本發(fā)明涉及一種監(jiān)測系統(tǒng)及檢測方法，尤其適用于井下安全領域中使用的井下多功能智能監(jiān)測系統(tǒng)及檢測方法。
背景技術(shù)：
經(jīng)濟的飛速發(fā)展對煤炭的需求提出了更高的要求,但在實際煤礦生產(chǎn)中，礦難事故不斷發(fā)生，國家和社會不得不注重煤礦生產(chǎn)的安全方面。有效檢測井下環(huán)境的安全系數(shù)，對井下環(huán)境進行監(jiān)測預警，為保障井下人員安全至關重要。
煤礦井下沒有自然光照射，只能靠人工照明。只采用頭戴礦燈作為主要照明光源，照度低，炫光強。工人長期在光線不足的環(huán)境下工作容易產(chǎn)生疲勞，影響生產(chǎn)安全。良好的照明尤其重要。現(xiàn)如今，我國煤礦井下的照明系統(tǒng)耗電量又相對較大，而人類賴以生存的能源日益匱乏，因此，節(jié)約井下照明用電量同樣是重要的一環(huán)。
煤礦井下不能出現(xiàn)火花，傳統(tǒng)的礦燈充電方式不適應于井下，攜帶者需返回地面，給礦燈充電。
由于種種原因，煤礦事故屢有發(fā)生，特別是在發(fā)生事故時，礦工在井下分布狀況及人數(shù)的不確定性給事故救援工作帶來很大困難。實時了解人員位置，當事故發(fā)生時，可以及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率。目前井下人員的跟蹤定位，基本上采用的是RFID和基于無線傳感網(wǎng)絡的的定位方法。
1、RFID方法
RFID方法是在在礦井井口處，或其它井下一些關鍵通道口，使用射頻卡(RFID)讀取的方法對下井人員進進記錄跟蹤的方法。這種方法存在如下幾個問題：
(1)定位精度低
RFID定位原理采用基站對識別卡進行掃描，識別卡進入基站范圍后，確認該人員處于基站周圍，其定位精度完全取決于基站的布置密度，無法判斷人員處于基站覆蓋區(qū)的具體位置和覆蓋區(qū)外的具體位置。
(2)在高速條件下定位人員漏檢率較高
射頻卡這種系統(tǒng)讀卡速度十分有限，不能處理多人同時快速通過讀卡系統(tǒng)的情況(例如乘車下井、多人一超行走)，此時，系統(tǒng)往往會出現(xiàn)漏讀；提高系統(tǒng)在高速、大流量下識別的準確性是人員定位系統(tǒng)面臨的一個難題。
總之，現(xiàn)有的RFID射頻讀寫系統(tǒng)(包括SuperRFID)，很難實現(xiàn)井下人員的區(qū)域定位和井下人員的考勤，從使用的技術(shù)上不能實現(xiàn)真正意義上的井下人員定位跟蹤。
2、基于無線傳感網(wǎng)絡的定位方法
常見的無線傳感網(wǎng)絡定位算法多是采用基于RSSI(Received Signal Strength Indicator)的定位方式，采用無線終端采集到的RSSI值，通過RSSI與終端到傳感網(wǎng)絡節(jié)點的距離的對應關系來實現(xiàn)人員定位。這種方法存在RSSI與終端到傳感網(wǎng)絡節(jié)點的距離的對應關系存在偏差：
井下環(huán)境勢必會引起信號多徑效應，RSSI會因信號多徑傳播引起的小尺度陰影衰落而不再隨傳播距離增加單調(diào)遞減，從而限制測距精度。多徑傳播也會導致RSSI幅度波動，在典型實驗室環(huán)境下，一臺靜止的接收機在1分鐘內(nèi)接收到的RSSI可能出現(xiàn)5dB的波動。這種多徑傳播造成的RSSI波動也會導致定位時出現(xiàn)偏差。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對上述技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，功能全面，當有人經(jīng)過時，會自動點亮照明燈，為井下人員提供照明，同時定位該人員位置的井下多功能智能監(jiān)測系統(tǒng)及檢測方法。
