專利名稱：一種井下人員定位系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及煤礦井下安全監(jiān)控領域，特別涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的井下人員定位系統(tǒng)和方法。
背景技術：
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)境復雜， 一直存在著各種有害氣體及不明水體逸出等災難隱患，并且，我國的開采技術相對落后，井下生產(chǎn)人員素質(zhì)較低，導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重威脅。隨著科學技術的不斷進步，人們在井下布設了多種探測系統(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)生礦難時及時開展救援工作以及日常生產(chǎn)中的管理調(diào)度。
為實現(xiàn)井下人員的定位，中國專利申請01122258. 1公開了一種井下人員智能定位安全管理系統(tǒng)，它由電子識別卡、巷道詢問接收裝置和管理調(diào)度中心構成。井下工作人員佩戴電子識別卡，識別卡寫入員工的電子編號，由礦燈電瓶供電，當識別卡收到巷道詢問接收裝置的詢問信號后，應答發(fā)射井下工作人員的編號信號，巷道詢問接收裝置收到應達的信號傳送給管理調(diào)度中心，管理調(diào)度中心記錄該信號和發(fā)生的時間。通過多點定位接收可以對井下工作人員進行跟蹤定位，有利于調(diào)度指揮、安全監(jiān)督和人員的統(tǒng)計考勤，特別是可以在事故發(fā)生時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，所以該定位系統(tǒng)的定位精度也是幾十米的數(shù)量級，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密度，這樣會增加定位系統(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) 射頻識別技術的定位系統(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
針對現(xiàn)有技術的不足，特別是針對礦井定位技術定位精度不夠、精度受成本限制的問題，本發(fā)明公開了一種結構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)及方法結合巷道空間的特點，利用有限的參考節(jié)點和簡單的算法實現(xiàn)實時精確的目標定位，滿足了礦井生產(chǎn)調(diào)度和災后及時救援的需要。
為實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用以下技術方案
上述系統(tǒng)是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡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)關節(jié)點，光纖，總線，無線信標節(jié)點，訓練節(jié)點和移動節(jié)點。在系統(tǒng)中涉及的井下設備全部是本質(zhì)安全型設備。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)控中心是一臺計算機或者服務器，或者是多臺計算機或服務器組成的計算機網(wǎng)絡。地面監(jiān)控中心存儲定位模式數(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，負責匯聚網(wǎng)關節(jié)點通過總線發(fā)過來的信息，并通過光纖傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。
所述的每個網(wǎng)關節(jié)點包括處理器、存儲器、無線收發(fā)器、傳感器、電源及總線模塊。網(wǎng)關節(jié)點根據(jù)信標節(jié)點的布設方式和移動節(jié)點的信號覆蓋半徑布設在巷道壁上，負責接收移動節(jié)點發(fā)送的定位信息，并將其通過總線傳送到傳輸基站。
所述的信標節(jié)點包括處理器、存儲器、無線收發(fā)器、傳感器、電源。信標節(jié)點在巷道內(nèi)按區(qū)塊布設，負責向移動節(jié)點發(fā)射定位信息，每個信標節(jié)點都分配一個所屬區(qū)塊編號和一個在本區(qū)塊內(nèi)獨有的自身編號。
所述的每個訓練節(jié)點包括處理器、存儲器、無線收發(fā)器、顯示器、鍵盤、電源，鍵盤用于輸入訓練節(jié)點所在的位置坐標，所以訓練節(jié)點已知自身位置坐標，訓練節(jié)點與信標節(jié)點配合，生成訓練定位模式數(shù)據(jù)存儲在地面監(jiān)控中心。
所述的每個移動節(jié)點包括處理器、存儲器、無線收發(fā)器、傳感器、電源，分配有一個獨有的編號，與井下工作人員的身份對應。
所述的總線是CAN總線，或局域網(wǎng)總線，或RS-485總線，負責網(wǎng)關節(jié)點與傳輸基站之間的通信；所述的光纖負責傳輸基站與地面監(jiān)控中心之間的通信。
