CN107515383A - 一种煤矿出入井唯一性检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤矿入井人员定位领域，针对现有技术存在的问题，本发明提供一种煤矿出入井唯一性检测装置及方法。通过金属门上设置多个读卡器且配合定向天线的方案，用于精确检测煤矿出入井检测人员是否佩戴定位设备和是否佩戴多个定位设备。本发明包括设置于金属门内的读卡器，通过读卡器的天线阵列对检测人员佩戴的定位设备发出的射频信号进行采集，读卡器获取该定位设备对应的RSSI值；处理器，用于接收读卡器输出的RSSI值进行滤波计算处理，得到该定位设备的加权平均滤波值，并通过该加权平均滤波值判断位于金属门检测区域内的检测人员是否佩戴定位设备或者是否携带m个定位设备。

Description

一种煤矿出入井唯一性检测装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿入井人员定位领域，尤其是一种煤矿出入井唯一性检测装置及方法。

背景技术

为了确保煤矿每个下井人员佩戴一个定位设备，需要对工作人员身上的定位设备个数进行确认。有如下技术方案：

1、将读卡器放入金属门，并对读卡器接收到的信号进行功率控制，利用金属门对电磁信号的屏蔽作用和电磁信号本身因为传输距离导致的衰减，使得金属门内的读卡器只能接收到处于门内的定位设备，从而确认金属门内定位设备的数量。

2、基本方法和方法1相同，但是为了改进效果，对金属门进行了改进，主要是加强金属门对外面定位设备信号的屏蔽效果。如将金属门做成L形，或者给金属门的进出口加上可以开合的金属板。

3、利用一段时间内，读卡器接收到不同定位设备的RSSI曲线，寻找 RSSI曲线相似的卡认为是由同一个人携带。

但是现有技术中存在以下两个问题，

主要问题：由于电磁信号传播的复杂性，上述方案都存在误判率高的缺点。其中，方案3由于需要采集一段时间的数据，所需时间较长，且不能找出没有携带定位设备的工作人员。

次要问题：方案2会使煤矿工人进出井不便，特别是在需要携带条形设备的时候。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种煤矿出入井唯一性检测装置及方法。通过金属门上设置多个读卡器且配合定向天线的方案，用于精确检测煤矿出入井检测人员是否佩戴定位设备和是否佩戴多个定位设备。

本发明采用的技术方案如下：

一种煤矿出入井唯一性检测装置包括：

设置于金属门内的读卡器，用于对应设置在金属门内检测区域至少三个顶点位置，通过读卡器的天线阵列对检测人员佩戴的定位设备发出的射频信号进行采集，读卡器获取该定位设备对应的RSSI值；

处理器，用于对读卡器输出的RSSI值进行滤波计算处理，得到该定位设备的加权平均滤波值，并通过该加权平均滤波值判断位于金属门检测区域内的检测人员是否佩戴定位设备或者是否携带多个定位设备。

进一步的，所述天线阵列包括n路定向天线，n路定向天线对应设置在每个读卡器的n通道中；其中每个天线阵列中至少一个定向天线主瓣朝向金属门检测区域内，其余定向天线主瓣朝向金属门检测区域外；读卡器通过n路定向天线获取该定位设备对应的n路RSSI值。

进一步的，定向天线安装在检测门不同的位置；其中安装位置的选择基本原则是：当定位设备在检测门内时，读卡器接收到每一组定向天线主瓣朝检测门内部的RSSI值均大于该天线阵列中其他定向天线主瓣朝检测门外RSSI值。

进一步的，判断定位设备位于金属门检测区域内指的是加权平均滤波值大于门限值。当加权平均滤波值小于等于门限值时，则该定位设备没有在金属门检测区域内。

进一步的，判断检测人员携带m个定位设备指的是通过n个定位设备对应的RSSI值处理后，得到对应加权平均滤波值判断；当检测人员位于检测区域时，存在m个加权平均滤波值大于门限值，则检测人员佩戴m个定位设备；m 小于等于n。