為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的井下多功能智能監(jiān)測系統(tǒng)，包括設在井下的多個智能定位照明礦燈、多個WIFI無線基站、隨身礦燈和設置在井上的服務器，所述多個智能定位照明礦燈通過線路相互連接，并最終與井上服務器相連接，其特征在于：所述智能定位照明礦燈包括環(huán)境監(jiān)測模塊、語音通話模塊、WIFI模塊、無線充電模塊、微波傳感器、射頻器、單片機、繼電器、變壓器、蜂鳴器、照明燈、預警燈和電池；單片機的輸入端分別與微波傳感器、環(huán)境監(jiān)測模塊和射頻器相連接，單片機的輸出端分別與無線充電模塊、WIFI模塊、繼電器、預警燈、蜂鳴器相連接，繼電器與照明燈相連接，單片機還與語音通話模塊相連接，多個WIFI無線基站通過光纖連接到井上服務器，WIFI無線基站之間通過無線信號或光纖通訊；所述隨身礦燈包括便攜式照明燈和電源，電源上設有無線標簽。
所述環(huán)境監(jiān)測模塊包括氧氣、一氧化碳和甲烷氣體濃度檢測傳感器，通過給單片機設定檢測氣體的濃度閥值，當檢測到的氣體濃度超過或低于預設閥值，單片機被喚醒，通過蜂鳴器和預警燈進行警報。所述WIFI無線基站每隔10m-100m安裝在井下巷道壁上。所述每兩個感應燈之間間距為定值，該定值為15米。當隨身礦燈電量不足時，利用無線充電接收線圈在磁感應范圍內(nèi)，通過磁共振進行持續(xù)充能。所述智能定位照明礦燈利用電纜和電池供電，當電纜斷路時能定位照明礦燈自動使用電池供電。
一種使井下多功能智能檢測方法，其步驟如下：
a.利用井上服務器對預備下井的隨身礦燈的無線標簽進行ID編號，同時對井下多功能智能監(jiān)測系統(tǒng)中的所有智能定位照明礦燈進行ID編號，并在服務器中繪制出各個編號的智能定位照明礦燈在巷道中的位置；
b.井下多功能智能監(jiān)測系統(tǒng)中的智能定位照明礦燈利用微波傳感器恒定檢測巷道中是否存在進行廣播的隨身礦燈無線標簽，其中微波傳感器掃描范圍為15米；
c.當微波傳感器掃描到當前巷道端中存在隨身礦燈的無線標簽，則向單片機發(fā)出喚醒信號，同時單片機控制照明燈打開，對掃描到人體經(jīng)過的巷道段區(qū)域進行照明，同時單片機喚醒環(huán)境監(jiān)測模塊對此段巷道的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，將采集到的數(shù)據(jù)與預設在單片機內(nèi)數(shù)據(jù)比較，若數(shù)據(jù)不超過預設警戒值則單片機控制環(huán)境監(jiān)測模塊休眠，若檢測數(shù)據(jù)超過超過預設警戒值，則單片機控制蜂鳴器和預警燈進行報警，同時單片機通過WIFI無線基站組成的無線網(wǎng)向井上服務器發(fā)出信號，服務器獲取信號從而定位出各個ID編號的隨身礦燈處于巷道的位置，并獲得各ID編號的隨身礦燈所處區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)；如遇井下事故導致供電系統(tǒng)癱瘓，自動啟用備用電池供電，
d.當微波傳感器掃描不到當前區(qū)域內(nèi)存在無線標簽時，則向單片機發(fā)送相應信息，單片機開始倒計時，計時結(jié)束后關閉照明燈。
當智能定位照明礦燈檢測到隨身礦燈的無線標簽后，利用射頻器向無線標簽發(fā)送當前智能定位照明礦燈的ID編號，若無線標簽在收到ID編號后預設周期時間內(nèi)沒有收到新的ID編號，即無線標簽在周期時間內(nèi)只收到一個智能定位照明礦燈的ID編號時，則無線標簽利用射頻器向此智能定位照明礦燈發(fā)出激活指令，通過智能定位照明礦燈激活與其連接的后一個智能定位照明礦燈單片機，使后一個智能定位照明礦燈打開照明燈，同時采集周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)并向無線表現(xiàn)發(fā)送相應數(shù)據(jù)。
所述定位出隨身礦燈處于巷道的位置方法為：當隨身礦燈的無線標簽收到至少兩個智能定位照明礦燈n、智能定位照明礦燈n+1反饋的無線信息時，智能定位照明礦燈n、智能定位照明礦燈n+1對無線標簽進行信息接收，無線標簽在0.1秒內(nèi)各自發(fā)送到智能定位照明礦燈的多組不同RSSI信息，智能定位照明礦燈n和智能定位照明礦燈n+1將各個接收信號強度RSSI值記錄下來，并通過網(wǎng)絡將記錄下來的各個信號強度RSSI值發(fā)送給井上服務器，信息包含該無線標簽的ID編號，智能定位照明燈ID編號，隨身礦燈利用射頻器向智能定位照明礦燈進行廣播，井上服務器利用高斯校正模型：p0＝p+x0，對接收到的各個RSSI值進行修正，減少RSSI隨機誤差，提高RSSI的可用性，式中，p0表示測量的RSSI值，單位為dBm；p為穩(wěn)定值，單位為dBm；x0為隨機誤差，單位為dBm；設服務器接收到照明燈n發(fā)送的RSSI值為X，則X服從正態(tài)分布X～N(μ,σ2)，其概率密度函數(shù)F(x)為：