所述的井下人員定位系統(tǒng)的網(wǎng)關節(jié)點、信標節(jié)點和移動節(jié)點上添加的傳感器，用于測量周圍的環(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現(xiàn)分為兩個階段一是訓練階段，使用已知自身位置坐標的訓練節(jié)點與信標節(jié)點配合，生成包括自身位置坐標、所在區(qū)塊編號、信標節(jié)點編號及信號強度的模式數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關和傳輸基站傳送到地面監(jiān)控中心存儲；二是定位階段，由置于井下人員安全帽上的移動節(jié)點接收信標節(jié)點的定位信號，經(jīng)過簡單處理后形成包括所在區(qū)塊編號、信標節(jié)點編號及信號強度的模式數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關和傳輸基站發(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)庫中在訓練階段生成的模式數(shù)據(jù)進行匹配計算，找出與移動節(jié)點所生成的模式數(shù)據(jù)最接近的訓練節(jié)點生成的模式數(shù)據(jù)，得到移動節(jié)點的精確位置。
上述基于模式匹配的井下人員定位方法的實現(xiàn)包括下列步驟
步驟A，根據(jù)井下的巷道結構和工作環(huán)境，布設并配置信標節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點，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，使用訓練節(jié)點與信標節(jié)點配合，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節(jié)點，移動節(jié)點周期性地向信標節(jié)點發(fā)送定位請求信號；
步驟D，信標節(jié)點收到移動節(jié)點發(fā)射的定位請求信號后，向移動節(jié)點發(fā)射定位信號；
步驟E，移動節(jié)點接收信標節(jié)點發(fā)射的定位信號，向信標節(jié)點發(fā)送確認收到信號并記錄接收到的定位信號中的區(qū)塊編號、信標節(jié)點自身編號及信號強度，進而確定自己所在的區(qū)塊，按照預先設定的格式將所在區(qū)塊編號、信標節(jié)點的編號和信號強度，以及移動節(jié)點自身的編號發(fā)送到臨近的網(wǎng)關節(jié)點；
步驟F，網(wǎng)關節(jié)點接收移動節(jié)點發(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)進行模式匹配計算。
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)塊布設信標節(jié)點，每個區(qū)塊的信標節(jié)點數(shù)相同；
步驟A2，根據(jù)移動節(jié)點發(fā)射信號的覆蓋半徑，在井下巷道布設與總線連接的網(wǎng)關節(jié)占.I— /、、、
步驟A3，完成布設任務后，按所分的區(qū)塊為區(qū)塊內(nèi)的每個信標節(jié)點編號，編號包括兩部分，一部分是所在區(qū)塊的編號，一部分是信標節(jié)點的自身編號；
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，根據(jù)井下巷道的具體構型， 確定每個點的坐標；
步驟B2，訓練節(jié)點在步驟Bl中的每個指定的定位點，鍵盤輸入所在點的坐標并存儲，接收該點所在區(qū)塊內(nèi)信標節(jié)點的定位信號；
步驟B3，訓練節(jié)點將所在區(qū)塊的編號、收到的信標節(jié)點的編號和信號強度以及訓練節(jié)點自身的位置坐標，按照預先設定的格式打成數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點通過總線將數(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)存儲到數(shù)據(jù)庫中。
所述的步驟C還包括以下操作
在移動節(jié)點向信標節(jié)點發(fā)送定位請求信號后，如果一段時間過后沒有收到或者沒有收到預定數(shù)量的信標節(jié)點的信號，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定數(shù)量的信標節(jié)點的信號，則向網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送報錯信息，告知地面監(jiān)控中心信標節(jié)點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，移動節(jié)點接收信標節(jié)點發(fā)射的定位信號，記錄接收到的所有信標節(jié)點的自身編號、區(qū)塊編號及信號強度；
步驟E2，按照信標節(jié)點的信號強度從高到低進行排序，選出最先排出的屬于同一區(qū)塊的所有的信標節(jié)點，確定移動節(jié)點所在的區(qū)塊編號為這些信標節(jié)點所在區(qū)塊的編號， 并拋棄其它信標節(jié)點的信號；
步驟E3，將步驟E2確定的區(qū)塊編號、確定的信標節(jié)點的編號和對應的信號強度， 以及移動節(jié)點自身的編號，按照預先設定的格式打成數(shù)據(jù)包發(fā)送至鄰近的網(wǎng)關節(jié)點。
