CN102937610B - 一种井下甲烷监测及定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下甲烷监测及定位系统，系统包括：系统服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站、甲烷检测装置；有线通信子系统包括光纤和无线交换机等；无线通信基站包括防爆箱、电源，备用电池、无线接入设备和天线等；在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过有线通信子系统连接井上的系统服务器；甲烷检测装置与无线通信基站通过无线方式通信；可监测井下任意位置的甲烷浓度，同步监测井下任意位置的环境温度，实现对矿井各部位生产环境的实时监控；实时监控甲烷检测装置使用人员的位置和运动状态；当井下发生意外事故或灾害，固定通信设施无法正常工作时，甲烷检测装置在矿井救援中可作为人员搜救装置使用；是集井下环境监测，工作人员跟踪定位、调度管理、灾后搜救等一体的综合系统。

Description

一种井下甲烷监测及定位系统

技术领域

本发明涉及一种井下甲烷监测及定位系统。本发明具体涉及WI-FI无线通信，无线定位及甲烷检测等技术领域。

背景技术

在矿井环境参数的监测中，瓦斯含量的监测最为重要，这是因为在煤炭生产中瓦斯爆炸事故造成的危害最大，所以准确的瓦斯监测是矿井安全和井下人员的生命安全的重要保障。瓦斯是多种可燃性气体的总称，我国的矿井中瓦斯的主要组成成分为甲烷CH4。因此，瓦斯检测实质上为甲烷检测。甲烷检测报警仪主要用于煤矿有瓦斯爆炸危险的场所，如煤矿井巷、采掘工作面、采空区、回风巷道、皮带运输巷道、机电峒室等处，

目前部分便携式甲烷检测仪器可支持无线通信，一般使用低频段的非接触RFID(无线射频身份识别)技术实现检测地址及检测人员识别。仪器使用红外线通信技术实现采集数据的通信，由计算机生成报表及数据及数据显示与传递。存在以下问题：

1.甲烷检测方式为手动区域检测方式，即操作人员在工作区域手动检测了甲烷浓度后；

2.甲烷检测方式为定点检测方式，检测密度受RFID读写器分布密度限制，，操作人员需到RFID定位读卡设备进行位置和身份确认，检测数据才能与检测位置对应，不能做到实时检测和定位；

3.检测数据不能实时上报，检测设备检测到的数据多采用红外线通信技术通信上报，需有配对的采集设备支持，需操作人员手动操作实现，所以检测系统采集到的数据均为历史数据而非实时数据。

基于无线传感器网络的甲烷检测设备多为固定设备，也有便携设备但由于无线传感器网络具有以下问题基本不能实现定位：

1.井下多为隧道组成的线状环境，不同于开阔空间的平面定位环境，无线通信路由器的安装位置受到空间限制；

2.无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大。

3.Zigbee通信芯片内部的硬件定位引擎适用于平面定位环境为准，定位精度受无线通信路由器分布空间位置和安装数量限制；

4.由于井下电气设备防爆要求较高，所以无线通信路由器的安装数量受到限制，但Zigbee无线通信距离较短，没有足够数量的无线通信路由器无法满足井下长跨度的系统通信要求，所以在具体工程实施中存在困难；

“Ad hoc网络”是IEEE802.11标准委员会制定的一种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，在Ad hoc网络中，结点具有报文转发能力，结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发，即经过多跳(MultiHop)，这是Ad hoc网络与其他移动网络的最根本区别。结点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和运行。因此它也被称为多跳无线网(MultiHop Wireless Network)、自组织网络(SelfOrganized Network)或无固定设施的网络(Infrastructureless Network)，大多WI-FI无线网络的模块同时支持Ad hoc网络。

发明内容

本发明目的在于提供一种井下甲烷监测及定位系统，可监测井下任意位置的甲烷浓度，同步监测井下任意位置的环境温度；实时监控甲烷检测装置使用人员的位置和运动状态；实现对矿井各部位生产环境的实时监控；当井下发生意外事故或灾害，固定通信设施无法正常工作时，甲烷检测装置在矿井救援中可作为环境检测设备和人员搜救装置使用。

