CN108769921A - 基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统及方法，属于人员定位技术领域，本发明要解决的技术问题为如何实现矿井的区域定位和精确定位，同时实现矿用传感器现有数据的采集以及实时获取当前环境参数和矿用传感器信息，采用的技术方案为：其结构包括地面网络系统和井下网络系统，地面网络系统通过光纤连接井下网络系统；井下网络系统包括井下网络交换机、传输分站、采集器、区域定位锚点、UWB定位锚点、LoRa终端设备、人员调度通信定位终端、传感器、监控设备和矿用本安移动电源，地面网络系统通过光纤连接井下网络交换机，井下网络交换机通过光纤连接传输分站。本发明还公开了一种基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位方法。
Description
技术领域
本发明涉及人员定位技术领域，具体地说是一种基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统及方法。
背景技术
矿井当前使用的井下人员定位系统普遍采用的是区域定位技术，定位精度根据采用的无线技术的不同几十米到几百米不等，因无法连续获知人员位置，使得矿井无法进行精细化人员管理工作，随着矿井高产、高效生产需求，井下精确定位需求越来越迫切，井下精确定位系统市场已经形成和发展。
定位采用的无线技术主要包括WIFI、Zigbee、RFID、UWB，算法上基本上都采用TW-TOA测距算法（两路时差法），常州煤科院的KJ69J矿用人员定位管理系统采用zigbee技术实现3米的定位精度，定位精度低，不能满足目前矿井下对人员定位的需求。而辽宁瑞华实业集团高新科技有限公司的KJ98矿井人员与设备管理系统采用WiFi技术实现30厘米的定位精度，定位精度较高但是成本相对较高。
专利号为CN202059580U的专利文献公开了一种井下定位UWB救援系统，包括UWB信号识别卡，通过信号传输系统与该UWB信号识别卡连通的基站，以及与该基站顺次连接的数据传输设备、工控机和显示屏。但是该技术方案中UWB定位标签和UWB定位基站的方式实现定位功能，系统要求两个相邻的基站的间距为50-100米，UWB定位分站部署数量过大，整体部署难度过大，整个系统部署造价太高。
专利号为CN206042382U的专利文献公开了隧道施工人员管理系统，包括由进入隧道人员携带的人员定位信息卡，人员定位信息卡上有RFID定位标签和UWB定位标签；安装在隧道洞内的多个定位基站，根据隧道的实际情况安装，定位基站内设有RFID接收模块和UWB接收模块，与人员定位信息卡上的RFID定位标签和UWB定位标签进行无线通信获取人员定位信息；服务器，通过有线或无线方式与定位基站连接，接收或处理定力基站传来的人员定位信息；第一显示装置，用于显示施工人员的相关信息。该技术方案中人员定位标识卡采用的RFID和UWB进行定位，并通过GSM模块进行实时信息通信，采用RFID实现考勤和路线记录，采用UWB实现精确定位技术，但是在矿井单独部署GSM基站的成本过高。
综上所述，目前矿井井人员定位存在如下问题：
（1）、当前矿井上采用的区域定位，定位仅限于分站附近的定位，无法获得分站与分站间人员的行进路线情况及停留；
（2）、当前采用UWB定位应用中，2D定位普遍采用2个UWB定位锚点，成本较高；
（3）、人员定位系统由于无法将定位信息发送给手持移动终端，无法实现导航功能；
（4）、如何实现矿用传感器现场数据采集工作；
（5）、当前调度室向现场发送调度信息普遍采用有线电话或有线广播进行送达，由于有线电话和有线广播的布置限制，无法达到很全面的覆盖；
（6）、如何简单快捷扩展到工作面的其他测距需求（如进尺测量）；
（7）、当前监控系统与人员定位、瓦斯监控等系统在井下部署时处于独立运行的状态，没法实现分站级的多系统融合；
（8）、当前手持移动终端设备在现场必须通过网络访问本地服务器才能获取现场环境参数和设备信息，在没有以太网、wifi、4G、3G等基于IP的网络时，没有办法获取实时的监控信息，如何实时获取当前环境参数和矿用传感器信息；
（9）、如何实现特定区域的电子围栏警告、报警功能。
发明内容
