一种井下监测定位系统技术方案

本实用新型专利技术公开了矿井通信和安全生产领域中一种基于无线传感网络的井下监测定位系统，该监测定位系统包括：地面监控系统、定位计算机、光纤、交换机、总线、网关、参考节点、目标节点。该监测定位系统基于矿井巷道的空间特点，通过目标节点RSS特征信号与超声波测距技术，结合少量的参考节点实现井下目标的精确定位，同时，参考节点对周边环境中CO含量、O2含量和温度进行监测，当井下工作人员需要求助时，可以通过附近的参考节点同地面监控系统进行通信。

【技术实现步骤摘要】
一种井下监测定位系统
本技术属于矿井通信和安全生产领域，涉及一种基于无线传感网络的井下定位系统。
技术介绍
井下目标定位是煤矿井下研究课题的一项重要内容，对于井下人员安全、设备安置具有重要意义。井下目标定位方法多样，一些方法是基于测距的，其中常用的两种测距方式：一种是基于检测接收信号强度(ReceivedSignalStrength,RSS)的测距方式；另一种是基于传输到达时间(TimeofArrival,TOA)和到达时间差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)的测距方式。另外，存在一些方法是基于非测距的，如特征指纹库等。进行井下目标定位，需要在巷道内布设大量参考节点，用来检测目标并将目标状态信息传输至定位计算机，定位计算机根据收到的目标状态信息确定目标位置。然而矿井通信网络带宽有限且传输过程中存在时延，这些因素对定位的实时性产生消极影响。为此，精简数据传输量，简化定位计算机的算法复杂度，对于井下目标定位格外重要。
技术实现思路
基于井下巷道空间特点，本技术提出一种定位精度高，参考节点数量少的井下监测定位系统。所述监测定位系统通过目标节点RSS特征信号与超声波测距技术，结合少量的参考节点实现井下目标的精确定位，同时，参考节点对周边环境中CO含量、O2含量和温度进行检测。所述监测定位系统是一种基于无线传感网络的井下定位系统，所述系统包括：地面监控系统、定位计算机、光纤、交换机、总线、网关、参考节点、目标节点。所述参考节点布置于巷道壁上部，参考节点用于接收目标节点RSS特征信号和时间差数据并打包为目标节点信息，目标节点与参考节点的无线通信采用IEEE802.15.4协议，参考节点将目标节点信息发送至相邻参考节点或网关，以电磁波为通信介质，采用IEEE802.15.4等协议。每个参考节点能够接收相邻参考节点发送的目标节点信息并转发至相邻的另一个参考节点，接力转发目标节点信息至网关处。所述时间差数据是指本系统中目标节点周期性向巷道壁发射超声波，超声波信号在遇到巷道壁后反射，目标节点接收反射的超声波，记录发射和接收的时间差并发送给参考节点。所述网关布设在巷道一端的端点处，保证网关和最邻近的参考节点的距离在两者无线通信的范围内。所述网关通过总线与交换机相连，网关将接收到的目标节点信息发送至交换机。所述交换机与网关和定位计算机相连，交换机接收网关发送的目标节点信息并发送至定位计算机，交换机与定位计算机通过光纤相连。所述定位计算机与交换机和地面监控系统相连，用于处理交换机发送的目标节点信息，确定目标节点位置，并将位置信息通过光纤传送至地面监控系统。所述地面监控系统由多台计算机和服务器组成，负责监控井下工作人员位置信息和语音通信、监测井下各区域CO含量、O2含量以及温度。进一步地，所述目标节点包含处理器、存储器、电磁波发射器、超声波收发器、蜂鸣器、传感器模块、电源。识别码存放于存储器中，每个目标节点对应一个识别码，识别码与携带目标节点的人员身份或设备名称相对应。进一步地，所述目标节点采用矿用防爆外壳，固定于井下工作人员安全帽上，或固定在井下工作人员腰间，或固定在设备上。进一步地，所述参考节点包含处理器、存储器、电磁波收发器、传感器模块、蜂鸣器、警报器、语音通信模块、电源。进一步地，所述监测定位系统在巷道内安装多个参考节点，等间隔交错布置在巷道两侧，保证能够完全覆盖巷道，且保证网络连通性。所述参考节点固定在两侧巷道壁上部，高度设置为距离地面2米，采用矿用防爆外壳。进一步地，所述网关通过CAN总线或RS-485总线与交换机相连，实现两者间的数据传输。进一步地，所述定位计算机由指纹库采集卡、处理器、存储器、网络通信模块、电源、光纤接口组成，安置于井上。定位计算机根据指纹库采集卡与接收到的目标节点信息，确定目标节点位置，并上传至地面监控系统。本专利技术的有益效果是：1)采取非测距的方法，确定目标节点纵向坐标，提高定位系统的鲁棒性和精确度，为井下工作人员安全作业提供保障。2)采用超声波测距技术测量目标节点到巷道壁的距离，确定目标节点横向坐标，超声波测距技术适用于短距离，测距性能好。附图说明图1是本技术所述监测定位系统组成框图图2是本技术所述监测定位系统目标节点硬件示意图图3是本技术所述监测定位系统参考节点硬件示意图图图4是本技术所述监测定位系统定位计算机硬件示意图图5是本技术所述监测定位系统的巷道参考节点部署和指纹库采样点模拟图图6是本技术所述监测定位系统的坐标平面图具体实施方式为了使本技术技术方案的内容和优势更加清楚明了，以下结合附图，对本技术做进一步的详细说明。