所述井下甲烷监测定位系统包括：系统服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站、甲烷检测装置；有线通信子系统包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站包括防爆箱、电源，备用电池、无线接入设备、天线隔离器和天线；在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的无线交换机和系统服务器；甲烷检测装置与无线通信基站通过无线方式通信；甲烷检测装置基于场强定位结合计步测距实现准确定位；系统服务器通过检测人员携带的甲烷检测装置监测记录井下无线信号覆盖区域内的任意准确位置的甲烷浓度和环境温度；甲烷检测装置部件包括：处理器、无线通信、按键、存储、显示屏、LED指示灯、蜂鸣器、甲烷检测、温度传感器、运动检测电路和电源电路等部分；甲烷检测装置的系统包括：采集子系统、定位子系统、通信子系统、显示子系统、控制子系统和存储子系统。甲烷检测装置的各子系统控制各硬件部件完成以下工作：

1.甲烷检测装置检测甲烷浓度的同时基于场强定位结合计步测距实现准确定位；定位过程主要包括以下步骤：甲烷检测装置通过无线通信部件实时检测附近无线通信基站的信号场强，在甲烷检测装置靠近无线通信基站时，场强到达峰值，将此无线通信基站位置作为甲烷检测装置的当前位置可靠定位，并将此位置作为甲烷检测装置的当前定位基准点；甲烷检测装置通过运动检测电路实现计步功能，可实时记录甲烷检测装置使用人员在可靠定位后所行走的步数；步数乘以甲烷检测装置使用人员的个人步长得到甲烷检测装置与当前定位基准点的距离；根据甲烷检测装置检测到的当前和下一个定位基准点所在无线通信基站的场强计算距离；取距离交集公共部分中心的值作为甲烷检测装置与当前定位基准点的距离，将此距离代入两无线通信基站所在的隧道的曲线方程得到甲烷检测装置的当前坐标，实现对甲烷检测装置的定位。

2.甲烷检测装置与系统服务器通过有线通信子系统和无线通信基站实现双向通信，甲烷检测装置定时向系统服务器发送带准确检测位置的甲烷浓度信息，自动发送带位置信息的甲烷浓度报警信息，使用者也可通过按键操作向系统服务器发送信息和报警信息，在通信链路正常时实时上传，在通信链路不通时，记录此次操作，等到通信链路正常时再自动上传至系统服务器。

3.甲烷超标报警；当甲烷检测装置检测到环境的甲烷浓度超过设定的警戒值时，声光报警，并通过无线通信方式向系统服务器报警。在通信链路正常时实时上传，在通信链路不通时，通信子系统记录此次操作，等到通信链路正常时再自动上传。

4.调度及警报；甲烷检测装置的处理器控制无线通信单元实现下行通信，接收系统服务器下发的调度指令信息和警示信息，并存储在存储芯片中，同时通过声光提示提醒使用者阅读；

5.甲烷检测装置使用人员的活动检测；甲烷检测装置的处理器实时检测人体活动，当处理器一定时间未检测到任何人体活动或按键操作则自动触发报警，通过无线通信和声光方式向外传送报警信号。

6.灾害报警；甲烷检测装置可向系统服务器发送预置的灾害报警信息，信息内容包括多见于井下的一些事故和灾害，预置信息包括：火灾、水灾、瓦斯涌出、顶板事故、机器故障、运输事故、人员受伤、请求救助等；发送的信息在通信链路正常时实时上传，在通信链路不通时，通信子系统记录此次操作，等到通信链路正常时再自动上传。

7.搜救；在无线通信网络失效时，甲烷检测装置可搜索附近的其它无线通信装置，搜索工作包括以下步骤：甲烷检测装置处理器控制无线通信模块实现自动Ad hoc组网，接受井下人员携带的其它无线通信装置的无线连接，并为其分配IP地址；接收其它无线通信装置发送来的其与甲烷检测装置之间的场强信息；甲烷检测装置根据场强计算与其它无线通信装置的距离；甲烷检测装置通过显示屏其它无线通信装置距离和设备号；甲烷检测装置通过声音及灯光指示与被困人员的距离，根据计算的距离发出不同间隔频率的声音和灯光；在通信设施未损坏无线网络通信正常区域，向系统服务器通信上传搜救纪录；搜救过程中搜救人员可时刻检测环境甲烷浓度，有效保障搜救人员的安全。