所述的步驟G中，地面監(jiān)控中心將接收到的移動節(jié)點數(shù)據(jù)包的模式數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的訓練節(jié)點發(fā)送的模式數(shù)據(jù)進行匹配計算包括以下操作
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)進行匹配，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包中的區(qū)塊編號確定移動節(jié)點所在的區(qū)塊，再根據(jù)數(shù)據(jù)包中信標節(jié)點編號和信號強度，通過與數(shù)據(jù)庫中對應區(qū)塊的模式數(shù)據(jù)進行匹配計算，找出數(shù)據(jù)庫中與移動節(jié)點發(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)所對應的坐標確定為移動節(jié)點的坐標。
本發(fā)明可廣泛應用于礦井的井下人員或者移動設備的精確定位。雖然在訓練階段生成模式數(shù)據(jù)庫需要一定的時間，但是為了達到高精度可靠的定位效果，這些時間是值得的，而且，數(shù)據(jù)庫的生成方式非常簡單，容易實現(xiàn)。本發(fā)明還可以輕松的實現(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)明采用移動節(jié)點主動發(fā)射定位請求信號，信標節(jié)點只有檢測到定位請求信號時才發(fā)射定位信號的方式，并且將區(qū)塊選擇和數(shù)據(jù)幀的形成及發(fā)送任務放在可以用礦燈電瓶供電的移動節(jié)點上，使用電池供電的無線信標節(jié)點只需要在收到移動節(jié)點發(fā)送的定位請求信號時才發(fā)射電磁波信號，這樣可以大大延長信標節(jié)點中電池的使用時間，進而延長整個無線傳感器網(wǎng)絡的使用壽命。
2.本發(fā)明采用基于模式匹配的定位算法，以信標節(jié)點發(fā)送到移動節(jié)點的信號強度為計算參量，無須根據(jù)信號強度計算信號的傳輸距離，一方面算法的復雜度低，可以減小計算帶來的時延，另一方面，定位確定到巷道內(nèi)各個點的具體坐標，相比于現(xiàn)在煤礦井下普遍使用的基于RFID (Radio Frequency Identification)射頻識別技術，只能確定移動節(jié)點在某個讀卡器附近的定位方式，大大提高了定位的精度。
3.本發(fā)明結合井下巷道的特點把井下巷道分成不同的區(qū)塊，每個區(qū)塊只需要鋪設很少的幾個信標節(jié)點即可實現(xiàn)高精度的定位，成本較?。徊⑶医Y構功能簡單，信標節(jié)點的數(shù)量還可以依據(jù)具體環(huán)境和定位精度要求靈活設定。


圖1是本發(fā)明的基于無線傳感器網(wǎng)絡的井下人員定位系統(tǒng)的組成框圖
圖2是本發(fā)明的定位方法中訓練階段巷道的俯視示意圖3是本發(fā)明的信標節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式；
圖4是本發(fā)明的訓練節(jié)點向地面監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式；
圖5是本發(fā)明的移動節(jié)點向地面監(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)明的訓練節(jié)點的電路框圖8是本發(fā)明的移動節(jié)點和信標節(jié)點相同的電路框圖9是本發(fā)明的網(wǎng)關節(jié)點的電路框圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明技術方案的內(nèi)容和優(yōu)勢更加清楚明了，以下結合附圖，對本發(fā)明的一種井下人員定位系統(tǒng)及方法進行進一步的詳細說明。
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)絡的井下人員定位系統(tǒng)及方法，主要針對在井下人員定位方面現(xiàn)有技術在定位精度、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，和一種結合該方法構成的基于無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network, WSN)井下人員定位系統(tǒng)。定位方法的實現(xiàn)分為兩個階段一是訓練階段，使用已知自身位置坐標的訓練節(jié)點與信標節(jié)點配合，生成包括自身位置坐標和所在區(qū)塊編號、信標節(jié)點編號和信號強度的模式數(shù)據(jù)存儲在地面監(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節(jié)點接收信標節(jié)點的信號，經(jīng)過簡單處理后形成包含所在區(qū)塊編號、信標節(jié)點編號和信號強度的模式數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關節(jié)點和傳輸基站發(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)庫中在訓練階段生成的模式數(shù)據(jù)進行匹配計算，找出與移動節(jié)點所生成的模式數(shù)據(jù)最接近的數(shù)據(jù)庫中的模式數(shù)據(jù)， 進而得到移動節(jié)點的精確位置。該方法區(qū)別于目前常用的基于電子識別卡和讀卡器的只能確定移動節(jié)點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，得到移動節(jié)點具體的位置坐標，大大提高了系統(tǒng)的定位精度。