其中，xi為照明燈n發(fā)送的第i個RSSI值，單位為dBm；n為照明燈n發(fā)送的RSSI值總數(shù)；μ為X均值，單位為dBm；σ為X標準差，單位為dBm；
選取RSSI值F(x)為0.6為處于高概率多發(fā)區(qū)界，忽略當F(x)＜0.6時的情況，當F(x)≥0.6時，將高概率多發(fā)區(qū)的RSSI去平均，利用對數(shù)常態(tài)路徑損耗模型：
求出智能定位照明礦燈n到隨身礦燈無線標簽的距離dn，再利用高斯校正模型求出智能定位照明礦燈n+1到隨身礦燈無線標簽的距離dn+1；式中：PL(d)為d處的信號強度，為d0處的信號強度，n為信道衰減指數(shù)，Xσ為隨時間而變化的隨機變量；
由于智能定位照明礦燈n、智能定位照明礦燈n+1的位置預先已知分別為：(xn,yn)、(xn+1,yn+1)，設無線標簽位置為(x,y)，則利用公式：(x-xn)2+(y-yn)2＝dn2和(x-xn+1)2+(y-yn+1)2＝dn+12得到交點坐標，由于可能出現(xiàn)兩個點的情況，去掉落在巷道壁內(nèi)不存在的點，從而確定人員隨身礦燈的位置。
有益效果：本設計包括環(huán)境監(jiān)測預警、語音通話、無線充電、人員定位和照明裝置，通過微波傳感器喚醒單片機，點亮照明燈，為井下人員所在區(qū)域提供良好的照明條件；利用小范圍感應燈微波傳感器感應定位人員，減小利用接收信號強度值進行人員定位的誤差，從而提高了人員定位精度；人走燈滅，單片機進入休眠模式，降低設備功耗，減少用電量；設有無線充電模塊可以隨時給人員攜帶的礦燈進行充能，延長其工作時長的3倍多，提高了井下人員的生產(chǎn)效率，同時符合本質(zhì)安全；環(huán)境監(jiān)測傳感器監(jiān)測到的安全系數(shù)超過或低于閥值，喚醒所有單片機，蜂鳴器報警，照明燈亮、預警燈亮，及時提示井下人員險情，進行撤離工作。
附圖說明
圖1為本發(fā)明智能定位照明礦燈的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
如圖1所示，本發(fā)明的井下多功能智能監(jiān)測系統(tǒng)，包括設在井下的多個智能定位照明礦燈、基于WIFI的基站、隨身礦燈和井上服務器，所述WIFI無線基站每隔10m-100m安裝在井下巷道壁上，并通過光纖連接到井上服務器；所述WIFI無線基站之間通過無線WIFI信號或光纖通訊；所述每兩個照明燈之間間距為15米，所述多個智能定位照明礦燈相互連接，并與井上服務器相連接，所述智能定位照明礦燈包括環(huán)境監(jiān)測模塊、語音通話模塊、WIFI模塊、無線充電模塊、微波傳感器、射頻器、單片機、繼電器、變壓器、蜂鳴器、照明燈、預警燈、電池；所述環(huán)境監(jiān)測模塊包括氧氣、一氧化碳和甲烷氣體濃度檢測傳感器，通過給單片機設定檢測氣體的濃度閥值，當檢測到的氣體濃度超過或低于預設閥值，單片機被喚醒，通過蜂鳴器和預警燈進行警報，單片機的輸入端分別與微波傳感器、環(huán)境監(jiān)測模塊和射頻器相連接，單片機的輸出端分別與無線充電模塊、繼電器、預警燈、蜂鳴器相連接，當隨身礦燈電量不足時，通過無線充電接收線圈在磁感應范圍內(nèi)，利用磁共振進行持續(xù)充能，繼電器與照明燈相連接，所述隨身礦燈包括便攜式照明燈和電源，電源上設有無線標簽。
感應燈上配置有蜂鳴器、預警燈和環(huán)境監(jiān)測模塊，環(huán)境監(jiān)測傳感器持續(xù)工作。若傳感器監(jiān)測的安全系數(shù)超過或低于閥值，喚醒該智能感應燈上的單片機，點亮預警燈、照明燈，蜂鳴器報警。同時，通過導線，喚醒所有單片機，預警燈、照明燈亮，蜂鳴器報警。
一種井下多功能智能檢測方法，其步驟如下：
a.利用井上服務器對預備下井的隨身礦燈的無線標簽進行ID編號，同時對井下多功能智能監(jiān)測系統(tǒng)中的所有智能定位照明礦燈進行ID編號，并在服務器中繪制出各個編號的智能定位照明礦燈在巷道中的位置；