进一步的，在检测区域四个顶点上分别对应设置读卡器，或者与检测区域距离高度h的平面区域四个顶点上分别对应设置读卡器。

进一步的，滤波计算处理过程是：

计算每个读卡器获取的预设周期内该OBU的每路RSSI值的平均值，然后对n路RSSI值进行加权处理得到每个读卡器对应的n路RSSI加权平均值；

计算每个读卡设备中主瓣朝向检测区域内定向天线的RSSI加权平均值的最大值与主瓣朝向检测区域外天线的RSSI加权平均值值的差值，得到每个读卡设备的差值列表；

对上述每个读卡器的差值列表中所有差值进行加权处理、平均值处理、滤波处理得到加权平均滤波值。

一种煤矿出入井唯一性检测方法包括：

通过读卡器的天线阵列对检测人员佩戴的定位设备发出的射频信号进行采集，读卡器获取该定位设备对应的RSSI值；其中读卡器设置在金属门内检测区域至少三个顶点位置；

通过处理器接收读卡器输出的RSSI值进行滤波计算处理，得到该定位设备的加权平均滤波值，并通过该加权平均滤波值判断位于金属门检测区域内的检测人员是否佩戴定位设备或者是否携带多个定位设备。

进一步的，所述滤波计算处理过程是：

计算每个读卡器获取的预设周期内该OBU的每路RSSI值的平均值，然后对n 路RSSI值进行加权处理得到每个读卡器对应的n路RSSI加权平均值；

计算每个读卡设备中主瓣朝向检测区域内定向天线的RSSI加权平均值的最大值与主瓣朝向检测区域外天线的RSSI加权平均值的差值，得到每个读卡设备的差值列表；

对上述每个读卡器的差值列表中所有差值进行加权处理、平均值处理、滤波处理得到加权平均滤波值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过金属门上定向天线设置，并结合滤波计算处理，检测金属门检测区域内的检测人员是否佩戴定位设备或者佩戴m个定位设备。

门限值也是在同一硬件设备中得到的，具有统一基准，使得检测更加准确。

为了提高精确度，可以在金属门上设置更多个读卡器。

通过实验测试和实际产品使用证明，本方法误判率低，识别速度快，检测设备的通道不需要特殊设计，不会对煤矿工人正常的出入井造成不便。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明数据处理流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明相关说明：

1、朝向金属门内指的是定位设备在金属门内时，同一读卡器中主瓣朝向金属门内的定向天线接收到的RSSI值大于主瓣朝向金属门检测区域外的定向天线接收的RSSI值。

2、定位设备能发出射频信号，读卡器通过定向天线读取定位设备发出的射频信号，获取相应的RSSI值。

3、读卡器指的是能通过n个通道中分别对应设置一个定向天线读取金属门检测区域内检测人员佩戴的定位设备发出的射频信号，获得射频信号对应的 RSSI值。

4、检测区域指的是位于金属门内的检测区域，该区域的可以是正方形、长方形等规则形状，在检测区域的至少三个顶点设置读卡器。

本发明设备包括：

设置于金属门内的读卡器，用于对应设置在金属门内检测区域至少三个顶点位置，通过读卡器的天线阵列对检测人员佩戴的定位设备发出的射频信号进行采集，读卡器获取该定位设备对应的RSSI值；

处理器，用于接收读卡器输出的RSSI值进行滤波计算处理，得到该定位设备的加权平均滤波值，并通过该加权平均滤波值判断位于金属门检测区域内的检测人员是否佩戴定位设备或者是否携带多个定位设备。

本发明装置工作过程中将定向天线按组安装在检测门不同的位置。这些安装位置的选择需要考虑检测人员佩戴定位设备的位置，检测人员在门外排队检测时与检测门的相对位置，以及检测人员在检测门内部进行检测时所站的位置。基本原则是，使每一组天线接收到信号强度RSSI值尽量能够正确反映定位设备所处的位置：当定位设备在检测门内时，每一组天线主瓣朝检测门内部的读卡器接收到的RSSI均大于该组朝检测门外的读卡器，反之亦然。