8.实时温度检测采集，甲烷检测装置通过热敏元件或控制器内置温度检测单元检测装置所在环境温度，并将温度信息连同准确位置信息通过无线通信方式上传到系统服务器；系统服务器可根据甲烷检测装置的位置信息获得其所在位置现场环境温度，为监控终端提供井下各巷道的温度数据。

9.时钟同步，根据系统服务器下传的所有信息中附带的实时时间信息对甲烷检测装置的时钟进行校准，使甲烷装置的时钟与系统时钟同步。在采集甲烷浓度、温度和定位数据时纪录准确的检测时间，用以保证数据的统一性和同步性，当通信发生延迟时，系统服务器可根据信息附带的时间戳准确存储数据。同时甲烷检测装置具有时钟显示功能，可使装置使用者能够实时掌握准确的时间。

附图说明

图1井下甲烷监测及定位系统实施示意图

图2甲烷检测装置硬件构成框图

图3甲烷检测原理图

图4甲烷检测装置的系统框图

图5甲烷和温度检测工作流程图

图6甲烷检测装置通信流程图

图7甲烷检测装置搜救工作流程图

图8甲烷检测装置定位运算流程图

图9甲烷检测装置使用人员行进方向判断原理示意图。

图10甲烷检测装置与无线通信基站的距离运算示意图。

图11甲烷检测装置当前位置坐标运算示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示，井下监控系统：

所述井下甲烷监测及定位系统包括：系统服务器(1)，有线通信子系统，无线通信子系统、甲烷检测装置(3)。有线通信子系统是整个系统的骨干，有线通信子系统以光纤为主要传输介质。有线通信子系统还包括分光器，无线交换机(5)等网络管理设备。在井下间隔一定距离安装无线通信基站(2)，无线通信基站通过光纤连接井上的系统服务器。无线通信基站主要功能是WI-FI无线接入，无线通信基站包括电源，备用电池、无线接入设备及天线。无线接入设备在标准WI-FI网络中称为AP(Access Point)，负责无线终端设备接入有线以太网，通过无线通信基站将WI-FI无线局域网覆盖各巷道。每个AP分配有服务集标识符SSID和不同的物理地址，监控系统根据AP的标识区别不同的无线通信基站，无线通信基站支持无线终端设备的跨区域漫游，同时无线通信基站在定位运算时被作为定位基准参考点，无线通信基站的位置信息和标识信息存贮在系统服务器和甲烷检测装置的存储子系统中，为定位运算提供依据。甲烷检测装置作为标准WI-FI终端设备接入WI-FI无线局域网与井上系统服务器通信。系统服务器负责系统通信管理、数据存储和为监控终端提供人员及设备的信息服务。生产管理人员通过监控终端(4)访问系统服务器实现对井下工作人员、井下环境及相关设备的实时监控，监控终端具有地图显示，工作人员位置、工作人员资料显示查询，工作人员位置统计，历史位置追踪查询、区域环境甲烷和温度显示报警等功能。地理信息平台可使用MapX地图化部件，矿井地图为巷道二维剖面化的矢量地图，地图文件为MapInfo格式。

图2所示实施例中，甲烷检测装置硬件组成包括以下部分：

1.处理器(206)选择TI公司的MSP430F147单片机。该型号为16位RISC结构，具有32kFlash，1kRAM；并有5种低功耗模式，丰富的片内外围模块，灵活的时钟系统等诸多优点。MSP430可在1.8～3.6V低电压下工作，系统采用3.3V工作电压。MSP430F147内置精度为12位200kps的A/D转换器。1位非线性微分误差，1位非线性积分误差，4种模数转换模式。

2.WI-FI通信(207)部分包括WI-FI通信模块和天线，WI-FI通信模块采用以ConnectOne公司的iChip系列加密联网控制芯片CO2128为核心的方案的产品，模块内部包括射频模块、通信接口模块、状态控制和检测模块和存储器；天线采用柔性天线。

