CN102979578A - 一种井下多功能人员定位呼救系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井下多功能人员定位呼救系统，系统包括：定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和呼救装置；有线通信子系统主要包括光纤、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；呼救装置控制包括采集子系统、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。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定位服务器；呼救装置与无线通信基站基于无线方式双向通信；呼救装置可准确定位；可实时检测呼救装置使用人员的活动状态，且具有多种呼救功能；能在矿井发生意外事故，现有通信设施被损坏而无法工作时支持搜救，是集井下人员跟踪定位、调度管理、灾后呼救和搜救等一体的综合系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下多功能人员定位呼救系统。本发明具体涉及无线通信，无线定位，信号处理等技术领域。
背景技术
井下人员定位是安全生产的重要措施。多年来人们采用各种方法井下人员位置进行检测。
目前实际使用以射频识别技术(RFID)为主，RFID利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与其它接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可实现对人员或物体在不同状态下的自动识别和位置监测。典型的射频识别系统主要包括射频卡和读写器两部分。使用RFID具有以下问题：
1.定位精度低，定位精度受读写器分布密度限制，只能实现区域定位，不能做到误差为几米的精确定位；
2.易出现漏读，受RFID读写速度限制，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况。
基于Zigbee无线传感器网络的定位系统，如TI公司的带硬件定位引擎的CC2431，此定位引擎基于RSSI技术，在井下实际使用中存在以下问题：
1.无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大，Zigbee使用场强定位算法，受干扰大所以易导致定位不准确；
2.Zigbee通信芯片内部的硬件定位引擎适用于平面定位环境，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，实际应用存在问题；
3.现有定位系统和定位装置无法检测装置佩戴者的活动状态；
4.Zigbee无线通信距离较短，无法满足井下长跨度的系统通信要求，在具体工程实施中存在困难。
现有定位系统功能单一，在井下发生意外事故，人员被困，通信系统发生故障或瘫痪时，现有定位终端设备不能自动呼救，不能实时提供救援所需的功能支持。
WI-FI是一种可以将电脑及移动设备以无线方式互相连接的技术，是由WirelessEthernet CompatibilityAlliance，WECA发布的无线传输技术标准(IEEE 802.11)，IEEE 802.11标准目前包括IEEE 802.1la，IEEE 802.11b及IEEE 802.11g。能够在数百英尺范围内支持无线网络接入，WI-FI无线网络可由AP(Access Point)和无线网卡组成无线网络；方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本低。WI-FI以其自身诸多优点，在更多领域得到应用，目前矿井的WI-FI应用也得到了较快发展。所以本发明所述呼救装置采用具有更开放环境和更广阔发展前景的WI-FI通信方式。
“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多功能人员定位呼救系统，包括：定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和呼救装置；有线通信子系统主要包括光纤、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；呼救装置组件包括：处理器、WI-FI无线通信、按键、存储、LCD显示屏、LED指示灯、温度传感器、运动检测电路和电源电路等部分；呼救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。呼救装置的无线通信部件包括无线通信模块和天线；呼救装置的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定位服务器；呼救装置与无线通信基站基于WI-FI双向通信；呼救装置可准确定位；可实时检测呼救装置使用人员的活动状态，具有自动生命活动特征检测报警功能；且能在矿井发生意外事故，现有通信设施被损坏而无法工作时，自动搜寻连接搜救装置建立的Ad hoc网络，自动向搜救装置传送身份及生命活动特征相关信息；另外提供声音和灯光等呼救手段，增加了被困人员的获救几率，利于提高搜救效率。呼救系统包括以下工作：