本发明的技术任务是提供一种基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统及方法，来解决如何实现矿井的区域定位和精确定位，同时实现矿用传感器现有数据的采集以及实时获取当前环境参数和矿用传感器信息的问题。
本发明的技术任务是按以下方式实现的，基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，包括地面网络系统和井下网络系统，地面网络系统通过光纤连接井下网络系统；井下网络系统包括井下网络交换机、传输分站、采集器、区域定位锚点、UWB定位锚点、LoRa终端设备、人员调度通信定位终端、传感器、监控设备和矿用本安移动电源，地面网络系统通过光纤连接井下网络交换机，井下网络交换机通过光纤连接传输分站；传感器（传感器为现场部署的用于检测瓦斯、风速、氧气的传感器）通过CAN总线和485总线连接传输分站，实现数据采集；监控设备通过CAN总线和485总线连接传输分站，实现数据采集和远程控制；传输分站通过CAN总线连接采集器；LoRa终端设备（LoRa终端设备是经过LoRa无线改造的传感器和监控设备）通过LoRa连接传输分站和采集器的LoRa网络，实现数据采集和控制；采集器通过LoRa连接人员调度通信定位终端；区域定位锚点通过2.4G RFID连接人员调度通信定位终端，区域定位锚点是利用2.4G RFID标签制作而成的区域定位锚点，放置在标准坐标位置上，并通过2.4G RFID周期性发送区域位置信息报文，为人员调度通信定位终端提供区域定位信息；UWB定位锚点通过UWB连接人员调度通信定位终端，矿用本安移动电源为UWB定位锚点供电，UWB定位锚点中的UWB模块采用间歇式工作方式，每次休眠间歇时间为500ms，有助于延长矿用本安移动电源的连续供电时间，同时保证了定位精度的需求。
作为优选，所述传输分站包括分站主控制器、分站副控制器、分站2.4G RFID模块、分站485收发器、分站以太网模块、分站CAN收发器一、分站CAN收发器二、分站语音合成模块、分站显示器、分站Flash存储模块、分站RTC备用电源、分站电源模块、分站LED大屏以及七个分站LoRa模块；
分站主控制器分别通过分站串口连接分站副控制器、分站2.4G RFID模块、分站LED大屏和分站语音合成模块；分站语音合成模块包括分站语音合成芯片、分站功放芯片和分站喇叭，分站主控制器通过分站串口连接分站语音合成芯片，分站语音合成芯片电连接分站功放芯片，分站功放芯片电连接分站喇叭；
分站主控制器通过分站485总线连接分站485收发器，分站485收发器引出分站485总线接口，分站485总线接口用于接入分站485总线的监控网络中，接收分站485收发器下的各种传感器的信息；
分站主控制器分别通过分站SPI连接分站以太网模块、分站显示器和分站Flash存储模块；分站以太网模块引出分站RJ45网口，分站RJ45网口通过双绞线连接井下网络交换机使其接入工业环网；
分站主控制器分别通过分站CAN总线连接分站CAN收发器一和分站CAN收发器二，分站CAN收发器一引出分站CAN总线接口一，分站CAN总线接口一接入分站CAN总线的监控网络中，接收分站CAN收发器一下的各种传感器信息；分站CAN收发器二引出分站CAN总线接口二，分站CAN总线接口二用于接入分站CAN总线，通过点对点连接的方式连接采集器，实现LoRa无线覆盖范围的增加；
分站副控制器通过分站串口分别连接七个分站LoRa模块，分站LoRa模块和分站2.4GRFID模块上均设置有分站天线；七个分站LoRa模块分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力，搭建LoRa无线传感网络，接收人员调度通信定位终端发送的区域定位信息和精确定位信息；
分站主控制器连接分站RTC备用电源，分站RTC备用电源用于保证传输分站的实时时钟持续运行；分站电源模块分别电连接分站主控制器、分站副控制器、分站2.4G RFID模块、分站485收发器、分站以太网模块、分站CAN收发器一、分站CAN收发器二、分站语音合成模块、分站显示器、分站LED大屏和分站LoRa模块为其供电，传输分站实现了分站级的矿井安全监控系统融合、同时实现了定位、LoRa无线传感网络与现有有线监控系统的井下融合需求。