3.按键(204)控制电路由4个按键组成，采用独立按键式键盘，结合显示屏的显示介面，实现各功能和状态的切换。

4.存储(205)芯片采用1片24C512，由于所述甲烷检测装置只使用了一个存储芯片，不需设置片选地址，所以24C512的片点选管脚全部接地。24C512使用I2C总线通信，，使用两个标准I/O接口加上拉电阻连接SCL和SDA管脚，实现处理器与存储芯片通信控制。

5.LCD显示屏(201)采用两行点阵型液晶显示模块，具有功耗低、供应电压范围宽等特点，视域尺寸：60.5×18.0mm，54.8×18.3mm，处理器通过8个I/O口向液晶模块传输显示数据，另通过4个I/O口驱动控制液晶模块。

6.LED指示灯(202)采用两个贴片LED，分别是红色和绿色，绿色作为系统状态指示，状态包括电源指示和充电指示等，红色LED作为信息状态指示，状态包括信息指示、警告指示和呼救指示等。

7.蜂鸣器(202)，采用无源蜂鸣器。

8.温度传感器(211)硬件部分包括温敏电阻和惠斯特电桥，温敏电阻具有良好的线性度，并且精度高、可靠性好，.通过惠斯特电桥测量作为温度敏感元件的温敏电阻电阻变化，温敏电阻作为其中一个桥臂电阻，将电阻的变化量直接转换为桥压的变化。MSP430147的ADC12的模块内核是共用的，通过前端的模拟开关来分别完成采集输入。所以温敏电阻所在桥臂可选接12个AD模拟量输入口的任一口用于检测桥压变化，对于检测到的信号需通过处理器进行软件滤波。MSP430F147单片机A/D转换参考基准电压可使用外部输入的参考基准电压，也可使用内部参考电压发生器产生的参考基准电压，可通过设置ADC12CTL控制寄存器完成A/D转换设置。由于使用单片机内部参考电压会增加处理器的功耗，出于装置的节电设计考虑，选用外部参考电压，以保证装置的工作时间。

9.运动检测电路(210)使用SMB380三轴加速度传感器，传统的机械式计步器采用簧片或者弹力小球检测人行走时步产生的振动通过内部处理器判断电子脉冲实现计步，采用此方式无法区别行走和其它活动产生的振动，灵敏度和准确性都不高。使用三轴加速度传感器可以测量三个相互垂直的轴在地心引力范围内保持绝对的方向上的静态和动态的加速度，可检测一般人体活动产生的振动，所采集的信号为数字信号，采集结果通过SPI接口传输给处理器。

10.串口通信(208)使用TI公司的MAX232芯片RS-232标准串口单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电，接口使用SMT2.5插口，可使用转接电缆连接计算机9针串口实现通信。

11.电源电路(209)部分包括电池、电压转换和电池管理部分，电池使用锂离子蓄电池，锂电池(组)应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有外保护电路，具备防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换采用MAX1724系列电源转换稳压芯片，转换得到5V、3.3V和3V稳定的工作电压，分别为LCD显示屏、系统及传感器供电。电池充电电路采用TI的LM3658芯片，2.5～6V输入电压，输出电流可以高达1A，电流的实际大小可以通过外置电阻加以调节，内置的功率FET可根据环境温度自动调整充电电流。

12.甲烷检测(甲烷传感器，检测电路，放大电路，A/D转换)(212)

13.甲烷传感器采用载体催化元件包括黑元件和白元件，黑元件是一种对甲烷气体很敏感的载体催化元件，白元件是补偿元件，对甲烷气体不起反应。甲烷传感器是决定检测仪精度的关键元件，其选择依据主要包括工作环境、稳定性、响应速度、线性度及功耗等。如图3所示，检测电路为甲烷传感器与电阻组成惠斯顿电桥，载体催化元件为电桥的两个臂，无甲烷气体时，电桥处于平衡状态，当甲烷气体进入传感器气室内在热催化传感元件表面发生氧化放热反应，使元件的温度升高，随之电阻变大，电桥的电压输出不平衡，根据电压变化检测甲烷气体的浓度，一定的甲烷浓度范围内，产生正比于甲烷浓度的直流电压变化信号。放大器电路采用AD620集成运算放大器，负责放大传感器输出的电压信号。A/D转换使用MSP430内部集成的12位ADC，ADC12选择内部2.5V参考电压。电桥输出的微弱电压信号经过运算放大器处理后输入到MSP430F147进行A/D转换。在实际使用时需对甲烷检测装置进行校准，具体校准过程在下面的子系统组成部分进行介绍。