1.人员准确定位。所述呼救系统基于场强定位结合计步测距实现准确定位；呼救装置实时检测附近无线通信基站的信号场强，在呼救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呼救装置的当前位置可靠定位，并将此位置作为呼救装置的当前定位基准点；通过三轴加速度传感器计步，实时记录佩戴呼救装置人员在可靠定位后所行走的步数；步数乘以计算所得的佩戴呼救装置的人员的个人步长得到呼救装置与当前定位基准点的距离；根据呼救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呼救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呼救装置的当前坐标，实现对使用呼救装置人员的定位。
2.计步。呼救装置安装有三轴加速度传感器，通过分析三个方向上的加速度数据特征，判断使用人员的活动特征，可实时记录使用人员的行走步数。
3.在无线网络发生故障时自动连接搜救设备搜救。在井下发生意外事故，人员被困，无线通信基站受损，通信网络无法正常工作时，呼救装置可自动或手动转入搜索搜救装置状态，在此状态下，呼救装置可自动搜索连接附近的搜救装置通过ad hoc方式组织的网络，发送场强、身份号及最近一次人体运动时间等信息，使搜救人员能够查找到被困人员的位置，并识别被困人员身份及活动状态等重要信息。
4.在呼救状态下支持与搜救装置双向通信。当呼救装置与搜救装置建立连接后，使用人员可操作呼救装置按键向搜救装置发送内置的信息，搜救装置也可向呼救装置发送信息。
5.自动生命活动特征检测报警。呼救装置通过分析三轴加速度传感器所采集的三个方向上的加速度信号实时监测使用人员的生命活动状态，记录最近一次运动时间或按键操作，在呼救装置在与系统、搜救装置或其它设备通信时，随信息包发送此时间记录。当呼救装置一定时间未检测到任何运动信号或按键操作，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息。
6.声音提示与智能呼救。呼救装置在收到无线通信系统发来的调度信息或设备报警时，蜂鸣器发出连续提示音，提醒佩戴者阅读信息内容，如一段内信息仍未被阅读，呼救装置将每间隔一段时间声音提示一次。在井下发生意外事故、人员被困，被困人员所佩戴的呼救装置可自动开启声音呼救，发出…---…三短三长三短S.O.S.国际摩尔斯电码救难信号，便于井下被困人员互救和下井的搜救人员搜救，当处理器一定时间未检测到任何人体活动或按键操作也可自动触发声音呼救。
7.灯光提示与智能呼救。井下作业环境具有空间狭窄，设备噪声大，噪声传播距离远等特点，因此声音提示在作业环境下的提醒效果会受到很大的影响，所以在收到调度信息或设备报警时通过LED灯光闪烁提示可提高调度指令和警报送达的实时性。另外在井下发生意外事故，人员被困，照明系统无法正常工作时，呼救装置可自动开启LED灯，为井下人员除矿灯外提供又一信号源，并发出…---…三短三长三短S.O.S.国际摩尔斯电码救难信号，便于井下被困人员互救和搜救人员搜救，当处理器一定时间未检测到任何人体活动或按键操作也可自动触发灯光呼救。
8.实时温度检测采集。呼救装置内部有温度传感器，具有温度检测功能，可在LCD显示屏显示实时温度，也可通过无线通信系统将温度信息及准确的位置信息打包上传至井上的定位服务器，呼救系统可根据呼救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.调度及警报。呼救装置的处理器控制无线通信部件实现下行通信，可接收定位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；
10.报警。呼救装置的处理器控制无线通信单元实现上行通信，呼救装置可向定位服务器发送预置的信息和报警信息，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。
附图说明
图1呼救系统实施示意图
图2呼救装置硬件构成框图
图3呼救装置控制系统框图
图4呼救装置的环境温度检测流程图
图5呼救装置自动生命活动监测流程图
图6呼救装置TCP连接自动呼救流程图
图7呼救装置UDP方式自动呼救流程图
图8呼救装置定位运算流程图
图9井下人员行进方向判断原理示意图。
图10呼救装置与无线通信基站的距离运算示意图。
图11呼救装置当前位置坐标运算示意图。
其中，1、定位服务器；2、无线通信基站；3、呼救装置；4、监控终端；5、无线交换机。
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，井下无线通信系统：
井下多功能人员定位呼救系统包括：定位服务器(1)，有线通信子系统，无线通信基站(2)。有线通信子系统是整个定位系统的骨干，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，无线通信基站主要包括电源，备用电池、无线接入设备，天线隔离器和及天线。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，定位系统根据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定位服务器和呼救装置的存储子系统中，为定位运算提供依据。呼救装置作为标准WI-FI终端设备接入WI-FI无线局域网与井上定位服务器通信。定位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)访问定位服务器实现对井下工作人员及相关设备的实时监控，监控终端具有地图显示，工作人员位置及资料显示查询，工作人员位置统计，历史位置追踪查询等功能。