CN103024663A

CN103024663A - 一种井下人员定位系统

Info

Publication number: CN103024663A
Application number: CN2012104642997A
Authority: CN
Inventors: 孙继平; 刘毅
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: CN103024663B

Abstract

本发明公开了一种井下人员定位系统，系统包括：定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和定位装置。有线通信子系统主要包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站主要包括防爆箱、电源、备用电池、无线接入设备和天线等；在井下巷道内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；定位装置与无线通信基站间通过无线方式通信；系统通过井下人员携带的定位装置基于场强测距结合计步测距实现人员准确定位。本定位系统定位精度高，成本低，系统设备结构简单，便于安全生产管理人员调度管理，在矿井发生灾害时，可为救援人员提供较准确的人员位置信息，以提高救援效率和被困人员的获救概率；是集井下人员考勤、调度管理、跟踪定位、灾后搜救等一体的综合系统。

Description

一种井下人员定位系统

技术领域

本发明涉及一种井下人员定位系统，该系统涉及无线电通信、测距和定位技术等领域。

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对井下人员位置进行检测。常用的定位方法有：接受信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)，测量到达角度(Angle Of Arrival，AOA)，测量到达时间(Time Of Arrival，TOA)，测量到达时间差(Time Difference Of Arrival，TDOA)和射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identification)等方法。

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.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，易出现漏读。

信号强度指示(RSSI)方法是目前Zigbee和WiFi网络采用的主要定位方法，它根据无线信号的传输损耗模型计算移动节点与锚节点间的距离。移动节点接收到的信号强度随距离发射机的位置变化而变化，即移动节点距离发射机距离越近，接收到的信号强度越强，反之，移动节点距发射机越远，接收到的信号强度越弱，RSSI定位方法便是利用这一特性，将测得的信号强度转换为距离预估值，然后将距离预估值与信号强度地图进行比对分析，再经过滤波确定最终定位结果，RSSI方法简单易实施。但无线信号的传输损耗模型受环境影响巨大，所以一般RSSI定位系统往往必须依靠增加锚节点的密度和通过全局优化算法来控制单方向上的定位误差，但井下环境多为隧道组成的线状环境，无法得到平面上其它方向的场强数据，所以当隧道中存在如较大金属遮挡物等其它影响无线信号传输的因素时，定位误差较大，所以需要一种不依赖于其它方向的场强数据的，能在井下准确地定位的定位系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种井下人员定位系统，通过定位服务器及无线接入点对使用专用的定位装置的井下工作人员实现准确的定位，便于安全生产管理人员调度管理，并在矿井发生灾害时，为救援人员提供较准确的人员位置信息，以提高救援效率和被困人员的获救概率。

所述井下人员定位系统，主要包括定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和定位装置。有线通信子系统主要包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站主要包括防爆箱、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定位服务器；定位装置与无线通信基站间通过无线方式通信；所述系统通过井下人员携带的定位装置实现人员定位。

所述定位系统通过如下步骤实现人员准确定位：

1.定位装置使用人员的步长计算，根据定位装置使用人员身高记录T通过以下公式得到其实际步长N：

1.N＝1.85(T-132)

2.基准点检测，井下各巷道中间隔一定距离安装无线通信基站作为定位基准点，无线通信基站具有无线通信接入功能，定位装置定时监测与各无线通信基站所发射信号的场强，在定位装置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定位装置的当前位置，并将无线通信基站的位置坐标作为定位装置的可靠定位信息记录存储，以此无线通信基站作为当前定位基准点，同时开始计步。

3.基于计步计算定位装置距无线通信基站距离。定位装置具有准确的计步功能，可实时记录佩戴定位装置人员的行进的步数，乘以自身存储的佩戴位装置的人员的个人步长，即得到被定位人员与当前参考无线通信基站的距离L：