图1是所述监测定位系统组成框图，包括地面监控系统(1)、定位计算机(2)、光纤(3)、交换机(4)、总线(5)、网关(6)、参考节点(7)、目标节点(8)。所涉及到的井下设备均为本安型设备，其中目标节点(8)由井下人员或设备携带。如图1所示，所述监测定位系统工作流程如下：参考节点(7)布置于井下巷道壁上部，接收目标节点(8)发射的信号强度和时间差数据并打包为目标节点信息，通过网关(6)、总线(5)、交换机(4)、光纤(3)上传至定位计算机(2)，定位计算机(2)根据指纹库采集卡与接收到的目标节点信息，确定目标节点位置，通过光纤(3)将目标节点位置信息传送到地面监控系统(1)用于监控或者服务上层应用软件。交换机(4)负责井下通讯设备的数据传输，接收网关发送的目标节点信息，通过光纤(3)发送至定位计算机，具备防爆外壳，符合煤矿井下防爆要求。总线(5)采用符合煤矿井下防爆要求的CAN总线或RS-485总线。网关(6)包含处理器、存储器、电磁波收发器、电源、总线接口，通过总线(5)与交换机(4)相连。如图2所示，所述目标节点由处理器(201)、存储器(202)、电磁波发射器(203)、超声波收发器(204)、蜂鸣器(205)、传感器模块(206)、电源(207)组成。处理器(201)控制其他单元部件的运行；存储器(202)用于存放数据，识别码存放于存储器(202)中，每个目标节点对应一个识别码，识别码与携带目标节点的人员身份或设备名称相对应；蜂鸣器(205)采用无源蜂鸣器；传感器模块(206)集成了O2传感器、CO传感器、温度传感器，传感器模块(206)负责检测当前区域中CO含量、O2含量和温度，当CO含量、O2含量或温度异常时，蜂鸣器(205)发声提醒携带目标节点的人员远离此区域；电磁波发射器(203)负责发射电磁波信号；超声波收发器(204)负责发射和接收超声波信号；电源(207)负责给各个单元部件供电；在本实施方案中所述目标节点处理器(201)选用TI公司的CC2530，其内置模块包括：CPU和内存相关的模块、时钟和电源管理相关的模块，以及无线信号收发模块。它以标准增强型8051CPU为核心，有三个不同的存储器访问总线(SFR、DATA和CODE/XDATA)以单周期访问SFR、DATA和主SRAM，还包括中断控制器、内存仲裁器、8KBSRAM及内存块。数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电，具有电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗应用运行。CC2530提供了一个IEEE本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井下监测定位系统，其特征在于：所述监测定位系统是基于井下巷道空间特点，通过目标节点RSS特征信号与超声波测距技术，结合少量的参考节点实现井下目标的精确定位，同时，参考节点对周边环境中CO含量、O2含量和温度进行检测；所述监测定位系统包括：地面监控系统、定位计算机、光纤、交换机、总线、网关、参考节点、目标节点；所述参考节点用于接收目标节点RSS特征信号和时间差数据并打包为目标节点信息发送至网关或者相邻参考节点；所述时间差数据是指本系统中目标节点周期性向巷道壁发射超声波，超声波信号在遇到巷道壁后反射，目标节点接收反射的超声波，记录发射和接收的时间差并发送给参考节点；所述网关布设在巷道一端的端点处，保证网关和最邻近的参考节点间的距离在两者无线通信的范围内；所述网关通过总线与交换机相连，网关将接收到的目标节点信息发送至交换机；所述交换机与网关和定位计算机相连，交换机接收网关发送的目标节点信息并发送至定位计算机，交换机与定位计算机通过光纤相连；所述定位计算机根据指纹库采集卡与接收到的目标节点信息，确定目标节点位置，并上传至地面监控系统。

【技术特征摘要】
1.一种井下监测定位系统，其特征在于：所述监测定位系统是基于井下巷道空间特点，通过目标节点RSS特征信号与超声波测距技术，结合少量的参考节点实现井下目标的精确定位，同时，参考节点对周边环境中CO含量、O2含量和温度进行检测；所述监测定位系统包括：地面监控系统、定位计算机、光纤、交换机、总线、网关、参考节点、目标节点；所述参考节点用于接收目标节点RSS特征信号和时间差数据并打包为目标节点信息发送至网关或者相邻参考节点；所述时间差数据是指本系统中目标节点周期性向巷道壁发射超声波，超声波信号在遇到巷道壁后反射，目标节点接收反射的超声波，记录发射和接收的时间差并发送给参考节点；所述网关布设在巷道一端的端点处，保证网关和最邻近的参考节点间的距离在两者无线通信的范围内；所述网关通过总线与交换机相连，网关将接收到的目标节点信息发送至交换机；所述交换机与网关和定位计算机相连，交换机接收网关发送的目标节点信息并发送至定位计算机，交换机与定位计算机通过光纤相连；所述定位计算机根据指纹库采集卡与接...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓阳，康健，杨超，顼文钰，易聪，
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