地理信息平台可使用MapX地图化组件，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，呼救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。MSP430F147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、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，由于呼救装置只使用一个存储芯片，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.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的电阻变化，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控制寄存器完成初始化设置。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
8.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。
9.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。
10.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电源芯片。
如图3所示实施例中，呼救装置的系统组成包括：
1.定位子系统(302)，负责从WI-FI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，结合佩戴人员的步长步数运算得到呼救装置的位置，通过通信子系统上传至定位服务器。
2.通信子系统(303)，负责与服务器及外界设备的通信，包括WI-FI无线通信控制，串口通信控制。呼救装置的通信协议包括两部分：第一部分为外部协议，是呼救装置与井上的服务器间的通信协议；第二部分为内部协议，是呼救装置的处理器与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呼救装置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。
3.采集子系统(301)，负责呼救装置输入信号的采集，包括：温度信息采集、运动检测信号的采集、电压采集计步运算及按键动作采集。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呼救装置佩戴位置限制，使用人员可将呼救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，均可准确计步。同时通过三轴的数据分析，也可检测其它人体运动。
4.显示子系统(304)，负责呼救装置的LCD屏的驱动和信息的显示。
5.控制子系统(305)，负责控制呼救装置的蜂鸣器、LED、LCD背光、电源等硬件单元实现各自功能。
6.存储子系统(306)，负责控制呼救装置与存储芯片之间的通信，实现数据的存储和读取操作。存储的信息包括调度信息、预存的报警信息、位置信息及环境温度信息等。
图4所示实施例中，呼救装置实时温度采集实施过程示例如下：呼救装置具有实时温度采集功能，处理器读取温度A/D的转换值存入内存(401)，多次转换后如到达转换规定的转换次数(402)，将所存A/D转换值进行软件滤波(403)，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，xn为本次采集值，xn-1为上次采集值，如xn-xn-1≤P则此次采集值有效，否则放弃本次值，用上次值代替，即xn＝xn-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...xn n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温度值(404)；进行定位运算(405)，将温度值送显示子系统显示(406)，将温度值、位置和数据采集时间存入存储芯片(407)；判断无线通信链路是否正常(408)，如通信链路正常将温度和准确的位置信息根据外部协议打包再上传到服务器(409)；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5所示实施例中，呼救装置自动生命活动监测实施过程示例如下：呼救装置具有自动活动特征检测报警功能，当佩戴呼救装置的人员进行正常作业时，三轴加速度传感器能感应人员活动，同时处理检测按键操作(501)，系统纪录最后一次的感应到的人体运动触发时间或按键操作时间(502)，如到达定时报位时间(503)，呼救装置进行定位计算(504)，随定位信息上报此时间纪录(505)，当三轴加速度传感器长时间未检测到人体运动或按键操作，即检测超时507，则呼救装置进入自动报警状态(508)，立刻向定位服务器发送位置和最后一次检测到的人体运动时间，呼救装置发送报警信息后等候服务器发回的确认信息(510)，在规定时间内未接收到确认信息则重复报警同时声光呼救(508)。