作为优选，所述采集器包括采集主控制器、采集副控制器、采集CAN收发器一、采集CAN收发器二、采集电源模块、采集Flash存储模块和七个采集LoRa模块；
采集主控制器通过采集串口连接采集副控制器；
采集主控制器通过采集CAN总线分别连接采集CAN收发器一和采集CAN收发器二，采集CAN收发器一引出采集CAN总线接口一，采集CAN总线接口一接入采集CAN总线的监控网络中，接收采集CAN收发器一下的各种传感器信息；采集CAN收发器二引出采集CAN总线接口二，采集CAN总线接口二用于接入采集CAN总线，通过点对点连接的方式连接采集器，实现LoRa无线覆盖范围的增加；
采集主控制器通过采集SPI连接采集Flash存储模块，采集Flash存储模块用于存储定位信息和系统命令；
采集副控制器通过采集串口分别连接七个采集LoRa模块，七个采集LoRa模块分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力，搭建LoRa无线传感网络，接收人员调度通信定位终端发送的区域定位信息和精确定位信息，采集LoRa模块上设置有采集天线；
采集电源模块分别电连接采集主控制器、采集副控制器、采集LoRa模块、采集CAN收发器一和采集CAN收发器二为其供电；采集器内部集成2路CAN口，并集成LoRa数据采集功能，即实现了CAN数据上下缓冲转发的工作，又可将LoRa无线采集的数据进行上传，有效增加了传输分站LoRa无线网络的覆盖范围。
作为优选，所述人员调度通信定位终端包括电路板，电路板上安装有定位主控制器、定位LoRa模块、定位2.4G RFID模块、定位UWB模块、定位蓝牙模块、三轴加速度传感器、定位TTS语音合成模块、定位指示灯、定位功能按键、定位报警按键、定位OLED屏幕、定位RTC备用电源、定位供电模块和定位EEPRPOM，定位主控制器分别通过定位串口连接定位LoRa模块、定位2.4G RFID模块、定位UWB模块、定位蓝牙模块和定位TTS语音合成模块，定位主控制器分别通过定位I2C总线连接三轴加速度传感器和定位EEPROM；定位主控制器通过定位GPIO分别连接定位功能按键、定位报警按键和定位指示灯；定位主控制器通过定位SPI总线连接定位OLED屏幕；定位主控制器通过定位VBAT引脚连接定位RTC备用电源；定位供电模块包括定位电源和定位电源管理模块，定位电源电连接定位电源管理模块，定位电源管理模块分别电连接定位主控制器、定位LoRa模块、定位2.4G RFID模块、定位UWB模块、定位蓝牙模块、三轴加速度传感器、定位TTS语音合成模块、定位指示灯和定位OLED屏幕。
作为优选，所述矿用本安移动电源包括2.4G RFID数据采集终端、三通接头、电源自动切换机构、移动电源一和移动电源二，电源自动切换机构设置在三通接头内，移动电源一和移动电源二上均设置有电量显示模块；2.4G RFID数据采集终端连接移动电源一或移动电源二，移动电源一或移动电源二通过电源自动切换机构为UWB定位锚点不间断供电；
电量显示模块包括充放电保护板、轻触开关、电源用主控制器、电源用射频模块、数码管和航空插头母座，移动电源一和移动电源二上均设置有充放电保护板，移动电源一或移动电源二通过对应的充放电保护板输出两路：一路通过轻触开关分别电连接电源用主控制器和电源用射频模块为其供电，另一路电连接航空插头母座，航空插头母座用于电连接UWB定位锚点；
电源用主控制器分别电连接并控制电源用射频模块和数码管，电源用主控制器用于通过测量内部Bandgap电压，反推出电池电压再通过查表法得出移动电源一或移动电源二电量的百分比并通过数码管显示出来，数码管采用188两位半数码管，数码管的显示从00到100；
电源自动切换机构包括拉簧、基板、推拉式电磁铁、连杆、驱动板、棘轮、棘爪一和棘爪二，移动电源一和移动电源二分别电连接推拉式电磁铁且移动电源一和移动电源二之间的压差驱动推拉式电磁铁动作，连杆一端通过销轴铰接推拉式电磁铁，连杆另一端通过销轴铰接连接驱动板的一侧处，棘轮通过棘轮轴连接驱动板中间位置且棘轮靠近驱动板的一侧设置有四个圆周排列的垫块，驱动板上对应设置有通孔，通孔与垫块一一对应设置；棘轮轴贯通基板、棘轮和驱动板；