当检测人员触发检测时，检测门上的读卡器会接收到定位设备发送的信号帧，并获取相关的设备ID和RSSI值，这些信息被传输到处理器中进行处理，该处理器可能是嵌入式系统，或者工控机，或者服务器等有运算能力的设备。处理器会利用这些RSSI值，找出位于检测门内的卡ID，并交由别的模块进行使用。

1、读卡器设置方式：

1)在检测区域四个顶点中任意三个位置分别对应设置读卡器，或者与检测区域距离高度h的平面区域四个顶点中任意三个位置分别对应设置读卡器；

2)在检测区域四个顶点上分别对应设置读卡器，或者与检测区域距离高度h的平面区域四个顶点上分别对应设置读卡器；

3)为了提高精度，在检测区域中设置大于四个读卡器；其中检测区域四个顶点上必须分别对应设置读卡器；除此之外，金属门检测区域某一侧边(位于金属门上的边)上还可设置读卡器；或者与检测区域距离高度h的平面区域四个顶点上必须分别对应设置读卡器，除此之外，平面区域某一侧边(位于金属门上的边)上可设置任意数量的读卡器；

2、读卡器结构为：

每个读卡器定向天线阵列为n路定向天线，分别对应设置在读卡器n个通讯通道中，每个读卡器至少一个定向天线的主瓣朝向金属门检测区域内，其余定向天线的主瓣均朝向金属门检测区域外。

本方案的读卡器能够接受定位设备定时发送的数据帧，获取该定位设备的唯一ID，并获得其接收信号的信号强度RSSI值。每一个读卡器配备至少两个有向天线，当定位设备位于其主瓣方向时，读卡器接收到的RSSI值比较大，反之比较小。

因为现有技术中通过定向天线的设置以及定向天线采集后电磁波信号强度RSSI值的处理中因为电磁波信号强度RSSI受环境干扰影响很大，传播距离不同，人体遮挡或者多径等影响，都使得信号强度值RSSI不同，这会严重影响我们的最终判决。为了解决这个问题，我们将所有天线进行分组安装，得到天线阵列，每一组天线阵列至少有两个天线，其中至少有一个定向天线主瓣朝向金属门检测区域外，至少一个定向天线主瓣朝向金属门检测区域内，一组天线阵列的所有定向天线安装在相同的位置或者很接近的位置。这样的安装方式，使得在一组天线阵列内的读卡器接收到的信号强度受天线的朝向影响最大，从而弱化了距离，多径或者遮挡的影响，因为一组内的天线处在一个相似的电磁环境中，这样的一组RSSI值才能反映定位设备的位置。

例如：所述读卡器有3个通讯通道，每个通道分别对应设置一个定向天线，则有3路定向天线，设计定向天线的主瓣宽度为120度，将其中一个定向天线的主瓣方向指向金属门检测区域内，剩下的两个天线主瓣分别朝向金属门检测区域外，扇形带便是该通道上定向天线的波束，相当于在金属门检测区域内建立了一个与其它区域(金属门检测区域外)不同的电磁区域，为后续判断定位设备是否位于金属门检测区域内提供基础。当定位设备位于金属门检测区域内时，读卡器上主瓣朝向金属门检测区域内的定向天线接收的RSSI值大于主瓣朝向金属门检测区域外的两个定向天线接收的RSSI值。

例如，读卡器有4个通讯通道，每个通道分别对应设置一个定向天线，则有4路定向天线，设计定向天线主瓣宽度为90度，其中一个定向天线主瓣朝向与相邻两边夹角为45度，方向是朝向金属门检测区域内；其余三个定向天线主瓣方向依次夹角为90度。当定位设备位于金属门检测区域内时，读卡器上主瓣朝向金属门检测区域内的定向天线接收的RSSI值大于主瓣朝向金属门检测区域外的三个定向天线接收的RSSI值中最大值。

