基于uwb技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一套基于UWB技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用以太網(wǎng)架構(gòu)，井下定位基站設(shè)有定位模塊和環(huán)境監(jiān)控模塊，定位基站的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳至地面監(jiān)控中心，定位標(biāo)簽設(shè)有定位模塊和生命狀態(tài)監(jiān)測模塊。系統(tǒng)將環(huán)境監(jiān)控、定位和生命探測進(jìn)行有效的整合，可為救援方案的制定提供全面的救援信息，提高救援效率。
【專利說明】基于UWB技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)，特別是涉及一種針對井下環(huán)境復(fù) 雜、定位困難等問題的基于UWB技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來我國礦難頻發(fā)，一項(xiàng)對自2008年以來10起重大礦難事故的統(tǒng)計(jì)表明：70% 的礦難原因是瓦斯爆炸，20%為透水，其他10%。因此，這些都是因?yàn)槿狈峦咚埂⑺?汽環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)控和預(yù)警。而且，如果能夠?qū)氯藛T、車輛等設(shè)備的實(shí)時定位監(jiān)控，也 能為緊急情況下的救援工作提供有效幫助信息，可大大提高救援效率，降低人員傷亡率。例 如，2011年11月10日，云南師宗縣發(fā)生瓦斯和煤炭突出事故，造成當(dāng)班43人被困，截至11 日凌晨，已證實(shí)其中21人死亡，另22人失蹤。但是由于事發(fā)礦井不能確定被困人員位置， 又花費(fèi)了大量時間清理阻礙救援路線的礦車，使救援極為緩慢，最終造成30人死亡，僅13 人獲救。因此，由于對井下環(huán)境缺乏監(jiān)控預(yù)警導(dǎo)致了這起事故的發(fā)生，以及缺乏對井下人員 和設(shè)備的定位監(jiān)控，影響了救援進(jìn)度，帶來重大人員傷亡。
[0003] 井下定位技術(shù)是礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)。然而由于井下特殊 的地下環(huán)境，很多定位技術(shù)如GPS定位、GSM/GPRS定位不可能應(yīng)用到礦井中去。而現(xiàn)在廣泛 使用的井下定位技術(shù)如RFID、ZigBee、WiFi等都存在定位精度不高、抗干擾能力差等問題。 近年來，從軍事轉(zhuǎn)為民用的UWB定位技術(shù)為上述問題提供了新的有效解決方案，UWB技術(shù)不 僅定位精度高、抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)、信號穿透力強(qiáng)，還具有高通訊速率、低功耗、保密性能好 等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 因此，以UWB精確定位技術(shù)為基礎(chǔ)，集環(huán)境監(jiān)控、人員定位、人員管理、設(shè)備管理、 通信于一體的礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，可有效預(yù)防礦難發(fā)生，礦難發(fā) 生后也可為緊急救援提供重要信息；亦可為礦車調(diào)度、勘探與生產(chǎn)安排提供有力支撐，對保 障礦井安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)管理效率都有重要的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：基于UWB無線通信/定位技術(shù)，提出一套基于UWB的 礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提供全面的救援管理信息，具有厘米級的定位精 度。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] 1、基于UWB技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)，包括：UWB定位基站、UWB定位標(biāo) 簽、工業(yè)以太網(wǎng)、上位機(jī)監(jiān)控管理軟件。設(shè)計(jì)的礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)系統(tǒng)框圖如圖 附圖1所示。
[0008] 定位標(biāo)簽集成了 UWB定位/通信模塊、生命監(jiān)測模塊，定位基站集成了 UWB位/通 信模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、網(wǎng)絡(luò)接入模塊（網(wǎng)卡），如附圖2所示。定位基站和定位標(biāo)簽的UWB 模塊既用于定位，又用于數(shù)據(jù)通信，定位標(biāo)簽的生命監(jiān)測模塊的檢測數(shù)據(jù)通過UWB通信模 塊傳輸至基站，再經(jīng)網(wǎng)卡利用以太網(wǎng)傳輸至地面服務(wù)器。環(huán)境檢測模塊能夠檢測井下的溫 度、濕度、瓦斯氣體含量等環(huán)境數(shù)據(jù)，并對危險(xiǎn)環(huán)境做出預(yù)警提示。生命監(jiān)測模塊通過融合 多種傳感器數(shù)據(jù)，檢測定位標(biāo)簽佩帶人員的生命狀況，主要用于緊急救援情況下。
[0009] 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種工作模式：正常模式和緊急模式。在正常模式下，系統(tǒng)以低功耗為 目標(biāo)，此時UWB模塊在確保定位和通信功能的前提下盡可能降低發(fā)射功率，而生命監(jiān)測模 塊則處于停用狀態(tài)。在緊急模式下以確保定位和通信可靠為目標(biāo)，生命監(jiān)測模塊也開始啟 動。此時UWB模塊會將發(fā)射功率調(diào)至最大，以增強(qiáng)UWB信號的穿透能力，克服因塌方帶來的 UWB定位/通信障礙，此外，如果以太網(wǎng)網(wǎng)線遭到損壞無法通信，UWB定位基站會選擇UWB無 線通信方式將本基站數(shù)據(jù)傳送至前方基站，確保通信暢通。另外，啟動的生命監(jiān)測模塊開始 工作，通過多種傳感器的數(shù)據(jù)融合可判斷佩帶人員的生命狀況，以便于地面救援工作的開 展。