棘轮的边缘处设置有四个棘轮槽，相对设置的两个棘轮槽为一组，移动电源一通过电线连通棘爪一，移动电源二通过电线连通棘爪二，棘轮轴处的输出接口连通其中一组棘轮槽，棘爪一和棘爪二对应设置在两相邻的棘轮槽的位置；
拉簧一端固定在驱动板的一侧处，拉簧另一端固定在基板上，棘爪一和棘爪二分别通过安装座一和安装座二固定在基板上。
作为优选，所述地面网络系统包括私有云服务器、本地服务器、广域网云服务器和地面网络交换机，私有云服务器通过互联网连接本地服务器，本地服务器通过互联网连接广域网云服务器，本地服务器通过光纤连接地面网络交换，地面网络交换机通过光纤连接井下网络交换机。
更优地，所述本地服务器包括数据采集服务单元和人员定位单元；
数据采集服务单元用于接收各分站发送的数据并下发来自上层应用平台发送的命令，主要功能包括数据接收服务、指令上传服务、指令上传服务、局域网数据订阅服务、数据云存储以及远程设置；
人员定位单元基于GIS的人员位置显示，用于实现进行存储、报警、显示、打印、查询的功能，主要功能包括矿井平面图管理、人员基本信息管理、发卡管理、设备安装管理、地图监控、人员统计管理、下井考勤管理、报警信息以及安全隐患分析。
更优地，所述私有云服务器包括云平台数据存储单元和远程监控平台；
云平台数据存储单元用于实现人员定位信息的云端数据存储、分析功能，并提供远程监控平台数据访问，主要功能包括：互联网数据订阅服务、云平台存储服务、协议枚举量解释服务以及数据权限认证服务；
远程监控平台用于提供基于web和手持终端APP两种形式的远程监控服务，主要功能包括矿井平面图管理、WebGIS监控页面、订阅对象基本信息维护（订阅定向采用可阅读化管理）以及APP的地图监控页面。
基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位方法，具体如下：
S1、实现区域定位和精确定位相融合的功能，具体步骤如下：
S101、携带人员调度通信定位终端的工作人员在行进过程中遇到传输分站时，人员调度通信定位终端中内置的定位2.4G RFID模块会接收到传输分站中内置的分站2.4G RFID模块发送的时间同步握手信息，人员调度通信定位终端会根据随机数发生器产生的一个随机数字（一个字节的随机码），将随机数字乘三之后得出发送定位信息的时间坐标，按照时间坐标发送定位信息，传输分站收到定位信息后完成一次定位；
S102、人员调度通信定位终端内置的定位2.4G RFID模块接收区域定位锚点周期发送的握手信息，在第一次遇到区域定位锚点时记录时间，形成一条区域定位信息存储到人员调度通信定位终端的数据上传缓冲区中，并在离开区域定位锚点区域时，记录离开的时间，并记录最后一次接收到区域定位锚点握手信息的时间作为区域定位信息的时间放入人员调度通信定位终端的数据上传缓冲区中；数据上传缓冲区的区域定位信息会在LoRa网络覆盖的区域将区域定位信息逐条上传给传输分站或采集器，通过一种离散的定位路径来还原人员行进路径情况，以便履职检查等其他工作；
S103、携带人员调度通信定位终端的工作人员在行进过程中遇到UWB定位锚点时，人员调度通信定位终端内部的定位UWB模块会与UWB定位锚点建立通信并在人人员调度通信定位终端中计算出与UWB定位锚点的距离后形成精确定位信息放入数据上传缓冲区中，通过LoRa将精确定位信息发送给传输分站或采集器；
S104、采集器在接收到通过LoRa无线发送的区域定位信息和精确定位信息后，会通过采集CAN总线传输给上级采集器或传输分站，传输分站接收到区域定位信息和精确定位信息会通过工业环网上传到本地服务器中，数据采集服务单元会对数据进行存储和转发，同时人员定位单元会进行相关定位信息处理，并上传到私有云服务器和广域网云服务器；
S2、实现导航的功能，具体步骤如下：
S201、手持移动终端内置导航应用软件，会在地面或井下的无线以太网覆盖的地方下载或更新导航及定位数据库，并通过蓝牙模块与人员调度通信定位终端建立连接；
S202、携带人员调度通信定位终端和手持移动终端的工作人员行动中遇到区域定位锚点和UWB定位锚点时，人员调度通信定位终端产生区域定位信息和精确定位信息后，会通过人员调度通信定位终端内置的定位蓝牙模块发送给手持移动终端，手持移动终端中的导航APP会根据定位数据库中的定位信息，确定人员当前位置，进而实现导航功能；