如图4所示实施例中，甲烷检测装置的系统组成包括：

1.采集子系统(401)，负责装置输入信号的采集，包括：温度信息采集、甲烷检测、运动检测信号的采集、按键动作采集。运动检测部分负责三轴加速度传感器信号的采集处理，使用缓存存储三个方向上的加速度信号，X为X轴方向的值，Y为Y轴方向的值，Z为Z轴方向的值，取速度变化量最大的轴进行计步，根据统计测量一般人跑步每秒不超过5步，慢速行走不低于每秒1步，可将0.5-5Hz作为计步的信号的有效范围，通过低通滤波去掉高频噪声，在参考其它轴上数据经过特征匹配等运算实现准确计步。使用此方法计步不受甲烷检测装置佩戴位置限制，使用者可将甲烷检测装置随身装在任意位置，如装入上下衣口袋、固定在腰带上或背包中，不受均不影响准确计步。同时通过三轴的数据分析，也可检测其它人体运动。温度和甲烷信号的滤波算法采用简单有效的限幅滤波算法结合算术平均滤波算法，即确定两次采样允许的最大偏差值P，x_n为本次采集值，x_n-1为上次采集值，如x_n-x_n-1≤P则此次采集值有效，否则放弃本次值，用上次值代替，即x_n＝x_n-1，经过限幅滤波可有效去除偶然因素引起的脉冲干扰，限幅滤波的同时进行算术平均滤波，将x₁...x_nn个采集值进行求平均值运算则将上步运算得到的平均值x带入校准公式求实际值。

2.定位子系统(402)，负责从WI-FT通信模块采集周边WI-FI接入点到模块的信号场强，并根据场强信号、接入点的位置信息，结合使用人员的步长步数运算得到甲烷检测装置的位置，通过通信子系统上传至系统服务器。

3.通信子系统(403)，负责装置与系统及外界设备的通信，包括WI-FI无线通信控制，UART通信控制。甲烷检测装置的通信协议包括两部分：第一部分为外部协议，是甲烷检测装置与系统服务器间的通信协议；第二部分为内部协议，是甲烷检测装置的处理器与Wi-Fi模块的协议，Wi-Fi模块的厂家不同则该协议也不同。其中第一部分协议是监控系统设计的重要组成部分，可自主定义，它不依赖具体的Wi-Fi设备和模块厂商。外部协议的实现基于网络的应用层，处于TCP/IP层之上的，数据链路采用TCP或UDP方式，外部通信协议结构分为信息头和信息内容。信息头包含帧头，设备ID，帧总长度(含信息头及信息体)，帧类型，帧流水号4项内容，分别占用双字节长度。外部协议内容可根据系统的功能要求扩展。

4.显示子系统(404)，负责装置的LCD屏的驱动和信息的显示。

5.控制子系统(405)，负责控制装置的蜂鸣器、LED、LCD背光、电源等硬件单元实现各自功能。

6.存储子系统(406)，负责控制装置与存储芯片之间的通信，实现数据的存储和读取操作。

存储的信息包括位置信息、甲烷浓度信息及环境温度信息等。

图5所示实施例中，甲烷检测装置的甲烷和温度检测工作流程如图所示：

处理器读取甲烷浓度和温度的A/D的转换值(501)存入内存，多次转换后如到达转换规定的转换次数(502)，将所存A/D转换值进行软件滤波(503)滤波算法采用限幅滤波算法结合算术平均滤波算法，具体过程已在前面的子系统组成部分详细描述；将经软件滤波运算得到的值带入校准公式求实际甲烷浓度值和温度值(504)，进行定位运算(505)，将甲烷浓度值和温度值送显示子系统显示(506)，将甲烷浓度值、温度值、位置和数据采集时间存入存储芯片(507)；如果甲烷浓度超标(508)，则声光报警(509)，如通信链路正常(510)就上传数据到服务器(511)；如通信链路不通则继续采集过程，到通信链路恢复时将所存数据未发送数据发送至服务器。

