井下高容灾度的监测定位及人员求助系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种煤矿井下高容灾度的监测定位及人员求助系统，包括监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器、交换机和无线传感器网络；无线传感器网络包括锚节点设备、目标节点设备(由井下工作人员携带)。根据矿井实际工作环境，有规则的具有冗余度的布置锚节点设备，通过划分缩小巷道定位区域实现定位，隧道口的锚节点设备通过光纤连接交换机和服务器，所有节点设备之间均通过无线网络交互信息。目标节点设备中的传感器检测井下温度和甲烷气体含量，及时向井上上传数据，测量值超标时迅速报警；当井下人员遇到紧急事件需要帮助时，通过声音和光信息提醒同事，同时监控终端收到求助信息；是集环境监测、人员定位及求助、调度管理为一体的综合系统。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种井下监测及定位
，具体地说是涉及无线传感器网络、无线通信领域。
技术介绍
我国是煤炭开采的大国，煤炭是我国的重要能源，也是经济发展的重要保障，我国约70％的能源消耗来自煤炭。由于井下自然环境多变，空间相对狭小，所以煤矿事故频发，极易造成人员的伤亡和财产的巨大损失。对人员位置的掌握成为煤炭安全开采的首要保证，一旦发生事故，地面人员及时动态掌握井下人员的位置，为有效率的抢险救灾提供主要信息。无线传感器网络是具有感知、计算和通信能力的微型传感器以自组织方式形成的无线网络，部署相对灵活，覆盖面广，能有效地提供事件及节点的位置信息，特别适合应用于井下人员的定位。在煤矿生产中瓦斯爆炸事故造成的破坏是最大的，所以瓦斯含量的监测是安全生产的必要保证，针对我国的开采环境，瓦斯监测主要是对空气中甲烷含量的检测。目前使用的便携式的甲烷检测仪存在以下不足之处：检测到的数据无法及时的上传到监控终端，导致无法获得实时数据；由于井下空间相对狭窄，定位节点的布置受到局限，检测仪无法获得准确的位置信息。煤矿井下是一个特殊的受限环境，巷道组成长短不一，有的长度可达几十到上百公里，宽度则只有几米，一维或二位的定位就可以满足这种近似线性特征的结构。煤矿井下煤岩动力变化过程存在着复杂的电磁环境，大量的变频设备和大功率机电设备造成严重的电磁干扰，无线信号在巷道内传输存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。所以复杂的电磁环境对无线通信造成不可避免的干扰。目前常用的定位方法是基于测距的，如到达角度定位(AOA)，接收信号强度定位法(RSSI)，到达时间定位(TOA)，到达时间差定位(TDOA)。目前主要使用RSSI，是接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机之间的距离，其中路径衰落指数是主要的参数，并且与特定的环境相关，由于RSSI指示已经是传感器节点的标准的功能，所以该方法被广泛的使用。但是依上述的井下电磁环境，路径衰落指数变化比较大，如果依靠已经建立的模型计算会造成较大的误差。非测距的方法是不需要测量节点之间的距离的，利用网络的连通性信息来计算节点的位置，可以不受测距误差的影响，并且对通信的要求比较低，降低节点的硬件成本和能耗。井下环境多为隧道组成的线状环境，要求我们能较快的确定人员的全局坐标即可。本技术提出通过在巷道侧壁上等间距的布置锚节点设备，形成定位矩形区域，然后在矩形区内根据RSSI值再次划分区域缩小定位范围，然后由锚节点设备的坐标实现定位，某些锚节点设备因突发事故被破坏或其他因素导致失效后，通过其他锚节点设备的协同合作也可以完成通信和定位，提高系统容灾度。我国的井下工作人员的在井下的工作时间一般维持在8小时左右，由于技术方面的限制导致自动化程度不高，很多的工作需要手动完成，对人员的体力消耗比较大，加之井下与井上环境迥异，对工作人员的身体，尤其是一些新员工会造成不可避免的影响。目前，井下监测监控系统的设计大部分的功能是实现井上对井下人员、生产、环境等方面信息的采集和控制，而井下人员的求助和对紧急时间的判断无法及时上传，所以本技术加入了人员求助功能，有利于针对井下人员的突发事件做出快速的反应。
技术实现思路
本技术提供一种煤矿井下高容灾度的监测定位及人员求助系统，可以实时的检测井下任意位置的甲烷浓度和环境温度；及时的掌握人员的位置信息；如果井下工作人员的身体不适或发现意外情况，能发出报警信息向同事求助，同时告知井上监控终端及时处理。以上功能的实现以定位系统的完整性为基础。所述系统主要包括：监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器、交换机和无线传感器网络；无线传感器网络包括：锚节点设备和目标节点设备；锚节点设备包括：第一处理器、备用电池、LED灯、防爆外壳；目标节点设备(由井下人员携带)包括：第二处理器、蜂鸣器、电源模块、甲烷含量检测装置、按键、震动马达、温度传感器；隧道口的锚节点设备充当汇聚节点通过光纤连接交换机和服务器；锚节点设备等间距的布置在巷道的两侧，对面的锚节点设备与另一侧相距最近的锚节点设备的连线垂直与巷道，巷道同侧的锚节点设备之间的距离均为d，通信距离为R，巷道的宽度为h，锚节点设备的布置需要满足以下条件：且目标节点设备比较接收到的不同锚节点设备RSSI值，缩小人员所在范围，锚节点设备作为参考点实现定位；锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域中，当任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，其余的相邻健康锚节点设备相互处于对方的通信半径内，维持无线传感器网络的正常接续，满足整个无线传感器网络的通信和定位需求。所述系统进一步包括：锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域中，当任意矩形区域的任意一个或巷道同侧的相邻两个锚节点设备失效时，其余的健康锚节点设备保证无线传感器网络的正常接续，为巷道内的后续锚节点设备提供路由，同时为该区域内的目标节点设备提供定位服务。