下面詳細說明本發(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)關節(jié)點5、信標節(jié)點6、訓練節(jié)點7和移動節(jié)點8。訓練節(jié)點和移動節(jié)點在系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構中所處的位置是一樣的，但在系統(tǒng)中是先后出現(xiàn)，不是同時出現(xiàn)。
地面監(jiān)控中心可以是一臺計算機或者服務器，或者是多臺計算機或者服務器組成的計算機網(wǎng)絡。它擁有一個大型的數(shù)據(jù)庫，可以使用Microsoft SQL krver作為管理系統(tǒng)， 用于存儲訓練階段由訓練節(jié)點生成的定位模式數(shù)據(jù)。在定位階段，地面控制中心負責將移動節(jié)點7通過網(wǎng)關節(jié)點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)進行匹配計算，找出與其最接近的一種模式數(shù)據(jù)，進而得到移動節(jié)點的精確坐標。
模式匹配計算的具體算法如下
訓練節(jié)點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，X
K[A,X<i1,r1, i2,r2,…，in，rn>，L] (1)里包含該區(qū)塊內(nèi)信標節(jié)點的編號in和對應的信號強度rn，η表示預先設定的每個區(qū)塊中信標節(jié)點的個數(shù)，L為該模式對應的坐標。
移動節(jié)點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為移動節(jié)點自身的編號，
M[B，DJGnP1, i2，p2，…，in, pn>] 為所屬的區(qū)塊編號，Y里包含的內(nèi)容同上面敘述中的X。模式匹配計算時，先根據(jù)移動節(jié)點7發(fā)來的模式數(shù)據(jù)中的區(qū)塊編號，找到數(shù)據(jù)庫中相應區(qū)塊編號對應的模式數(shù)據(jù)，然后進行匹配計算，匹配計算如( 所示，最終選擇最小的N，取其對應模式數(shù)據(jù)中的坐標，作為移動節(jié)點的坐標。
N = ^jJj-J-Pjf(3)
圖2是本發(fā)明的定位算法中訓練階段巷道的俯視示意圖。
如圖2所示，本系統(tǒng)中使用每個區(qū)塊4個信標節(jié)點為例進行闡述，實際應用中可以根據(jù)精度的需求靈活選擇每個區(qū)塊中信標節(jié)點的個數(shù)，當然，不同的信標節(jié)點的個數(shù)對應的模式中信標節(jié)點數(shù)據(jù)量不同。圖中9為信標節(jié)點，10為訓練節(jié)點，每個信標節(jié)點都有自己的編號，訓練節(jié)點已知自身所在位置的坐標，接收該區(qū)塊內(nèi)四個信標節(jié)點的定位信號，信標節(jié)點的定位信號中包含其所在區(qū)塊的編號，自身的編號，其數(shù)據(jù)包的格式如圖3所示。訓練節(jié)點收到信標節(jié)點的信號后，測得其到達時的信號強度，然后將所在區(qū)塊的編號、四個信
權利要求
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)關節(jié)點，總線，信標節(jié)點，訓練節(jié)點和移動節(jié)點；所述地面監(jiān)控中心是一臺計算機或者服務器，或者是多臺計算機或者服務器組成的計算機網(wǎng)絡；地面監(jiān)控中心存儲定位模式數(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，匯聚網(wǎng)關節(jié)點通過總線發(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)關節(jié)點接收移動節(jié)點發(fā)送的定位信息，通過總線傳送到傳輸基站； 所述信標節(jié)點在巷道內(nèi)按區(qū)塊布設，每個區(qū)塊內(nèi)信標節(jié)點數(shù)量相同，每個信標節(jié)點具有一個所在區(qū)塊編號和一個在本區(qū)塊內(nèi)獨有的自身編號；信標節(jié)點向移動節(jié)點發(fā)射定位信息，定位信息包括信標節(jié)點所在區(qū)塊編號和自身編號；所述每個訓練節(jié)點具有鍵盤，輸入在巷道內(nèi)自身位置坐標，從信標節(jié)點接收定位信息， 生成包括自身位置坐標、所在區(qū)塊編號、信標節(jié)點編號和信號強度的模式數(shù)據(jù)，并上傳至地面監(jiān)控中心，存儲在數(shù)據(jù)庫中，作為所述定位模式數(shù)據(jù)；所述每個移動節(jié)點具有一個獨有的編號，與井下人員的身份對應；移動節(jié)點置于井下人員的安全帽上，使用礦燈電瓶作輔助電源；移動節(jié)點周期性地向信標節(jié)點發(fā)射定位請求信號，并對接收到信標節(jié)點的定位信息進行處理，生成包括所在區(qū)塊編號、信標節(jié)點編號和信號強度的模式數(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)進行匹配計算，實現(xiàn)定位；所述井下人員定位系統(tǒng)中涉及的井下設備，包括傳輸基站、網(wǎng)關節(jié)點、總線、信標節(jié)點、 訓練節(jié)點和移動節(jié)點是本質(zhì)安全型設備。