图6所示实施例中，甲烷检测装置通信过程示例如下：

甲烷检测装置与系统服务器通信双方以客户端-服务器端方式建立TCP连接(601)，检测装置作为客户端连接系统服务器固定IP地址及端口，系统服务器端为服务器方使用固定TP地址及固定端口，上下行信息基于TCP链路通道传输。当链路通道上没有数据传输时，检测装置应每隔时间S(602)发送链路检测数据包(603)以维持TCP连接，系统开始计时，如收到回复则解析回复内容得到系统时间信息，根据系统时间校准检测装置时钟(607)，当链路检测数据包发出超过时间K后未收到回复(604)，立即再发送链路检测包(603)；在连续发送R次(605)后仍未收到回复则判定链路无效，数据发送方主动断开此连接(608)重复TCP连接过程(601)；如果TCP未能连接成功，则每隔时间G(606)重新连接网络。参数S、K、R、G可根据链路情况设定，参考取值为：S＝3min，K＝30s，R＝3，G＝20s。

图7为甲烷检测装置工作流程图，初始化系统后，检测装置自动搜索其它无线通信装置(701)，检测装置具有Ad hoc组网功能，在检测装置到达其它无线通信装置的通信距离时，检测装置为其它无线通信装置分配IP地址(702)，检测装置接受其它无线通信装置的连接(703)，开启通信服务建立通信链路(704)，链路建立成功后，其它无线通信装置定时检测检测装置的信号场强，其它无线通信装置通过与甲烷检测装置的通信链路向甲烷检测装置发送场强信息和自身的设备号(705)。甲烷检测装置接收到其它无线通信装置发送来的信息后解析得到其它无线通信装置检测到的甲烷检测装置的信号场强，将场强代入经验公式计算得到检测装置与其它无线通信装置的距离(706)；甲烷检测装置内部有温度传感器，具有温度检测功能，定时监测环境温度(707)；通过LCD屏显示信号场强其它无线通信装置的身份号及其它无线通信装置感应到的使用者的最后活动时间，搜救者可以此作为判断被困者活动状态的参考；甲烷检测装置根据与其它无线通信装置的距离发出不同间隔频率的声音和灯光(708)，距离越短声音和灯光闪烁频率越高，使用者可不看LCD显示屏，只通过听声音或观察灯光闪烁情况即可知道被困人员的距离，用以提高搜救工作效率；LCD显示屏显示实时温度；甲烷检测装置具有时钟功能，可实时显示当前的时间，可使使用者能够实时掌握准确的时间。搜救人员可通过LCD屏显示提示和操作按键将甲烷检测装置设置为上传记录状态(709)，在上传记录状态下甲烷检测装置处理器的通信子系统修改WI-FI通信模块设置(710)，将其工作状态设置为普通WI-FI网络终端节点方式，甲烷检测装置搜索附近正常工作的无线通信基站(711)，如发现则自动连接入WI-FI网络，连接系统服务器TCP服务端口以TCP方式发送未上传的搜索记录(712)，当全部记录上传后自动恢复WI-FI通信模块转入Ad hoc组网工作方式(713)，继续搜索其它无线通信装置701)。

图8所示实施例中，人员定位的实现过程如下：

甲烷检测装置的系统初始过程中，首先根据存储的甲烷检测装置使用人员的身高记录T通过以下公式得到其实际步长(801)：

N＝1.85(T-132)

甲烷检测装置定时监测与各无线通信基站所发射信号的场强(802)，当井下人员携带甲烷检测装置行走靠近无线通信基站时，场强到达峰值，以此无线通信基站的位置作为甲烷检测装置的当前位置，作为一次可靠定位存储无线通信基站编号，将此位置作为当前定位基准点(803)，同时开始计步。甲烷检测装置实时记录人员经过无线通信基站后行走的步数M，乘以自身存储的甲烷检测装置使用人员的个人步长，即可得到人员与前定位基准点的距离(804)；设步数为M，步长为N，则甲烷检测装置与当前定位基准点的距离L为：