S3、实现现场获取当前区域的环境参数和设备信息的功能，具体步骤如下：
S301、传输分站接收区域内的环境参数和设备信息并存储到数据上传缓冲区中，具体包括：周期性通过分站485总线接口发送巡检命令，分站485总线挂载的设备在一定时间（5秒）内将数据信息上传给传输分站；通过分站CAN总线接口一接收分站CAN总线上挂载的设备发送的监控数据；通过传输分站和采集器搭建的LoRa网络采集区域中的LoRa终端设备的数据，采集器采集的LoRa终端设备通过CAN经分站CAN总线接口二上传给传输分站；
S302、工作人员通过操作手持移动终端的蓝牙模块向人员调度通信定位终端发送索要区域的环境参数和设备信息命令，人员调度通信定位终端通过LoRa转发后，传输分站或采集器会收到后会将数据上传缓冲区中的环境参数和设备信息通过LoRa发送给人员调度通信定位终端，人员调度通信定位终端通过定位蓝牙模块转发给手持移动终端，手持移动终端在应用软件上获取并显示当前区域的环境参数和设备信息；
S4、实现窄带网络下的广播和寻呼的功能，具体步骤如下：
S401、本地服务器的工作人员通过人员定位单元向井下发送广播和寻呼信息，数据采集服务单元通过工业环网发送给传输分站，传输分站通过分站CAN总线转发给采集器，传输分站和采集器分别通过分站LoRa模块和采集LoRa模块向人员调度通信定位终端发送广播和寻呼信息；
S402、人员调度通信定位终端内置定位TTS语音合成模块，定位TTS语音合成模块将文字转换成语音播放出来，在窄带网络中轻松实现广播和寻呼的传输；
S5、传感器设备、车辆移动设备及采煤机设备的位置定位，具体步骤如下：为传感器设备、车辆移动设备及采煤机设备分别分配一个人员调度通信定位终端，通过设置产品类型将人员调度通信定位终端标示为相关设备，通过周期性与UWB定位锚点测量距离，并通过LoRa将精确定位信息发送给传输分站或采集器，传输分站通过工业环网将精确定位信息发送给本地服务器，实现传感器设备、车辆移动设备及采煤机设备在部署有UWB定位锚点的精确定位区域的位置定位；
S6、实现分站级多系统融合的功能，具体如下：
S601、传输分站中分站485总线接口接入分站485总线的监控网络中，接收分站485总线下的传感器信息；
S602、分站CAN总线接口一接收分站CAN总线上挂载的设备发送的监控数据；
S603、分站CAN总线接口二通过一对一连接的方式与采集器相连，接收采集器采集的LoRa无线网络数据；
S604、分站2.4G RFID模块通过采集人员调度通信定位终端的信息实现定位功能；
S605、分站LoRa模块搭建LoRa无线传感网络，用于接收人员调度通信定位终端发送的区域定位信息和精确定位信息；
S606、分站以太网模块通过工业环网与本地服务器建立通信，进行数据的上传和下载服务；
S607、通过这5个通信接口实现区域信息的获取和与服务器的数据交互服务，实现定位和LoRa无线传输与有线监控网络的分站级融合和数据上传，将现有的采用不同的通信协议的通风、瓦斯、顶板压力、锚杆拉力的传感器经LoRa变送器改造后，通过LoRa无线网络接入到传输分站中，传输分站可以采集区域内所有的传感设备信息；
S608、传输分站通过485、CAN以及LoRa网络接收区域内所有的环境参数数据和设备参数信息，再通过传输分站内部的嵌入式应用人间综合分析之后给出预警信息，并通过工业环网上传经过初步分析处理的数据，减少了数据上传的冗余度，在一定程度上增加了本地服务器的处理效率；传输分站采用CAN、485总线技术以及2.4G RFID、UWB和LoRa无线技术初步实现人员定位、有线监控和无线传输在分站级的多系统融合，并结合分站内的基于边缘计算的预警功能，实现分站级的智能预警控制；
S7、实现电子围栏的功能，具体如下：
在电子围栏上采用双UWB定位锚点的布置方式，两个UWB定位锚点相隔2米，保证电子围栏的稳定性和精确度，当人员靠近危险区域时，人员调度通信定位终端能够同时搜到两个UWB定位锚点信息，并通过计算两个UWB定位锚点的距离，得出人员的行进方向：
①、若接近危险区域，则立即发出预警（语音报警加通过LoRa上传报警信息）；
②、若远离危险区域，则解除报警（语音说明加通过LoRa上传解除报警信息）。