b.井下多功能智能監(jiān)測系統(tǒng)中的智能定位照明礦燈利用微波傳感器恒定檢測巷道中是否存在進行廣播的隨身礦燈無線標簽，其中微波傳感器掃描范圍為15米；
c.當微波傳感器掃描到當前巷道端中存在隨身礦燈的無線標簽，則向單片機發(fā)出喚醒信號，同時單片機控制照明燈打開，對掃描到攜帶隨身礦燈的人體經(jīng)過的巷道段區(qū)域進行照明，同時單片機喚醒環(huán)境監(jiān)測模塊對此段巷道的環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，將采集到的數(shù)據(jù)與預設在單片機內(nèi)數(shù)據(jù)比較，若數(shù)據(jù)不超過預設警戒值則單片機控制環(huán)境監(jiān)測模塊休眠，若檢測數(shù)據(jù)超過超過預設警戒值，則單片機控制蜂鳴器和預警燈進行報警，同時單片機通過無線信號向井上服務器發(fā)出信號，服務器獲取信號從而定位出各個ID編號的隨身礦燈處于巷道的位置，并獲得各ID編號的隨身礦燈所處區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)；
d.當微波傳感器掃描不到當前區(qū)域內(nèi)存在無線標簽時，則向單片機發(fā)送相應信息，單片機開始倒計時，計時結(jié)束后關閉照明燈。
當智能定位照明礦燈檢測到隨身礦燈的無線標簽后，利用射頻器向無線標簽發(fā)送當前智能定位照明礦燈的ID編號，若無線標簽在收到ID編號后預設周期時間內(nèi)沒有收到新的ID編號，即無線標簽在周期時間內(nèi)只收到一個智能定位照明礦燈的ID編號時，則無線標簽通過無線廣播利用射頻器向此智能定位照明礦燈發(fā)出激活指令，通過智能定位照明礦燈激活與其連接的后一個智能定位照明礦燈單片機，使后一個智能定位照明礦燈打開照明燈，同時采集周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)并向無線表現(xiàn)發(fā)送相應數(shù)據(jù)。
所述定位出隨身礦燈處于巷道的位置方法為：當隨身礦燈的無線標簽收到至少兩個智能定位照明礦燈反饋的無線信息時，智能定位照明礦燈n、智能定位照明礦燈n+1將接收到無線標簽，在0.1秒內(nèi)各自發(fā)送到照明燈的多組不同RSSI信息，照明燈將各個接收信號強度RSSI值記錄下來，并通過網(wǎng)絡將記錄下來的各個信號強度RSSI值發(fā)送給井上服務器，信息包含該無線標簽的ID編號，照明燈ID編號，隨身礦燈利用射頻器向智能定位照明礦燈進行廣播，井上服務器利用高斯校正模型：p0＝p+x0，對接收到的各個RSSI值進行修正，減少RSSI隨機誤差，提高RSSI的可用性，式中，p0表示測量的RSSI值，單位為dBm；p為穩(wěn)定值，單位為dBm；x0為隨機誤差，單位為dBm；設服務器接收到照明燈n發(fā)送的RSSI值為X，則X服從正態(tài)分布X～N(μ，σ2)，其概率密度函數(shù)F(x)為：
其中，xi為照明燈n發(fā)送的第i個RSSI值，單位為dBm；n為照明燈n發(fā)送的RSSI值總數(shù)；μ為X均值，單位為dBm；σ為X標準差，單位為dBm；
選取RSSI值F(x)為0.6為處于高概率多發(fā)區(qū)界，忽略當F(x)＜0.6時的情況，當F(x)≥0.6時，將高概率多發(fā)區(qū)的RSSI去平均，利用對數(shù)常態(tài)路徑損耗模型：
求出智能定位照明礦燈n到隨身礦燈無線標簽的距離dn，再利用高斯校正模型求出智能定位照明礦燈n+1到隨身礦燈無線標簽的距離dn+1；式中：PL(d)為d處的信號強度，為d0處的信號強度，n為信道衰減指數(shù)，Xσ為隨時間而變化的隨機變量；
由于智能定位照明礦燈n、智能定位照明礦燈n+1的位置預先已知分別為：(xn,yn)、(xn+1,yn+1)，設無線標簽位置為(x,y)，則利用公式：(x-xn)2+(y-yn)2＝dn2和(x-xn+1)2+(y-yn+1)2＝dn+12得到交點坐標，由于可能出現(xiàn)兩個點的情況，去掉落在巷道壁內(nèi)不存在的點，從而確定人員隨身礦燈的位置。