[0010] 2、基于UWB技術(shù)的井下人員精確定位方法，所述井下人員精確定位方法，包括 SDS-TW-T0A測距原理和井下定位算法。
[0011] (1) SDS-TW-T0A 測距原理
[0012] TW-T0A(雙向到達(dá)時間）測距原理如附圖3所示。節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送測距幀札， 節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A返回響應(yīng)幀R2，節(jié)點(diǎn)A、B間的距離可用式⑴求得：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 基于UWB技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)控與救援管理系統(tǒng)，其特征在于，包括定位基站、定位標(biāo) 簽、上位機(jī)管理軟件。 定位基站集成了 UWB定位/通信模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊、網(wǎng)絡(luò)接入模塊；定位標(biāo)簽集成了 UWB定位/通信模塊、生命監(jiān)測模塊。定位基站和定位標(biāo)簽的UWB定位/通信模塊兼具了無 線定位和無線通信功能。定位基站的環(huán)境監(jiān)測模塊監(jiān)測礦井環(huán)境中的溫度、濕度、壓強(qiáng)、瓦 斯氣體含量等環(huán)境數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)接入模塊負(fù)責(zé)定位基站的以太網(wǎng)接入，定位基站的環(huán)境監(jiān)測 數(shù)據(jù)、UWB定位數(shù)據(jù)和UWB通信接收數(shù)據(jù)都通過以太網(wǎng)傳輸至地面監(jiān)控中心。 定位標(biāo)簽的生命監(jiān)測模塊用于緊急情況下檢測標(biāo)簽佩戴人員的生命狀態(tài)，生命狀態(tài)監(jiān) 測信息通過UWB無線通信發(fā)送至定位基站。生命模塊采用數(shù)據(jù)融合算法融合多種生命探測 傳感器參數(shù)，準(zhǔn)確判斷井下人員的生命狀態(tài)。一般情況下井下人員都是在動的，因此振動傳 感器就基本能夠判斷他的生命狀況，但是為了檢測昏迷的生命狀態(tài)，增加紅外檢測。通過數(shù) 據(jù)融合方法，利用振動傳感器數(shù)據(jù)和紅外傳感器數(shù)據(jù)就能比較準(zhǔn)確地判斷持卡人員的生命 狀態(tài)。 上位機(jī)管理軟件包括人員管理、環(huán)境監(jiān)控、救援管理、數(shù)據(jù)庫管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、賬戶管理 等功能模塊。其中，人員管理包括考勤管理、人事管理、人員定位、人員調(diào)度功能；環(huán)境監(jiān) 控包括溫濕度檢測、瓦斯檢測、環(huán)境預(yù)警等功能；救援管理包括模式切換、人員定位、救援調(diào) 度、生命監(jiān)測等功能；數(shù)據(jù)庫管理包括數(shù)據(jù)備份、軌跡查詢、系統(tǒng)日志等數(shù)據(jù)庫管理功能。
2. 本發(fā)明的基于UWB技術(shù)的定位方法，其特征在于，該方法采用了 SDS-TW-TOA測距算 法，可有效抑制因無線節(jié)點(diǎn)晶振頻率差異造成的測距誤差，使系統(tǒng)達(dá)到厘米級的室內(nèi)定位 精度。 TW-TOA(雙向到達(dá)時間）測距原理：節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送測距幀心，節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A返 回響應(yīng)幀!^，節(jié)點(diǎn)A、B間的距離可用式⑴求得： d7B'T〇A =\c*(Tab-Tdb) (1) 式中：c = 3X108m/s，Tab為節(jié)點(diǎn)A自發(fā)出的測距幀到接收到響應(yīng)幀之間的時間延遲， Tab為節(jié)點(diǎn)B自收到測距幀到發(fā)出響應(yīng)幀的時間延遲。 SDS-TW-TOA (對稱雙向到達(dá)時間）測距原理與TW-TOA類似，它在TW-TOA基礎(chǔ)之上增 加了一個步驟：由節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送二次響應(yīng)幀R3，這樣節(jié)點(diǎn)A、B間的距離可用公式（2) 求得： dSOS-TW-TOA J_c.{Tab+Tba_Tdb_Tda) (2) 式中：Tba為節(jié)點(diǎn)B自發(fā)出的測距幀到接收到二次響應(yīng)幀之間的時間延遲，Tda為節(jié)點(diǎn)A 自收到測距幀到發(fā)出二次響應(yīng)幀的時間延遲，實(shí)際應(yīng)用中Tab、Tdb、Tba、T da都可從UWB定位模 塊的相應(yīng)寄存器中讀取得到。 根據(jù)井下巷道狹長的特定環(huán)境，可以將井下定位簡化為一維坐標(biāo)下的定位，設(shè)有定位 基站1和定位基站2,坐標(biāo)分別為（Xp y)、（x2, y2),其中，Xi < x2, yi = y2。若利用上述 SDS-TW-TOA測距方法測得定位目標(biāo)到基站1的距離為屯，則目標(biāo)可能的位置為A、B，坐標(biāo)分 力lj 為（Xa，Ya)、（Xb，Yb)，有： χα=? (3) Xfl = X, + ?! 7? =^1 同理若測得目標(biāo)距基站2的距離d2可得目標(biāo)可能位置為C、D，坐標(biāo)分別為（X。，yc)、（x D， yD)，有： XC ~X2~ yc=yi < , (4) xD=x2+ d2 .yD=yi 若果基站1、2同時檢測到定位目標(biāo)，這它可能在基站1、2之間的B、C兩點(diǎn)，定位目標(biāo)的 最終坐標(biāo)取B、C兩點(diǎn)坐標(biāo)的平均值，有： [x={xB+xc)n (5)
【文檔編號】E21F17/18GK104244175SQ201310234298
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月14日
【發(fā)明者】胡志坤, 廖北平, 王文祥, 蔣漢柏, 劉斌, 郭敏 申請人:長沙恒茂電子信息技術(shù)有限公司