作为优选，所述步骤S103和步骤S202中的UWB定位锚点以及步骤S102与步骤S202中的区域定位锚点均采用单锚点定位线性空间下位置算法，具体步骤如下：
为了实现在巷道中连续精确定位，需要随时获取人员调度通信定位终端当前地点坐标，引入坐标和加速度（加速度可只要求方向）的概念，通过对区域和精确定位信息的分析得出人员调度通信定位终端实时的地点坐标；
（1）、引入坐标系和加速度，具体如下：
矿井矿图采用大地坐标系，坐标系采用大地坐标系，方便在矿图上直接进行标注；在部署区域定位锚点和UWB定位锚点时，按照规划好的坐标进行布置，并将区域定位锚点和UWB定位锚点的坐标情况在矿图和数据库中存储；
加速度描述物体速度变化快慢的物理量，加速度是矢量，它的方向是物体速度变化的方向，采用加速度矢量特性且着重利用加速度在物体速度变化方向的特点；
（2）、携带人员调度通信定位终端的工作人员行进过程中遇到区域定位锚点后，获取区域定位锚点的ID信息：
①、若有LoRa信息覆盖，则通过LoRa上传区域定位信息；
②、若无LoRa信息覆盖，则存储到本地服务器中，到覆盖区域时再上传区域定位信息；
（3）、上传区域定位信息后，传输分站通过工业环网上传给本地服务器，人员定位单元中定位组件通过匹配数据库中相对应的区域定位锚点坐标，获知坐标信息，并在获取第二个区域定位坐标信息后，对比两次坐标值，得出X、Y的差值，从而得出行进方向，进而判定出入井、重点区域进出以及岔路口的行进方向；
另，若工作人员携带手持移动终端，则人员调度通信定位终端会通过定位蓝牙模块发送给手持移动终端，手持移动终端会匹配数据库中相对应的区域定位锚点坐标，经过对比后判定行进方向；
（4）、根据前方区域定位区域已知的行进方向后，通过人员携带人员调度通信定位终端对工作人员进行精确区域定位，获取UWB定位锚点ID和距离信息（精确定位信息），通过LoRa上传给采集器或传输分站，传输分站通过工业环网上传到本地服务器，人员定位单元的定位组件通过匹配数据库中的UWB定位锚点ID的值坐标信息，结合上一时段的坐标信息，判定当前坐标位于锚点前或后，并判定行进方向；
（5）、人员调度通信定位终端继续前进，经过UWB定位锚点后则坐标变更为锚点后或前，依次前进，从而实现线性空间下单锚点的精确定位功能；
另，若工作人员携带手持移动终端，则人员调度通信定位终端会通过定位蓝牙模块发送给手持移动终端，手持移动终端会匹配数据库中相对应的UWB定位锚点坐标，经过对比后判定行进方向。
本发明的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统及方法与现有技术相比具有以下优点：
（一）、本发明采用2.4GHz RFID和UWB两种定位技术实现区域定位和精确定位，并通过LoRa实现数据上传下达工作；
（二）、通过部署区域定位锚点，利用离散划线的方式，轻松还原人员行进路线，满足履职工作的需要。实现了采煤面、掘进头等主要生产区域的精确人员定位；
（三）、通过采用单锚点定位线性空间下位置算法之后，只需要1个UWB定位锚点就可以实现在线性巷道空间下的连续精确定位，实现了大巷、上下山等人员流动区域的低投入的区域定位；
（四）、通过增加低功耗蓝牙模块，配合井下手持移动终端，实现了井下导航功能，并可以实现短信息通信功能；
（五）、随着智慧矿山、减人增效等新型采煤需求的提出，对设备的位置精确监控提出了要求，通过给相关设备分配一个人员调度通信定位终端之后，就可以实现设备的位置定位，可进一步扩展到工作面的其他测距需求（如进尺测量）；
（六）、搭建了LoRa无线传输网络，并利用TTS文本语音合成技术，通过文字传输即可实现广播信息的发送，可以有效补充现有有线电话和有线广播，可将各种传感器数据通过LoRa上传，实现矿用传感器现场数据采集工作；
（七）、在井上人员定位GIS系统上划定电子围栏，之后形成电子围栏信息存储到人员调度通信定位终端中，待到达电子围栏区域会进行报警，实现了特定区域的电子围栏警告、报警功能；
（八）、通过传输分站中的LoRa以及采集器增加的LoRa无线覆盖，搭建了一个传输网络，借助于人员调度通信定位终端上的蓝牙和LoRa模块，成功与手持终端建立网络连接，现场直接获取环境参数和设备信息，即手持移动终端配合人员调度通信定位终端的LoRa通信实时获取当前环境参数和设备信息，在没有以太网、wifi、4G、3G等基于IP的网络时，没有办法获取实时的监控信息，本发明通过采集器的LoRa无线覆盖，搭建了一个传输网络，借助于人员调度通信定位终端上的蓝牙和LoRa模块，成功与手持终端建立网络连接，现场直接获取环境参数和设备信息；