所述系统进一步包括：锚节点设备之间通过无线网络交互信息，具有相同的信号发射功率；汇聚节点连接交换机和巷道内的锚节点设备网络。所述系统进一步包括：无线传感器网络在设备正常情况下，巷道的所有区域同时被4个锚节点设备通信覆盖，提高系统的容灾度和定位精度。所述系统进一步包括：目标节点设备与井上存储服务器、定位服务器及监控终端之间通过无线传感器网络和交换机连接，实现双向通信。所述系统进一步包括：该系统中目标节点设备采集温度及甲烷检测数据，实时上传到存储服务器。所述系统进一步包括：目标节点设备的检测装置和温度传感器用于甲烷和温度超标检测，检测到甲烷含量或温度异常时，由第二处理器控制蜂鸣器发出报警声，震动马达工作，将包含温度或甲烷含量的检测值和报警时间的报警数据经过无线传感器网络和交换机上传到监控终端。所述系统进一步包括：目标节点设备的按键用于主动求助，在井下工作人员出现身体不适或其他紧急情况需要主动求助时按下，第二处理器控制蜂鸣器发出报警声，最近的锚节点设备的第一处理器控制LED灯闪烁，将包含报警时间的报警数据经过无线传感器网络和交换机上传到监控终端。附图说明图1井下高容灾度的监测定位及人员求助系统实施示意图；图2锚节点设备硬件构成图；图3锚节点设备井下巷道布置图；图4巷道定位区域划分及节点通信范围示意图；图5锚节点失效接续示意图；图6目标节点设备硬件构成图；图7目标节点设备与锚节点位置关系示意图；图8甲烷含量和温度异常系统工作流程图；图9井下人员求助系统工作流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本技术进一步说明。如图1所示，所述系统主要包括：监控终端(1)、调度台(2)、定位服务器(3)、存储服务器(4)、交换机(5)和无线传感器网络；无线传感器网络包括：锚节点设备(6)和目标节点设备(7)；定位服务器负责对目标节点设备定位的相关计算，为监控终端提供人员及设备的位置信息；存储服务器负责存储和查询所有井下人员和设备的识别信息及各种检测数据；调度台负责发布调度信息和对紧急事件的处理措施；监控终端采用双屏显示，提供人员的位置和井下的环境监测数据。如图2所示，锚节点设备(6)组成包括：第一处理器(8)、备用电池(9)、LED灯(10)、防爆外壳(11)。隧道口的锚节点设备充当汇聚节点通过光纤连接交换本文档来自技高网...

【技术保护点】
井下高容灾度的监测定位及人员求助系统，所述系统主要包括监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器、交换机和无线传感器网络；其特征在于：无线传感器网络，包括锚节点设备和目标节点设备；锚节点设备包括：第一处理器、备用电池、LED灯、防爆外壳；目标节点设备由井下人员携带，包括：第二处理器、蜂鸣器、电源模块、甲烷含量检测装置、按键、震动马达、温度传感器；监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器均接入交换机进行通信；隧道口的锚节点设备充当汇聚节点通过光纤连接交换机；锚节点设备的第一处理器和备用电池在防爆外壳内部，备用电池和LED灯连接处理器；目标节点设备的所有组成部分均与第二处理器连接；锚节点设备等间距的交错布置在巷道的两侧，对面的锚节点设备与另一侧相距最近的锚节点设备的连线垂直于巷道，巷道同侧的锚节点设备之间的距离均为d，通信距离为R，巷道的宽度为h，锚节点设备的布置需要满足以下条件：且目标节点设备比较接收到的不同锚节点设备RSSI值，缩小人员所在范围，锚节点设备作为参考点实现定位；锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，当任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，其余的相邻健康锚节点设备相互处于对方的通信半径内，维持无线传感器网络的正常接续，满足整个无线传感器网络的通信和定位需求。...

【技术特征摘要】
1.井下高容灾度的监测定位及人员求助系统，所述系统主要包括监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器、交换机和无线传感器网络；其特征在于：无线传感器网络，包括锚节点设备和目标节点设备；锚节点设备包括：第一处理器、备用电池、LED灯、防爆外壳；目标节点设备由井下人员携带，包括：第二处理器、蜂鸣器、电源模块、甲烷含量检测装置、按键、震动马达、温度传感器；监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器均接入交换机进行通信；隧道口的锚节点设备充当汇聚节点通过光纤连接交换机；锚节点设备的第一处理器和备用电池在防爆外壳内部，备用电池和LED灯连接处理器；目标节点设备的所有组成部分均与第二处理器连接；锚节点设备等间距的交错布置在巷道的两侧，对面的锚节点设备与另一侧相距最近的锚节点设备的连线垂直于巷道，巷道同侧的锚节点设备之间的距离均为d，通信距离为R，巷道的宽度为h，锚节点设备的布置需要满足以下条件：且目标节点设备比较接收到的不同锚节点设备RSSI值，缩小人员所在范围，锚节点设备作为参考点实现定位；锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，当任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，其余的相邻健康锚节点设备相互处于对方的通信半径内，维持无线传感器网络的正常接续，满足整个无线传感器网络的通信和定位需求。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓阳，梁涛，刘毅，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：新型
国别省市：北京;11