图6所示实施例中，呼救装置在TCP连接通信方式下自动搜索专用搜救装置和呼救实施过程示例如下：呼救装置与井上的服务器通信双方以客户端-服务器端方式建立TCP连接(601)，呼救装置作为客户端连接服务器固定IP地址及端口，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，呼救装置应每隔时间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(614)重复TCP连接过程(601)；如果TCP未能连接成功，则重新连接网络，如在超过G次仍未连接上网络(606)则自动进入求救搜索模式(608)，通信子系统设置WI-FI通信模块进入搜索搜救装置状态，在此状态下呼救装置支持WI-FI的ad hoc方式组网；呼救装置同时声光呼救(609)，控制器控制蜂鸣器和LED发送的…---…三短三长三短S.O.S.国际摩尔斯电码救难信号，便于搜救人员探测搜救；如呼救装置与定位服务器TCP连接未成功次数(606)未达到G次，则在LCD屏显示提示信息，使用人员可随时常按呼救装置的特定功能键手动控制呼救装置进入求救模式(608)；当呼救装置搜索到附近搜救装置的信号，加入搜救装置组织的Ad hoc网络，自动获取搜救装置分配的IP地址，通过TCP连接到搜救装置(610)，检测搜救装置信号场强(611)，通过TCP连接通道向搜救装置发送场强、呼救装置身份及最后人体运动时间等信息(612)，间隔时间H(613)后重复检测场强(611)和发送信息(612)过程；如果呼救装置未检测到搜救装置信号则重复声光呼救(609)继续搜索搜救装置信号。作为数据接收方的服务器也可主动定时检测链路，超过时间S1未收到呼救装置的上传数据或链路检测数据包，则判定链路失效，主动断开与此呼救装置的连接。当参数S、K、R、G、H、S1可根据链路情况设定，参考取值为：S＝3min，K＝30s，R＝3，6＝8，H＝10s，S1＝6min。
图7所示实施例中，呼救装置在UDP通信方式下自动搜索搜救装置和呼救实施过程示例如下：呼救装置与井上的服务器双方以UDP方式通信，呼救装置端发送和接收数据使用两个不同网络端口，服务器端使用固定网络端口与所有呼救装置通信，呼救装置开机初始化系统后，首先设置UDP端口等参数(701)与服务器端接收服务端口建立对应关系，建立传输通道。当没有数据传输时，呼救装置应每隔时间S(702)发送链路检测数据包(703)以维持UDP通道，系统开始计时当链路检测数据包发出超过时间K后未收到回复(704)，立即再发送链路检测包(703)；在连续发送R次(705)后仍未收到回复则判定链路无效，数据发送方主动释放此连接(714)重复UDP端口设置过程(701)；如重复UDP端口设置过程(701)在超过G次仍无法通信则自动进入求救搜索模式(708)，通信子系统设置WI-FI通信模块进入搜索搜救装置状态，在此状态下呼救装置支持ad hoc方式组网；呼救装置同时声光呼救(709)，控制器控制蜂鸣器和LED发送的…---…三短三长三短S.O.S.国际摩尔斯电码救难信号，便于搜救人员探测搜救；当呼救装置搜索到附近搜救装置的信号，加入搜救装置组织的Ad hoc网络，自动获取搜救装置分配的IP地址，通过TCP方式连接到搜救装置(710)；检测搜救装置信号场强(711)；向搜救装置发送场强、呼救装置身份及最后人体运动时间等信息(712)；间隔时间H(713)后重复检测场强(711)和发送信息(712)过程。如果呼救装置未检测到搜救装置信号则重复声光呼救(709)继续搜索搜救装置信号；如呼救装置与服务器TCP连接未成功次数(706)未达到G次，则在LCD屏显示提示信息，使用人员可随时常按呼救装置的特定功能键手动控制呼救装置进入求救模式(708)。参数S、K、R、G、H可根据链路情况设定，参考取值为：S＝3min，K＝30s，R＝3，G＝8，H＝10s。
图8所示实施例中，人员定位的实现过程如下：呼救装置系统软件初始过程中，首先根据存储的呼救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)
呼救装置定时监测与各无线通信基站所发射信号的场强(802)，当井下人员携带呼救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呼救装置的当前位置，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。呼救装置实时记录人员经过无线通信基站后行走的步数M，乘以自身存储的佩戴呼救装置的人员的个人步长，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，则呼救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；也可根据呼救装置(3)检测到的无线通信基站的场强变化趋势来判定方向，当呼救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)，根据佩戴呼救装置的人员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呼救装置与无线通信基站(902)和(903)的距离d1，d2。
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为呼救装置接收到的无线通信基站的信号强度，即RSSI值；
