CN103646531A - 基于红外传感器的矿井人员定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及矿井安防技术领域，具体的说是一种能够对人员流动情况进行监测的基于红外传感器的矿井人员定位装置及方法，包括上位机、数据采集器、红外传感器，其特征在于上位机分别与两个以上的数据采集器相连接，每个数据采集器分别与两个以上的红外传感器经通信总线相连接，本发明的被动式红外矿井定位系统，其优势在于：优选数据采集装置与监控平台采用载波通信技术，载波通信技术保证系统能够信号传输距离，在具体操作中，使用矿井中已有的220V/380V电力线作为通信介质，载波通信技术通信距离在500m左右，应用中继技术，传输距离可成倍增长。

Description

基于红外传感器的矿井人员定位装置及方法

技术领域

 本发明涉及矿井安防技术领域，具体的说是一种能够对人员流动情况进行监测的基于红外传感器的矿井人员定位装置及方法。

背景技术

为了提高煤矿生产安全性，当前在煤矿安全生产中广泛使用井下人员定位系统产品，其原理是在井下各检查地点安置具有有线网络通讯功能的网络通讯器，由井下作业人员携带能够自动重复发射包含身份信息的射频身份标签，当作业人员走到网络节点附近时，该节点处设置的网络通讯器接收射频身份标签携带的身份信息，并将其传送到地面的监控设备，地面的监控设备根据各节点所上传的信息绘制图形或图表，确定矿井下作业人员的具体位置。但由于作业人员所携带的射频身份标签一般采用电池供电，射频身份标签仅能够采用微功率输出，因此射频身份标签与节点的网络通讯器的通讯距离平均仅有十米左右，而一般矿井下各巷道加起来总长超过数千米，要实现精确定位，就必须增设节点以及网络通讯器，这导致定位系统成本大幅提升，另外，由于矿井下巷道的射频通讯条件复杂，例如巷道的大小、弯曲度、空气湿度、巷道是否有水、坡度、通讯频率和环境设备的干扰因素等，都会对射频通讯距离以及信号强度产生影响，因此基于射频身份识别技术的井下人员定位系统存在成本高、检测效果差等不足。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种结构合理、成本低、定位精度高，能够对人员流动情况进行监测的基于红外传感器的矿井人员定位装置及方法。

    本发明可以通过以下措施达到：

     一种基于红外传感器的矿井人员定位装置，包括上位机、数据采集器、红外传感器，其特征在于上位机分别与两个以上的数据采集器相连接，每个数据采集器分别与两个以上的红外传感器经通信总线相连接。

 本发明中数据采集器通过载波通信与上位机进行通信，载波通信使用已有的220/380V电源线作为通信介质，无需单独布线，成本低。

    本发明中红外传感器定位终端设置于矿井中，监测红外信息，并将所属红外信息传输至数据采集器，数据采集器位于所述红外定位终端附近，采集红外定位终端反馈数据，并将数据传输给所述监控平台。

本发明中数据采集器硬件结构设有用于接收被动式红外传感器反馈信息的数据采集电路、用于与上位监控平台进行通信的载波通信电路，其中数据采集器中设有STC12C5410AD芯片，红外传感器与接线端子相连接，接线端子经光隔离元件与STC12C5410AD芯片相连接，红外传感器信息数据通过STC12C5410AD处理器串口，TXD/RXD端进入载波通信芯片，经过转换，由SSCOUT_AA处发出，经过放大电路转化为电力线载波信号，进入载波通信电路，最后信号输出至载波通信电路的VA/VN端，此端即为矿井内所用照明电缆或动力电缆。

 本发明中所述放大电路采用以下结构：放大电路的SEND端与电阻R82相连接，电阻R82的另一端与三极管Q84发射极相连接，三极管Q84的发射极还与电阻R84以及电容C82串联并接地，三极管Q84基极与电阻R85相连接，三极管Q84的集电极与R83以及三极管Q83的基极相连接，三极管Q83的基极与集电极之间串联电容C81，三极管Q83的集电极与电阻R81相连接，三极管Q83的发射极与电容C83相连接，电阻R81以及电容C83分别与电阻R86相连接，电阻R86的另一段分别于三极管Q84的基极以及电阻R37相连接，电阻R37与电容C38串联，三极管Q84的基极经电阻R85与三极管Q85的集电极相连接，三极管Q85的发射极与15v电源线相连接，三极管Q85的基极经电阻R88接地，三极管Q85的发射极与基极之间串接电阻R87，三极管Q81的发射极与三极管Q82的发射极相连，三极管Q81的集电极与15v电源线相连，三极管Q81的集电极与发射极之间连接二极管D81，其中D81的正极与Q81的发射极相连接，三极管Q82的集电极接地，三极管Q82的集电极与发射极之间接有二极管D82，其中D82的正极与Q82的极电极相连接，三极管Q81以及Q82的基极分别接入三极管Q83的集电极。