（九）、通过传输分站上的485和CAN总线接口以及传输分站和采集器的LoRa网络采集区域内人员定位、环境参数和设备信息，实现分站级多系统融合；
（十）、本发明在实现区域和精确融合定位的同时，通过井下手持移动终端，实现基于LoRa窄带网络的井下导航和短消息通信功能；通过采用单锚点定位线性空间下位置算法将UWB定位锚点数量减少一半，减少了设备的部署投入；
（十一）、本发明采用了CAN（控制器局域网）总线、485总线、2.4G RFID无线射频、LoRa无线传输和工业环网及互联网组成多层异构网络，实现了分站级的矿井监控系统融合，实现了人员定位、LoRa无线传感网络与现有有线监控系统的井下融合。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
附图1为基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统的结构框图；
附图2为附图1中传输分站的结构框图；
附图3为附图1中采集器的结构框图；
附图4为人员调度通信定位终端的结构框图；
附图5为矿用本安移动电源的结构框图；
附图6为电源显示模块的电路框图；
附图7为电源自动切换机构的结构示意图；
附图8为附图7不带基板的另一角度的结构示意图；
附图9为附图8中棘轮的结构示意图；
附图10为区域定位锚点方向判定的示意图；
附图11为UWB定位锚点方向判定的示意图。
附图1中：1、井下网络交换机，2、传输分站，3、采集器，4、区域定位锚点，5、UWB定位锚点，6、LoRa终端设备，7、人员调度通信定位终端，8、矿用本安移动电源，9、监控设备，10、传感器，11、私有云服务器，11-1、云平台数据存储单元，11-2、远程监控平台，12、本地服务器，12-1，数据采集服务单元，12-2、人员定位单元，13、广域网云服务器，14、地面网络交换机；
附图2中：2-1、分站主控制器，2-2、分站副控制器，2-3、分站2.4G RFID模块，2-4、分站485收发器，2-5、分站以太网模块，2-6、分站CAN收发器一，2-7、分站CAN收发器二，2-8、分站语音合成模块，2-8-1、分站语音合成芯片，2-8-2、分站功放芯片，2-8-3、分站喇叭，2-9、分站显示器，2-10、分站Flash存储模块，2-11、分站LoRa模块，2-12、分站串口，2-13、分站SPI，2-14、分站CAN总线，2-15、分站485总线接口，2-16、分站RJ45网口，2-17、分站CAN总线接口一，2-18、分站CAN总线接口二，2-19、分站天线，2-20、分站RTC备用电源，2-21、分站电源模块，2-22、分站LED大屏，2-23、分站485总线；
附图3中：3-1、采集主控制器，3-2、采集副控制器，3-3、采集CAN收发器一，3-4、采集CAN收发器二，3-5、采集Flash存储模块，3-6、采集CAN总线，3-7、采集LoRa模块，3-8、采集串口，3-9、采集CAN总线接口一，3-10、采集CAN总线接口二，3-11、采集SPI，3-12、采集电源模块，3-13、采集天线；
附图4中：7-1、定位VBAT引脚，7-2、定位主控制器，7-3、定位LoRa模块，7-4、定位2.4GRFID模块，7-5、定位UWB模块，7-6、定位蓝牙模块，7-7、三轴加速度传感器，7-8、定位TTS语音合成模块，7-8-1、定位语音合成芯片，7-8-2、定位功放芯片，7-8-3、定位喇叭，7-9、定位EEPRPOM，7-10、定位指示灯，7-11、定位天线，7-12、定位电源，7-13、定位RTC备用电源，7-14、定位OLED屏幕，7-15、定位电源管理模块，7-16、定位串口，7-17、定位GPIO，7-18、定位I2C总线, 7-19、定位SPI总线，7-20、定位报警按键，7-21、定位功能按键；