Xδ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呼救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)；将呼救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，即可得到呼救装置的当前坐标(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呼救装置坐标(x，y)
，位置运算由定位服务器结合矢量地图数据完成。
Claims (15)
1.一种井下多功能人员定位呼救系统，包括：定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和呼救装置；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；呼救装置包括：处理器、无线通信部件、按键、存储、LCD显示屏、LED指示灯、发声元件、温度传感器、运动检测电路和电源电路；呼救装置的无线通信部件包括无线通信模块和天线；呼救装置的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定位服务器；呼救装置与无线通信基站通过无线方式通信，实现与定位服务器的双向通信；呼救装置基于场强定位结合计步测距实现准确定位；呼救装置通过三轴加速度传感器检测记录使用人员行走步数和监测其生命活动特征，当一定时间内检测不到人体活动则自动报警；呼救装置通过Ad hoc网络自动连接专用搜救装置，通过与搜救装置双向通信使搜救人员能够获得被困人员的位置、身份及活动状态。
2.根据权利要求1所述的呼救系统，其特征在于：呼救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：呼救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，在呼救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呼救装置的当前位置可靠定位，并将此位置作为呼救装置的当前定位基准点；通过三轴加速度传感器计步，实时记录佩戴呼救装置人员在可靠定位后所行走的步数；步数乘以计算所得的佩戴呼救装置的人员的个人步长得到呼救装置与当前定位基准点的距离；根据呼救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呼救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呼救装置的当前坐标，实现对使用呼救装置人员的定位。
3.根据权利要求1所述的呼救系统，其特征在于：呼救装置处理器控制无线通信部件自动连接搜救装置，当呼救装置一段时间未能连接入固有无线网络时，进入求救搜索状态，自动连接由搜救系统装置组织的Ad hoc网络，并向搜救装置发送信号场强、身份号及最近一次活动时间等信息，使搜救系统获得被困人员的位置、身份及活动状态。
4.根据权利要求1所述的呼救系统，其特征在于：呼救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所述的呼救系统，其特征在于：呼救装置使用自动或手动方式与搜救系统装置双向通信，当呼救装置与搜救装置建立连接后，使用人员可操作呼救装置向搜救系统装置发送内置的信息，接收搜救装置发送的信息。
6.根据权利要求1所述的呼救系统，其特征在于：呼救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，实时监测使用人员的生命活动状态，记录最近一次人体活动时间，在呼救装置无线通信时，随信息包发送此时间记录。
7.根据权利要求1所述的呼救系统，其特征在于：呼救装置的处理器实时检测按键操作，记录最近一次按键操作时间，在呼救装置无线通信时，随信息包发送此时间记录。
8.根据权利要求1所述的呼救系统，其特征在于：呼救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，进入呼救状态。
9.根据权利要求3或8所述的呼救系统，其特征在于：当呼救装置进入求救搜索状态或呼救状态时，由处理器控制发声元件发送国际标准三短三长三短SOS呼救信号。
10.根据权利要求3或8所述的呼救系统，其特征在于：当呼救装置进入求救搜索状态或呼救状态时，由处理器控制LED指示灯发送国际标准三短三长三短SOS呼救信号。
11.根据权利要求1所述的呼救系统，其特征在于：呼救装置通过热敏元件或控制器内置的温度检测单元检测呼救装置所在环境温度，并将温度信息连同定位信息通过无线通信上传到井上的服务器。
12.根据权利要求1所述的呼救系统，其特征在于：呼救装置的处理器控制无线通信部件实现下行通信，接收定位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。
13.根据权利要求1所述的呼救系统，其特征在于：呼救装置的处理器控制无线通信单元实现与安装在井上的服务器的上行通信，上行通信的信息内容包括定位信息、温度信息、呼救信息和预置报警信息。
14.根据权利要求13所述的呼救系统，其特征在于：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。
15.根据权利要求13所述的呼救系统，其特征在于：呼救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，处理器记录此次操作，等到通信链路正常时再自动上传。
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