本发明中载波通信电路包括变压电路、与变压电路相连接的脉冲开关电路、与变压电路相连接的滤波电路，其中上位机发出电力线载波信号由变压电路4处进入数据采集模块，经过滤波电路5的滤波进入载波通信芯片接收端SSCIN_A。

本发明中当矿井中数据采集器距离上位机较远时，采用距离较近的数据采集器作为中继，向远端数据采集器传递数据的方式，上位机指定作为中继的数据采集器作为数据中转，此数据采集器接收数据后，向目的采集器或者下一中继采集器发送数据，数据采集器内对应设有有线/无线通信电路。

作为本发明的优选实施例：当矿井中数据采集器采用载波中继方式传递数据时，中继传输数据最多可以被转发7次；作为本发明的优选实施例：当矿井中数据采集器采用载波中继方式传递数据时，作为中继模块使用的数据采集器根据现场情况动态指定。

本发明中被动式红外传感器通过壁挂或吸顶式结构固定在矿井巷道中，本发明与现有技术相比，红外定位终端设备采用直连线方式与数据采集装置连接，为保证兼容性，采用干接点信号传输，工作时上位机根据红外定位终端在矿井中的安装位置，结合红外定位终端反馈数据，判断井下人员的活动轨迹，每一个红外传感器作为一个监测点，所有的监测点形成一个监测网络。

一种基于红外传感器的矿井人员定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：规划矿井下多个红外传感器的安装布局，并对红外传感器的识别角色进行划分，其中包括固定在巷道出入口处的两套红外传感器，用于对人员进出巷道进行识别，以及在采区，垌室，盲道等处安装的用于监测人员在场情况的红外传感器；

步骤2：数据采集器每秒钟采集数据上位机每30s轮询数据采集器，使数据采集器所采集数据上传至上位机；

步骤3：上位机接收数据采集器数据，进行识别，具体包括：方向性识别，通过使用两个以上的红外传感器，检测红外传感器的触发先后，判断人员流动方向；人员所在区域判断：通过判断某段巷道出入口两端的传感器是否被触动，判断进入巷道的人员是否滞留在巷道内，

步骤4：根据步骤3的识别结果，输出人员流动、滞留图像信息。

本发明与现有技术相比，由于红外传感器采用吸顶式或挂式安装在巷道内，并可以通过多个数据采集器中继传递检测数据，具有结构合理、布线方便等优点，采用低成本的被动式红外传感器，在保证满足定位井下人员分布的同时，解决了RFID读卡设备价格较高，可靠性较差的问题。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明中放大电路的一种结构示意图。

附图3是本发明中载波通信电路的一种结构示意图。

附图4是本发明中数据采集电路的一种结构示意图。

附图标记：上位机1、数据采集器2、红外传感器3、变压电路4、滤波电路5、脉冲开关电路6、STC12C5410AD芯片7、接线端子8、光隔离元件9。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

如附图1所示，本发明提出了一种基于红外传感器的矿井人员定位装置，包括上位机1、数据采集器2、红外传感器3，其特征在于上位机1分别与两个以上的数据采集器2相连接，每个数据采集器2分别与两个以上的红外传感器3经通信总线相连接。

 本发明中数据采集器2通过载波通信与上位机1进行通信，载波通信使用已有的220/380V电源线作为通信介质，无需单独布线，成本低。

    本发明中红外传感器3设置于矿井中，监测红外信息，并将所属红外信息传输至数据采集器2，数据采集器2位于所述红外传感器附近，采集红传感器反馈数据，并将数据传输给上位机1。