2.根據(jù)權利要求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)關節(jié)點包括處理器、存儲器、無線收發(fā)器、傳感器、電源及總線模塊； 所述信標節(jié)點包括處理器、存儲器、無線收發(fā)器、傳感器、電源，信標節(jié)點在巷道內(nèi)按區(qū)塊布設；所述訓練節(jié)點包括處理器、存儲器、無線收發(fā)器、鍵盤、顯示器、電源； 和移動節(jié)點包括處理器、存儲器、無線接收發(fā)器、傳感器、電源。
3.根據(jù)權利要求2所述井下人員定位系統(tǒng)，其特征在于，網(wǎng)關節(jié)點、信標節(jié)點和移動節(jié)點中的傳感器、無線收發(fā)器，訓練節(jié)點的無線收發(fā)器、鍵盤和顯示器以及網(wǎng)關節(jié)點中的總線模塊與各節(jié)點中的處理器和存儲器單元相連；各節(jié)點中的無線收發(fā)器接收和發(fā)送無線電磁波；網(wǎng)關節(jié)點、信標節(jié)點和移動節(jié)點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)點中的處理器和存儲器單元存儲接收的數(shù)據(jù)，并處理控制其它單元的運行；訓練節(jié)點的鍵盤鍵輸入訓練節(jié)點所在的位置坐標，顯示器顯示該坐標；網(wǎng)關節(jié)點中的總線模塊與總線相連；各節(jié)點中的電源提供電能。
4.一種井下人員定位方法，其實現(xiàn)過程包括兩個階段訓練階段和定位階段； 所述訓練階段中，訓練節(jié)點與信標節(jié)點配合，生成包括自身位置坐標、所在區(qū)塊編號及信標節(jié)點編號和信號強度的模式數(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；所述定位階段中，移動節(jié)點與信標節(jié)點配合，生成包括所在區(qū)塊編號、信標節(jié)點編號和信號強度的模式數(shù)據(jù)，并上傳該模式數(shù)據(jù)至地面監(jiān)控中心，與訓練階段生成的模式數(shù)據(jù)進行匹配計算，實現(xiàn)對移動節(jié)點的定位。
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)井下的巷道結構和工作環(huán)境，布設并配置信標節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點，傳輸基站， 以及總線；步驟B，使用訓練節(jié)點與信標節(jié)點配合，生成定位模式數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，存儲于數(shù)據(jù)庫中；步驟C，在井下人員的安全帽上安裝移動節(jié)點，移動節(jié)點周期性地向信標節(jié)點發(fā)送定位請求信號；步驟D，信標節(jié)點收到移動節(jié)點發(fā)射的定位請求信號后，向移動節(jié)點發(fā)射定位信號； 步驟E，移動節(jié)點接收信標節(jié)點發(fā)射的定位信號，向信標節(jié)點發(fā)送確認收到信號并記錄接收到的定位信號中的區(qū)塊編號、信標節(jié)點自身編號及信號強度，確定自己所在的區(qū)塊，按照預先設定的格式將所在區(qū)塊編號、信標節(jié)點的編號和信號強度，以及移動節(jié)點自身的編號發(fā)送到臨近的網(wǎng)關節(jié)點；步驟F，網(wǎng)關節(jié)點接收移動節(jié)點發(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，對照數(shù)據(jù)庫中在步驟B生成的定位模式數(shù)據(jù)， 進行模式匹配定位。
6.根據(jù)權利要求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)塊布設信標節(jié)點，每個區(qū)塊內(nèi)的信標節(jié)點數(shù)量相同；步驟A2，根據(jù)移動節(jié)點發(fā)射信號的覆蓋半徑，在井下巷道布設與總線連接的網(wǎng)關節(jié)占.步驟A3，完成布設任務后，按所分的區(qū)塊為區(qū)塊內(nèi)的每個信標節(jié)點編號，編號包括所在區(qū)塊編號和信標節(jié)點的自身編號。
