伺服器；甲烷檢測裝置實時上傳環境溫度檢測數據和檢測位置至系統伺服器；甲烷檢測裝置通過三軸加速度檢測記錄使用人員行走步數和監測其生命活動特徵；甲烷檢測裝置定時檢測系統的無線通信鏈路，當檢測到無線通信故障則自動組織Ad hoc網絡，搜索其他工作人員所攜其它無線通信裝置。
2.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於甲烷檢測裝置基於場強定位結合計步測距實現準確定位，定位過程包括以下步驟甲烷檢測裝置通過無線通信部件實時檢測附近無線通信基站的信號場強，在甲烷檢測裝置靠近無線通信基站時，場強到達峰值，將此無線通信基站位置作為甲烷檢測裝置的當前位置可靠定位，並將此位置作為甲烷檢測裝置的當前定位基準點；甲烷檢測裝置通過運動檢測電路實現計步功能，可實時記錄甲烷檢測裝置使用人員在可靠定位後所行走的步數；步數乘以甲烷檢測裝置使用人員的個人步長得到甲烷檢測裝置與當前定位基準點的距離；根據甲烷檢測裝置檢測到的當前和下一個定位基準點所在無線通信基站的場強計算距離；取距離交集公共部分中心的值作為甲烷檢測裝置與當前定位基準點的距離，將此距離代入兩無線通信基站所在的隧道的曲線方程得到甲烷檢測裝置的當前坐標，實現對甲烷檢測裝置的定位。
3.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於甲烷檢測裝置與系統伺服器通過有線通信子系統和無線通信基站實現雙向通信，甲烷檢測裝置定時向系統伺服器發送帶準確檢測位置的甲烷濃度信息，自動發送帶位置信息的甲烷濃度報警信息，使用者也可通過按鍵操作向系統伺服器發送信息和報警信息，在通信鏈路正常時實時上傳，在通信鏈路不通時，記錄此次操作，等到通信鏈路正常時再自動上傳至系統伺服器。
4.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於甲烷檢測裝置通過熱敏元件或控制器內置溫度檢測單元檢測所在環境溫度，並將溫度信息連同準確位置信息通過無線通信方式上傳到系統伺服器。
5.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於甲烷檢測裝置通過低通濾波算法處理由三軸加速度傳感器所採集的三個方向上的加速度數據以去掉高頻噪聲，分析信號特徵，取速度變化量最大的軸向進行計步，以O. 5-5Hz的信號作為計步的信號，再參考其它軸上數據經過特徵匹配實現準確計步。
6.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於呼救裝置的處理器實時監測人體活動，當處理器一定時間未檢測到任何人體活動或按鍵操作則自動觸發報警，通過無線通信和聲光方式向外傳送報警，進入呼救狀態。
7.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於系統伺服器與甲烷檢測裝置下行通信時通信協議內附帶有系統時間，甲烷檢測裝置解析時間後調整內部時鐘與系統時間一致，實現系統內所有甲烷檢測裝置的時鐘同步，在甲烷檢測裝置上報甲烷濃度及溫度時同時附帶準確的時間，即使信息通信由於鏈路問題發生延遲，系統也可獲得準確的甲烷濃度、溫度和位置的歷史紀錄。
8.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於當甲烷檢測裝置檢測到環境中的甲烷濃度超過設定的警戒值時，聲光報警，並通過無線通信方式向系統伺服器報警，在通信鏈路正常時實時上傳，在通信鏈路不通時，通信子系統記錄此次操作，等到通信鏈路正常時再自動上傳。
9.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於甲烷檢測裝置的處理器控制無線通信單元實現下行通信，接收系統伺服器下發的調度指令信息和警示信息，並存儲在存儲晶片中，同時通過聲光提示提醒佩戴者閱讀。
10.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於甲烷檢測裝置的處理器控制無線通信單元實現與系統伺服器的上行通信，上行通信的信息內容包括甲烷濃度、溫度、位置及預置報警信息。
11.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於甲烷檢測裝置預置報警信息包括火災、水災、瓦斯湧出、頂板事故、機器故障、運輸事故、人員受傷、請求救助。
12.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於甲烷檢測裝置發送的上行信息在通信鏈路正常時實時上傳，在通信鏈路不通時，甲烷檢測裝置的處理器記錄此次操作，等到通信鏈路正常時再自動上傳。
13.根據權利要求I所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於在無線通信網絡失效時，甲烷檢測裝置可搜索附近的其它無線通信裝置，搜索工作包括以下步驟甲烷檢測裝置處理器控制無線通信模塊實現自動Ad hoc組網，接受井下人員攜帶的其它無線通信裝置的無線連接，並為其分配IP位址；接收其它無線通信裝置發送來的其與甲烷檢測裝置之間的場強信息；甲烷檢測裝置根據場強計算與其它無線通信裝置的距離；甲烷檢測裝置通過顯示屏顯示其它無線通信裝置距離和設備號；甲烷檢測裝置通過聲音及燈光指示與被困人員的距離，根據計算的距離發出不同間隔頻率的聲音和燈光。
14.根據權利要求11所述的井下甲烷監測及定位系統，其特徵在於甲烷檢測裝置在搜救過程中可時刻檢測環境甲烷濃度。
全文摘要
本發明公開了一種井下甲烷監測及定位系統，系統包括系統伺服器、監控終端、有線通信子系統、無線通信基站、甲烷檢測裝置；有線通信子系統包括光纖和無線交換機等；無線通信基站包括防爆箱、電源，備用電池、無線接入設備和天線等；在井下間隔一定距離安裝無線通信基站，無線通信基站通過有線通信子系統連接井上的系統伺服器；甲烷檢測裝置與無線通信基站通過無線方式通信；可監測井下任意位置的甲烷濃度，同步監測井下任意位置的環境溫度，實現對礦井各部位生產環境的實時監控；實時監控甲烷檢測裝置使用人員的位置和運動狀態；當井下發生意外事故或災害，固定通信設施無法正常工作時，甲烷檢測裝置在礦井救援中可作為人員搜救裝置使用；是集井下環境監測，工作人員跟蹤定位、調度管理、災後搜救等一體的綜合系統。
文檔編號E21F17/18GK102937610SQ20121046427
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月19日 優先權日2012年11月19日
發明者孫繼平, 劉毅 申請人:中國礦業大學(北京)