如附图4所示，本发明中数据采集器2设有用于接收被动式红外传感器反馈信息的数据采集电路、用于与上位监控平台进行通信的载波通信电路，其中数据采集器2中设有STC12C5410AD芯片7，红外传感器3与接线端子8相连接，接线端子8经光隔离元件9与STC12C5410AD芯片7相连接，红外传感器3的信息通过STC12C5410AD处理器串口，TXD/RXD端进入载波通信芯片，经过转换，由SSCOUT_AA处发出，经过放大电路转化为电力线载波信号，进入载波通信电路，最后信号输出至载波通信电路的VA/VN端，此端即为矿井内所用照明电缆或动力电缆。

 如附图2所示，本发明中所述放大电路采用以下结构：放大电路的SEND端与电阻R82相连接，电阻R82的另一端与三极管Q84发射极相连接，三极管Q84的发射极还与电阻R84以及电容C82串联并接地，三极管Q84基极与电阻R85相连接，三极管Q84的集电极与R83以及三极管Q83的基极相连接，三极管Q83的基极与集电极之间串联电容C81，三极管Q83的集电极与电阻R81相连接，三极管Q83的发射极与电容C83相连接，电阻R81以及电容C83分别与电阻R86相连接，电阻R86的另一段分别于三极管Q84的基极以及电阻R37相连接，电阻R37与电容C38串联，三极管Q84的基极经电阻R85与三极管Q85的集电极相连接，三极管Q85的发射极与15v电源线相连接，三极管Q85的基极经电阻R88接地，三极管Q85的发射极与基极之间串接电阻R87，三极管Q81的发射极与三极管Q82的发射极相连，三极管Q81的集电极与15v电源线相连，三极管Q81的集电极与发射极之间连接二极管D81，其中D81的正极与Q81的发射极相连接，三极管Q82的集电极接地，三极管Q82的集电极与发射极之间接有二极管D82，其中D82的正极与Q82的极电极相连接，三极管Q81以及Q82的基极分别接入三极管Q83的集电极。

如附图3所示，本发明中载波通信电路包括变压电路4、与变压电路相连接的脉冲开关电路6、与变压电路4相连接的滤波电路5，其中上位机1发出电力线载波信号由变压电路4处进入数据采集器3，经过滤波电路5的滤波进入载波通信芯片接收端SSCIN_A。

本发明中当矿井中数据采集器2距离上位机1较远时，采用距离较近的数据采集器2作为中继，向远端数据采集器2传递数据的方式，上位机指定作为中继的数据采集器2作为数据中转，此数据采集器2接收数据后，向目的采集器或者下一中继采集器发送数据，数据采集器2内对应设有有线/无线通信电路。

作为本发明的优选实施例：当矿井中数据采集器2采用载波中继方式传递数据时，中继传输数据最多可以被转发7次；作为本发明的优选实施例：当矿井中数据采集器2采用载波中继方式传递数据时，作为中继模块使用的数据采集器2根据现场情况动态指定。

本发明中被动式红外传感器3通过壁挂或吸顶式结构固定在矿井巷道中，本发明与现有技术相比，红外定位终端设备采用直连线方式与数据采集装置连接，为保证兼容性，采用干接点信号传输，工作时上位机根据红外定位终端在矿井中的安装位置，结合红外定位终端反馈数据，判断井下人员的活动轨迹，每一个红外传感器作为一个监测点，所有的监测点形成一个监测网络。

本发明还提出一种基于红外传感器的矿井人员定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：规划矿井下多个红外传感器的安装布局，并对红外传感器的识别角色进行划分，其中包括固定在巷道出入口处的两套红外传感器，用于对人员进出巷道进行识别，以及在采区，垌室，盲道等处安装的用于监测人员在场情况的红外传感器；

步骤2：数据采集器每秒钟采集数据上位机每30s轮询数据采集器，使数据采集器所采集数据上传至上位机；

步骤3：上位机接收数据采集器数据，进行识别，具体包括：方向性识别，通过使用两个以上的红外传感器，检测红外传感器的触发先后，判断人员流动方向；人员所在区域判断：通过判断某段巷道出入口两端的传感器是否被触动，判断进入巷道的人员是否滞留在巷道内，

步骤4：根据步骤3的识别结果，输出人员流动、滞留图像信息。

本发明与现有技术相比，由于红外传感器采用吸顶式或挂式安装在巷道内，并可以通过多个数据采集器中继传递检测数据，具有结构合理、布线方便等优点，采用低成本的被动式红外传感器，在保证满足定位井下人员分布的同时，解决了RFID读卡设备价格较高，可靠性较差的问题。