L＝MN

，式中M为佩戴定位装置的人员以当前定位基准点为起点所行走的步数。

4.方向判断，根据记录的上次的可靠定位数据判断佩戴定位装置的人员的行进方向，如上次准确定位的无线通信基站为A，此次准确定位的无线通信基站为B，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；也可根据定位装置检测到的无线通信基站的场强变化趋势来判定方向，当定位装置检测到两个相邻无线通信基站B和C的场强，如检测到无线通信基站B的场强变化趋势是逐渐变小，而无线通信基站C的场强变化趋势是逐渐变大，则判定人员行进方向为由无线通信基站B向无线基站C方向移动；

5.误差判断，定位装置根据佩戴定位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；

6.根据场强计算距无线通信基站距离，定位装置检测当前定位基准点所在无线通信基站和下一个定位基准点所在无线通信基站的信号场强，分别为Rd1和Rd2；场强与距离的公式为参考经验公式，相关参数通过现场测量得到，如下：

d = 10^{\frac{A - Rd + X_{δ}}{10 n}}

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为定位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

将Rd1和Rd2分别带入公式得到定位装置与当前定位基准点所在无线通信基站的距离dl，定位装置与下一个定位基准点所在无线通信基站的距离d2；

7.根据场强所得距离d1和d2结合计步距离L，计算定位装置与当前定位基准点所在无线通信基站的距离，将所有距离交集公共部分中心的值作为定位装置与当前定位基准点的距离d；

8.位置计算，将定位装置到当前定位基准点所在无线通信基站的距离，代入两无线通信基站所在的隧道的曲线方程得到定位装置及使用人员的的当前位置坐标。

附图说明

图1定位系统示意图。

图2定位装置硬件示意图。

图3定位装置控制系统结构图。

图4定位步骤示意图。

图5井下人员行进方向判断原理示意图。

图6定位装置与无线通信基站的距离运算示意图。

图7定位装置当前位置坐标运算示意图。

图8定位装置通信流程图。

具体实施方式

如图1所示实施例中，定位系统组成包括：

井下人员定位系统包括定位服务器(1)，有线通信子系统，无线通信基站(2)和定位装置(3)。有线通信子系统是整个定位系统的骨干网络，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，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，无线通信基站包括防爆箱、电源，备用电池、无线接入设备、天线隔离器及天线。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定位装置的存储子系统中，为定位运算提供依据。定位装置作为标准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。

如图2所示实施例中，定位装置的硬件包括：

1.处理器(201)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(204)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、NOR FLASH存储器CO2128；天线采用柔性天线。

3.运动检测电路(202)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，所采集的信号为数字信号通过SPI接口传输给处理器。

4.存储(203)芯片采用1片24C512，由于所述定位装置只使用了一个存储芯片，不需设置片选地址，所以24C1024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.串口通信(205)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。

6.电源电路(206)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，定位装置的系统包括：

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定位装置的位置，通过通信子系统上传至系统服务器。

2.通信子系统(303)，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，有线串口通信控制。

3.采集子系统(301)，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，取加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，参考其它两轴的数据特征，可有效去除其它人体活动所产生的干扰，经过特征匹配等运算实现准确计步。使用此方法计步不受定位装置佩戴位置限制，使用者可将定位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。

4.存储子系统(306)，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。

存储的信息包括调度信息、预存的报警信息、位置信息及环境温度信息等。

参考图4人员定位的实现过程如下：

定位装置系统初始化过程中，首先根据存储的定位装置使用者的身高记录T通过以下公式得到其实际步长N(401)：

N＝1.85(T-132)

定位装置定时监测与各无线通信基站所发射信号的场强(402)，当井下人员携带定位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定位装置的当前位置，定位系统获得定位装置较为准确的位置数据(403)，同时开始计步。定位装置内部的定位子系统实时记录人员经过无线通信基站后行走的步数，乘以自身存储的定位装置使用的人员的个人步长，即可得到人员与前无线通信基站的距离(404)；设步数为M，步长为N，则定位装置与前无线通信基站的距离L为：