L＝MN

方向判断(805)，如图9所示，根据记录的上次的可靠定位数据判断井下人员(904)的行进方向，如上次准确定位的无线通信基站为A(901)，此次准确定位的无线通信基站为B(902)，则可判定人员的行进方向是由无线通信基站A向无线基站B方向移动；也可根据甲烷检测装置(3)检测到的无线通信基站的场强变化趋势来判定方向，当甲烷检测装置检测到两个相邻无线基站的场强，如检测到无线通信基站B(902)的场强变化趋势是逐渐变小，而无线通信基站C(903)的场强变化趋势是逐渐变大，则判定行进方向为由无线通信基站B向无线通信基站C方向移动；误差判断(806)，根据甲烷检测装置使用人员的行进方向判断移动方向上的下一个定位基准点，如距离L的值大于当前定位基准点与下一个定位基准点之间的距离，则说明此距离值存在误差，不作为参考值；检测当前定位基准点所在无线通信基站(902)和下一个定位基准点所在无线通信基站(903)的信号场强值Rd1，Rd2(807)；根据场强计算距离(808)，将场强带入代入以下公式得到甲烷检测装置与无线通信基站(902)和(903)的距离d1，d2。

$d={10}^{\frac{A-\mathrm{Rd}+X_{\mathrm{\δ}}}{10n}}$

式中A为信号传播1m远时接收信号的功率；

n为传播因子也称为损耗指数，其数值大小取决于无线信号的传播环境；

Rd为其它无线通信装置接收到的无线通信基站的信号强度，即RSSI值；

X_δ为零均值的高斯分布正态随机变量

如图10所示，取d1，d2，L三个距离交集公共部分中心的值作为甲烷检测装置与当前定位基准点所在无线通信基站(902)的距离的d(809)；将甲烷检测装置到当前定位基准点所在无线通信基站(902)的距离d代入两无线通信基站所在的隧道在地图上的曲线方程，即可得到甲烷检测装置的当前坐标(810)，如图9所示，设两无线通信基站所在的隧道为一直线端点分别为(x₁，y1)_，(x₂，y₂)，将距离d与两点式直线方程解方程即得到其它无线通信装置坐标(x，y)

$(x,y)=\left\{\begin{array}{c}\frac{y-y_1}{y_2-y_1}=\frac{x-x_1}{x_2-x_1}\\ d=\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}\\ x_2\≤x\≤x_1\end{array}\right.$

，位置运算由系统服务器结合矢量地图数据完成。

Claims (13)

1.一种井下甲烷监测及定位系统，包括：系统服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站、甲烷检测装置；有线通信子系统包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站包括防爆箱、电源、备用电池、无线接入设备、天线隔离器和天线；甲烷检测装置包括：处理器、无线通信部件、按键、存储芯片、显示屏、LED指示灯、温度传感器、运动检测电路；无线通信部件包括无线通信模块和天线；运动检测电路采用三轴加速度传感器；在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的无线交换机和系统服务器；甲烷检测装置与无线通信基站通过无线方式通信；甲烷检测装置基于场强定位结合计步测距实现准确定位，定位过程包括以下步骤：甲烷检测装置通过无线通信部件实时检测附近无线通信基站的信号场强，在甲烷检测装置靠近无线通信基站时，场强到达峰值，将此无线通信基站位置作为甲烷检测装置的当前位置可靠定位，并将此位置作为甲烷检测装置的当前定位基准点，甲烷检测装置通过运动检测电路实现计步功能，可实时记录甲烷检测装置使用人员在可靠定位后所行走的步数，步数乘以甲烷检测装置使用人员的个人步长得到甲烷检测装置与当前定位基准点的距离，根据甲烷检测装置检测到的当前和下一个定位基准点所在无线通信基站的场强计算距离，取距离交集公共部分中心的值作为甲烷检测装置与当前定位基准点的距离，将此距离代入两无线通信基站所在的隧道的曲线方程得到甲烷检测装置的当前坐标，实现对甲烷检测装置的定位；系统服务器通过检测人员携带的甲烷检测装置监测记录井下无线信号覆盖区域内的任意准确位置的甲烷浓度和环境温度；甲烷检测装置实时上传甲烷浓度检测数据和检测位置至系统服务器；甲烷检测装置实时上传环境温度检测数据和检测位置至系统服务器；甲烷检测装置通过三轴加速度检测记录使用人员行走步数和监测其生命活动特征；甲烷检测装置定时检测与系统服务器的无线通信链路，当检测到无线通信故障则自动组织Ad hoc网络，搜索其他工作人员所携其它无线通信装置。 