例如，读卡器有4个通讯通道，每个通道分别对应设置一个定向天线，则有4路定向天线，设计定向天线主瓣宽度为90度，其中两个定向天线主瓣朝向分别对应与相邻两边重合，并朝向金属门检测区域内；其余两个定向天线主瓣依次与上述两个定向天线朝向相反，朝向金属门检测区域外。当定位设备位于金属门检测区域内时，读卡器上主瓣朝向金属门检测区域内的两个定向天线接收的RSSI值最小值大于主瓣朝向金属门检测区域外的两个定向天线接收的 RSSI值中最大值。

例如，读卡器有6个通讯通道，每个通道分别对应设置一个定向天线，则有6路定向天线，设计定向天线主瓣宽度为60度，定向天线主瓣设置原则是：当定位设备位于金属门检测区域内时，读卡器上主瓣朝向金属门检测区域内的 m个定向天线接收的RSSI值最小值大于主瓣朝向金属门检测区域外的6-m个定向天线接收的RSSI值中最大值。

例如：读卡器有n个通讯通道，每个通道分别对应设置一个定向天线，则有n个定向天线，设计定向天线主瓣宽度为360/n度，定向天线主瓣设置原则是：当定位设备位于金属门检测区域内时，读卡器上主瓣朝向金属门检测区域内的m个定向天线接收的RSSI值最小值大于主瓣朝向金属门检测区域外的n-m 个定向天线接收的RSSI值中最大值。

其中，滤波计算处理中每个读卡器通过n路定向天线读取定位设备发送的射频信号，产生n路RSSI值，在一个周期内，n路RSSI值中每一路对应f次值；因此，读卡器将n*f次RSSI值依次发送给处理器进行数据处理。

3、判断位于金属门检测区域内的检测人员是否佩戴定位设备具体实施方式是：

步骤31：所有读卡器通道接收金属门检测区域附近的定位设备发送的信号，并获取对应的RSSI值，按照定位设备的ID号存储RSSI值；

步骤32：存储区域是否有定位设备数据的数据未处理，若有定位设备数据未处理，则取出一个定位设备的RSSI值数据，执行步骤33；否则，输出所有在金属门检测区域内的定位设备的ID，结束处理；

步骤33：取出一个定位设备的所有RSSI数据，对该定位设备的RSSI数据进行数据预处理，去除坏值点；

步骤34：计算每一个读卡器每个定向天线获取RSSI值的平均值；例如：在一个周期内，定位设备发送f＝50次RSSI值，则每一个读卡器的n路定向天线中，每一路定向天线分别接收50次RSSI值，则对着50次数据做平均值计算；

步骤35：对每一个读卡器每个定向天线的RSSI值平均值进行加权处理；加权原则是：RSSI数据值越大，则加权值越大；

步骤36：将经步骤35处理过的每一个读卡器中主瓣朝向金属门检测区域内的定向天线的RSSI值最大值减去主瓣朝向金属门检测区域外的定向天线的 RSSI值最大值，得到差值列表RSSI_DIFF_LIST；

步骤37：对差值列表RSSI_DIFF_LIST中的所有差值进行加权平均滤波处理，得到加权平均滤波值，加权原则是绝对值越大权值越大；

步骤38：将加权平均滤波值于门限值进行比较，当加权平均滤波值大于门限值时，则定位设备在金属门检测区域内；当加权平均滤波值小于等于门限值时，则定位设备在金属门检测区域外。

其中门限值获取过程1是：定位设备位于金属门检测区域外部时，根据滤波计算理方法处理得到的最大加权平均滤波值，即门限值。或者门限获取过程 2：根据经验值人为设定门限值。

4、判断金属门检测区域内检测人员是否佩戴m个定位设备指的是通过n 个定位设备对应的RSSI值处理后，得到对应加权平均滤波值判断；当检测人员位于检测区域时，存在m个加权平均滤波值大于门限值，则检测人员佩戴m 个定位设备；m小于等于n；具体是反复执行步骤31到步骤38，直到所有定位设备的RSSI值被处理完全。其中多个RSSI值存储时与定位设备的ID相对应存储。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种煤矿出入井唯一性检测装置，其特征在于包括：