本发明的被动式红外矿井定位系统，可以在发生事故时，根据监控平台连续采集的数据，查询事故地点附近是否可能有人员存在。再通过探测器在事故处进一步确定人员准确位置，以便帮助营救人员快速形成营救方案。

作为本发明的被动式红外终端，优选幕帘式被动式红外传感器，间距1.5米安装，这样可以判断人员进出情况，又不会因为距离远造成误判，在重要的垌室、盲道内安装红外定位终端，传感器监控半径可达8-12米，满足一般矿井场所需求。

本发明的被动式红外矿井定位系统，其优势在于：优选数据采集装置与监控平台采用载波通信技术。载波通信技术保证系统能够信号传输距离。矿井深度一般在500m左右。在具体操作中，使用矿井中已有的220V/380V电力线作为通信介质，载波通信技术通信距离在500m左右，应用中继技术，传输距离可成倍增长。

Claims (5)

1.一种基于红外传感器的矿井人员定位装置，包括上位机、数据采集器、红外传感器，其特征在于上位机分别与两个以上的数据采集器相连接，每个数据采集器分别与两个以上的红外传感器经通信总线相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外传感器的矿井人员定位装置，其特征在于数据采集器通过载波通信与上位机进行通信，数据采集器设有用于接收被动式红外传感器反馈信息的数据采集电路、用于与上位监控平台进行通信的载波通信电路，其中数据采集器中设有STC12C5410AD芯片，红外传感器与接线端子相连接，接线端子经光隔离元件与STC12C5410AD芯片相连接，红外传感器信息数据通过STC12C5410AD处理器串口，TXD/RXD端进入载波通信芯片，经过转换，由SSCOUT_AA处发出，经过放大电路转化为电力线载波信号，进入载波通信电路，最后信号输出至载波通信电路的VA/VN端，此端即接矿井内所用照明电缆或动力电缆。

3.根据权利要求2所述的一种基于红外传感器的矿井人员定位装置，其特征在于所述放大电路采用以下结构：放大电路的SEND端与电阻R82相连接，电阻R82的另一端与三极管Q84发射极相连接，三极管Q84的发射极还与电阻R84以及电容C82串联并接地，三极管Q84基极与电阻R85相连接，三极管Q84的集电极与R83以及三极管Q83的基极相连接，三极管Q83的基极与集电极之间串联电容C81，三极管Q83的集电极与电阻R81相连接，三极管Q83的发射极与电容C83相连接，电阻R81以及电容C83分别与电阻R86相连接，电阻R86的另一段分别于三极管Q84的基极以及电阻R37相连接，电阻R37与电容C38串联，三极管Q84的基极经电阻R85与三极管Q85的集电极相连接，三极管Q85的发射极与15v电源线相连接，三极管Q85的基极经电阻R88接地，三极管Q85的发射极与基极之间串接电阻R87，三极管Q81的发射极与三极管Q82的发射极相连，三极管Q81的集电极与15v电源线相连，三极管Q81的集电极与发射极之间连接二极管D81，其中D81的正极与Q81的发射极相连接，三极管Q82的集电极接地，三极管Q82的集电极与发射极之间接有二极管D82，其中D82的正极与Q82的极电极相连接，三极管Q81以及Q82的基极分别接入三极管Q83的集电极。

4.根据权利要求3所述的一种基于红外传感器的矿井人员定位装置，其特征在于载波通信电路包括变压电路、与变压电路相连接的脉冲开关电路、与变压电路相连接的滤波电路，其中上位机发出电力线载波信号由变压电路处进入数据采集模块，经过滤波电路的滤波进入载波通信芯片接收端SSCIN_A。

5.一种基于红外传感器的矿井人员定位方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：规划矿井下多个红外传感器的安装布局，并对红外传感器的识别角色进行划分，其中包括固定在巷道出入口处的两套红外传感器，用于对人员进出巷道进行识别，以及在采区，垌室，盲道等处安装的用于监测人员在场情况的红外传感器；

步骤2：数据采集器每秒钟采集数据上位机每30s轮询数据采集器，使数据采集器所采集数据上传至上位机；

步骤3：上位机接收数据采集器数据，进行识别，具体包括：方向性识别，通过使用两个以上的红外传感器，检测红外传感器的触发先后，判断人员流动方向；人员所在区域判断：通过判断某段巷道出入口两端的传感器是否被触动，判断进入巷道的人员是否滞留在巷道内，

步骤4：根据步骤3的识别结果，输出人员流动、滞留图像信息。

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