2.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：甲烷检测装置与系统服务器通过有线通信子系统和无线通信基站实现双向通信，甲烷检测装置定时向系统服务器发送带准确检测位置的甲烷浓度信息，自动发送带位置信息的甲烷浓度报警信息，使用者也可通过按键操作向系统服务器发送信息和报警信息，在通信链路正常时实时上传，在通信链路不通时，记录此次操作，等到通信链路正常时再自动上传至系统服务器。 

3.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：甲烷检测装置通过热敏元件或控制器内置温度检测单元检测所在环境温度，并将温度信息连同准确位置信息通过无线通信方式上传到系统服务器。 

4.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：甲烷检测装置通过低通 滤波算法处理由三轴加速度传感器所采集的三个方向上的加速度数据以去掉高频噪声，分析信号特征，取速度变化量最大的轴向进行计步，以0.5-5Hz的信号作为计步的信号，再参考其它轴上数据经过特征匹配实现准确计步。 

5.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：还进一步包括呼救装置，所述呼救装置的处理器实时监测人体活动，当处理器一定时间未检测到任何人体活动或按键操作则自动触发报警，通过无线通信和声光方式向外传送报警，进入呼救状态。 

6.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：系统服务器与甲烷检测装置下行通信时通信协议内附带有系统时间，甲烷检测装置解析时间后调整内部时钟与系统时间一致，实现井下甲烷监测及定位系统内所有甲烷检测装置的时钟同步，在甲烷检测装置上报甲烷浓度及温度时同时附带准确的时间，即使信息通信由于链路问题发生延迟，系统也可获得准确的甲烷浓度、温度和位置的历史纪录。 

7.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：甲烷检测装置的系统组成包括采集子系统、定位子系统、通信子系统、显示子系统、控制子系统、存储子系统；当甲烷检测装置检测到环境中的甲烷浓度超过设定的警戒值时，声光报警，并通过无线通信方式向系统服务器报警，在通信链路正常时实时上传，在通信链路不通时，通信子系统记录此次操作，等到通信链路正常时再自动上传。 

8.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：甲烷检测装置的处理器控制无线通信部件实现下行通信，接收系统服务器下发的调度指令信息和警示信息，并存储在存储芯片中，同时通过声光提示提醒佩戴者阅读。 

9.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：甲烷检测装置的处理器控制无线通信部件实现与系统服务器的上行通信，上行通信的信息内容包括：甲烷浓度、温度、位置及预置报警信息。 

10.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：甲烷检测装置预置报警信息包括：火灾、水灾、瓦斯涌出、顶板事故、机器故障、运输事故、人员受伤、请求救助。 

11.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：甲烷检测装置发送的上行信息在通信链路正常时实时上传，在通信链路不通时，甲烷检测装置的处理器记录此次操作，等到通信链路正常时再自动上传。 

12.根据权利要求1所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：在无线通信网络失效时，甲烷检测装置搜索附近的其它无线通信装置，搜索工作包括以下步骤：甲烷检测装置处理器控制无线通信模块实现自动Ad hoc组网，接受井下人员携带的其它无线通信装置的 无线连接，并为其分配IP地址；接收其它无线通信装置发送来的其与甲烷检测装置之间的场强信息；甲烷检测装置根据场强计算与其它无线通信装置的距离；甲烷检测装置通过显示屏显示其它无线通信装置距离和设备号；甲烷检测装置通过声音及灯光指示与被困人员的距离，根据计算的距离发出不同间隔频率的声音和灯光。 

13.根据权利要求10所述的井下甲烷监测及定位系统，其特征在于：甲烷检测装置在搜救过程中时刻检测环境甲烷浓度。