L＝MN

方向判断(405)，如图5所示，根据定位系统或定位装置所记录的上次的可靠定位数据判断井下人员(504)的行进方向，如上次准确定位的无线通信基站为A(501)，此次准确定位的无线通信基站为B(502)，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；也可根据定位装置(3)检测到的无线通信基站的场强变化趋势来判定方向，当定位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(502)的场强变化趋势是逐渐变小，而无线通信基站C(503)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(406)，根据佩戴定位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(502)和下一个定位基准点所在无线通信基站(503)的信号场强值Rd1，Rd2(407)；根据场强计算距离(408)，将场强带入代入以下公式得到定位装置与当前定位基准点所在无线通信基站(502)的距离d1和定位装置与无线通信基站(503)的距离d1，d2。

d = 10^{\frac{A - Rd + X_{δ}}{10 n}}

如图6所示，取d1，d2，L三个距离交集公共部分中心的值作为定位装置与与当前定位基准点所在无线通信基站(502)的距离的d(409)；将距离d代入两无线通信基站所在的隧道在地图上的曲线方程，即可得到定位装置在地图上的当前坐标(410)，如图7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定位装置坐标(x，y)

(x, y) = \{\begin{matrix} \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} \leq x \leq x_{1} \end{matrix}

，位置运算由定位服务器结合矢量地图数据完成。

图7所示实施例中，所述定位装置通信过程示例如下：

所述定位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(801)，定位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IP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，定位装置应每隔时间S(802)发送链路检测数据包(803)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(807)，当链路检测数据包发出超过时间K后未收到回复(804)，立即再发送链路检测包(803)；在连续发送R次(805)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(808)重复TCP连接过程(801)；如果TCP未能连接成功，则每隔时间G(806)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。

Claims

1.一种井下人员定位系统，包括定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站和定位装置、其特征在于：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定位服务器；定位装置与无线通信基站通过无线方式通信；定位服务器通过井下工作人员随身携带的定位装置实现人员定位；在定位装置靠近无线通信基站时，场强到达峰值，将此无线通信基站作为定位装置的当前定位基准点；定位装置具有计步功能，可实时记录佩戴定位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定位装置的人员的个人步长得到定位装置与当前定位基准点的距离；根据定位装置检测到的两相邻定位基准点的所在无线通信基站场强计算距无线通信基站距离；取距离交集公共部分中心的值作为定位装置与当前定位基准点的距离。

2.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于：在定位装置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定位装置的当前位置，同时作为可靠定位信息记录存储，并将此无线通信基站作为定位装置的当前定位基准点。

3.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于：非首次可靠定位时，根据所记录的前一次的可靠定位数据判断佩戴定位装置人员的行进方向。

4.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于：根据定位装置检测到的无线通信基站的场强变化趋势来判断佩戴定位装置人员的行进方向。

5.如权利要求1所述的定位系统，定位装置具有计步功能，其特征在于：在定位装置上安装计步装置，在佩戴定位装置的人员行走时实时记录行走的步数M。

6.如权利要求5所述的定位系统，其特征在于：根据被定位井下人员的身高记录T，通过由下面的公式得到该人员的实际步长N：N＝1.85(T-132)。

7.如权利要求6所述的定位系统，其特征在于：通过下面的公式得到定位装置与当前定位基准点的距离L：L＝MN，式中M为佩戴定位装置的人员以当前定位基准点为起点所行走的步数。

8.如权利要求7所述的定位系统，其特征在于：定位装置根据佩戴定位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。

9.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于：定位装置检测当前定位基准点所在无线通信基站和下一个定位基准点所在无线通信基站的信号场强，分别为Rd1和Rd2。

10.如权利要求9所述的定位系统，其特征在于：基于场强进行距离计算，公式如下：

式中A为信号传播1m远时收信号的功率；

Rd为定位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。

将Rd1和Rd2分别带入公式得到定位装置与当前定位基准点的距离d1，定位装置与当前定位基准点的距离d2。

11.如权利要求10所述的定位系统，其特征在于：根据场强所得距离d1和d2结合计步距离L，计算定位装置与当前定位基准点所在无线通信基站的距离，将所有距离交集公共部分中心的值作为定位装置与当前定位基准点的距离。

12.如权利要求1所述的定位系统，其特征在于：将定位装置到当前定位基准点所在无线通信基站的距离，代入两无线通信基站所在的隧道的曲线方程得到定位装置的当前坐标。