7.根據(jù)權利要求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，根據(jù)井下巷道的具體構型，確定每個定位點的坐標；步驟B2，訓練節(jié)點在步驟Bl中的每個指定的定位點，鍵盤輸入所在位置坐標，接收該點所在區(qū)塊內(nèi)信標節(jié)點的定位信號；步驟B3，訓練節(jié)點將收到的信標節(jié)點的編號、所在區(qū)塊編號、信號強度以及訓練節(jié)點自身的位置坐標，按照預先設定的格式打成數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點通過總線將數(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，X里包含該區(qū)塊內(nèi)信標節(jié)點的編號in和對應的信號強度 rn，η表示預先設定的每個區(qū)塊中信標節(jié)點的個數(shù)，η的值可以根據(jù)實際定位精度的需要設定，L為該定位模式數(shù)據(jù)所對應的訓練節(jié)點的位置坐標。
8.根據(jù)權利要求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 在移動節(jié)點向信標節(jié)點發(fā)送定位請求信號后，如果一段時間過后沒有收到或者沒有收到預定數(shù)量的信標節(jié)點的信號，則重新發(fā)送定位請求信號，如果重發(fā)預定次數(shù)都沒有收到或者沒有收到預定數(shù)量的信標節(jié)點的信號，則向網(wǎng)關節(jié)點發(fā)送報錯信息，告知地面監(jiān)控中心信標節(jié)點可能損壞或者電量已耗盡。
9.根據(jù)權利要求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，移動節(jié)點接收信標節(jié)點發(fā)射的定位信號，記錄接收到的所有信標節(jié)點的自身編號、區(qū)塊編號及信號強度；步驟E2，按照信標節(jié)點的信號強度從高到低進行排序，選出最先排出的屬于同一區(qū)塊的所有的信標節(jié)點，確定移動節(jié)點所在的區(qū)塊編號為這些信標節(jié)點所在區(qū)塊的編號，并拋棄其它信標節(jié)點的信號；步驟E3，將步驟E2確定的區(qū)塊編號、確定的信標節(jié)點的編號和對應的信號強度，以及移動節(jié)點自身的編號，按照預先設定的格式打成數(shù)據(jù)包發(fā)送至鄰近的網(wǎng)關節(jié)點，數(shù)據(jù)包中的模式為M[B, D，Y<ii; Pl, i2，p2,…，in，pn>]，其中，B為移動節(jié)點自身的編號，D為所在的區(qū)塊編號，Y里包含該區(qū)塊內(nèi)信標節(jié)點的編號in和對應的信號強度Pn，n表示預先設定的每個區(qū)塊中信標節(jié)點的個數(shù)，其值與步驟Β3中的所述的η的值相同。
10.根據(jù)權利要求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節(jié)點數(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)進行匹配計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)進行匹配，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包中的區(qū)塊的編號確定移動節(jié)點所在的區(qū)塊，再根據(jù)數(shù)據(jù)包中信標節(jié)點編號和信號強度找出數(shù)據(jù)庫中與移動節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包中的模式最接近的模式，模式匹配計算式為N =在:.=l(r廠巧)2，其中，η為訓練階段生成的模式數(shù)據(jù)中信標節(jié)點的信號強度，Pj為定位階段移動節(jié)點上傳至地面監(jiān)控中心的模式數(shù)據(jù)中信標節(jié)點的信號強度，η表示預先設定的每個區(qū)塊中信標節(jié)點的個數(shù)，選擇最小的N，取其對應模式數(shù)據(jù)中的坐標，定為移動節(jié)點所在的坐標位置。
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)包括設在井上的地面監(jiān)控中心，設在井下的傳輸基站，多個網(wǎng)關節(jié)點，光纖，總線，多個無線信標節(jié)點，多個移動節(jié)點，其中應用于井下的設備均是本質(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)巷道的結構和信標節(jié)點的信號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信標節(jié)點，在訓練階段，通過訓練節(jié)點在地面監(jiān)控中心生成定位模式數(shù)據(jù)庫，在定位階段，移動節(jié)點根據(jù)接收的信標節(jié)點的定位信號，向地面監(jiān)控中心發(fā)送定位模式，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)訓練節(jié)點生成的模式進行匹配，找到最接近的模式，實現(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)設備結構簡單。
文檔編號E21F17/18GK102523621SQ20121000642
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權日2012年1月10日
發(fā)明者孫繼平, 李宗偉 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)