设置于金属门内的读卡器，通过读卡器的天线阵列对检测人员佩戴的定位设备发出的射频信号进行采集，读卡器获取该定位设备对应的RSSI值；

处理器，用于接收读卡器输出的RSSI值进行滤波计算处理，得到该定位设备的加权平均滤波值，并通过该加权平均滤波值判断位于金属门检测区域内的检测人员是否佩戴定位设备或者是否携带m个定位设备。

2.根据权利要求1所述的一种煤矿出入井唯一性检测装置，其特征在于所述天线阵列包括n路定向天线，n路定向天线对应设置在每个读卡器的n通道中；其中每个天线阵列中至少一个定向天线主瓣朝向金属门检测区域内，其余定向天线主瓣朝向金属门检测区域外；读卡器通过n路定向天线获取该定位设备对应的n路RSSI值。

3.根据权利要求2所述的一种煤矿出入井唯一性检测装置，其特征在于定向天线安装在检测门不同的位置；其中安装位置的选择基本原则是：当定位设备在检测门内时，读卡器接收到每一组定向天线主瓣朝检测门内部的RSSI值均大于该天线阵列中其他定向天线主瓣朝检测门外RSSI值。

4.根据权利要求1所述的一种煤矿出入井唯一性检测装置，其特征在于判断定位设备位于金属门检测区域内指的是加权平均滤波值大于门限值。当加权平均滤波值小于等于门限值时，则该定位设备没有在金属门检测区域内。

5.根据权利要求1所述的一种煤矿出入井唯一性检测装置，其特征在于判断检测人员携带m个定位设备指的是通过对n个定位设备对应的RSSI值处理后，得到对应加权平均滤波值判断；当检测人员位于检测区域时，存在m个加权平均滤波值大于门限值，则检测人员佩戴m个定位设备；m小于等于n。

6.根据权利要求5所述的一种煤矿出入井唯一性检测装置，其特征在于在检测区域四个顶点上分别对应设置读卡器，或者与检测区域距离高度h的平面区域四个顶点上分别对应设置读卡器。

7.根据权利要求1至6之一所述的一种煤矿出入井唯一性检测装置，其特征在于滤波计算处理过程是：

计算每个读卡器获取的预设周期内该OBU的每路RSSI值的平均值，然后对n路RSSI值进行加权处理得到每个读卡器对应的n路RSSI加权平均值；

计算每个读卡设备中主瓣朝向检测区域内定向天线的RSSI加权平均值的最大值与主瓣朝向检测区域外天线的RSSI加权平均值值的差值，得到每个读卡设备的差值列表；

对上述每个读卡器的差值列表中所有差值进行加权处理、平均值处理、滤波处理得到加权平均滤波值。

8.基于权利要求7所述的一种煤矿出入井唯一性检测方法，其特征在于包括：

通过读卡器的天线阵列对检测人员佩戴的定位设备发出的射频信号进行采集，读卡器获取该定位设备对应的RSSI值；其中读卡器设置在金属门内检测区域至少三个顶点位置；

通过处理器接收读卡器输出的RSSI值进行滤波计算处理，得到该定位设备的加权平均滤波值，并通过该加权平均滤波值判断位于金属门检测区域内的检测人员是否佩戴定位设备或者是否携带多个定位设备。

9.根据权利要求8所述的一种煤矿出入井唯一性检测方法，其特征在于所述滤波计算处理过程是：

计算每个读卡器获取的预设周期内该OBU的每路RSSI值的平均值，然后对n路RSSI值进行加权处理得到每个读卡器对应的n路RSSI加权平均值；

计算每个读卡设备中主瓣朝向检测区域内定向天线的RSSI加权平均值的最大值与主瓣朝向检测区域外天线的RSSI加权平均值值的差值，得到每个读卡设备的差值列表；

对上述每个读卡器的差值列表中所有差值进行加权处理、平均值处理、滤波处理得到加权平均滤波值。