附图5到附图9中，8-1、2.4G RFID数据采集终端，8-2、三通接头，8-3、电源自动切换机构，8-3-1、基板，8-3-2、推拉式电磁铁，8-3-3、连杆，8-3-4、驱动板，8-3-5、棘轮，8-3-6、棘爪一，8-3-7、棘爪二，8-3-8、销轴，8-3-9、棘轮轴，8-3-10、垫块，8-3-11、通孔，8-3-12、棘轮槽，8-3-13、拉簧，8-3-14、安装座一，8-3-15、安装座二，8-4、移动电源一，8-5、移动电源二，8-6、航空插头母座，8-7、充放电保护板，8-8、轻触开关，8-9、电源用主控制器，8-10、电源用射频模块，8-11、数码管。
具体实施方式
参照说明书附图和具体实施例对本发明的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统及方法作以下详细地说明。
实施例1：
如附图1所示，本发明的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，其结构包括地面网络系统和井下网络系统，地面网络系统通过光纤连接井下网络系统；井下网络系统包括井下网络交换机1、传输分站2、采集器3、区域定位锚点4、UWB定位锚点5、LoRa终端设备6、人员调度通信定位终端7、传感器10、监控设备9和矿用本安移动电源8，地面网络系统通过光纤连接井下网络交换机1，井下网络交换机1通过光纤连接传输分站2；传感器10（传感器为现场部署的用于检测瓦斯、风速、氧气的传感器）通过CAN总线和485总线连接传输分站2，实现数据采集；监控设备9通过CAN总线和485总线连接传输分站2，实现数据采集和远程控制；传输分站2通过CAN总线连接采集器3；LoRa终端设备6（LoRa终端设备6是经过LoRa无线改造的传感器和监控设备）通过LoRa连接传输分站2和采集器3的LoRa网络，实现数据采集和控制；采集器3通过LoRa连接人员调度通信定位终端7；区域定位锚点5通过2.4GRFID连接人员调度通信定位终端7，区域定位锚点5是利用2.4G RFID标签制作而成的区域定位锚点5，放置在标准坐标位置上，并通过2.4G RFID周期性发送区域位置信息报文，为人员调度通信定位终端7提供区域定位信息；UWB定位锚点5通过UWB连接人员调度通信定位终端7，矿用本安移动电源8为UWB定位锚点5供电，UWB定位锚点5中的UWB模块采用间歇式工作方式，每次休眠间歇时间为500ms，有助于延长矿用本安移动电源8的连续供电时间，同时保证了定位精度的需求。
地面网络系统包括私有云服务器11、本地服务器12、广域网云服务器13和地面网络交换机14，私有云服务器11通过互联网连接本地服务器12，本地服务器12通过互联网连接广域网云服务器13，本地服务器12通过光纤连接地面网络交换14，地面网络交换机14通过光纤连接井下网络交换机1。
本地服务器12包括数据采集服务单元12-1和人员定位单元12-2；数据采集服务单元12-1用于接收各分站发送的数据并下发来自上层应用平台发送的命令，主要功能包括数据接收服务（提供传输分站访问的Web Service服务，通过服务访问主动将汇集到传输分站上的数据发送到服务器，由数据订阅服务进一步对数据做分发处理）、指令上传服务（设计标准的针对“物（指传感器、设备等）”的指令交换格式，传输分站访问通过Web Service服务访问指令栈，将指令下发到区域内的采集器）、指令上传服务（针对传输分站之间的信息交换指令，调度室以及其他有权限的终端下达的指令信息，需要通过数据采集服务器转发，传输分站访问指令上传的Web Service服务，将指令存储到指令栈）、局域网数据订阅服务（以物联网为核心理念，打破了传统的系统的概念（如安全监控系统、通风监控系统），数据都是属于“物”的时空4维数据，为了管理和分析需要，这些“物”可以被逻辑上划分到各种系统，且允许一个“物”逻辑上属于一个以上的系统，各系统通过订阅设置和访问局域网数据订阅服务获取所需要的数据）、数据云存储（通过数据接收服务获得物联网中“物”的相关信息后，按照预先定义的依照“物”的分类或服务厂商提供的云存储位置，访问指定的云存储服务，实现数据的分布式云存储）以及远程设置（通过远程访问，设置所有数据采集涉及到的运行参数、权限设置、数据订阅和云存储位置等基础信息设置）；人员定位单元12-2基于GIS的人员位置显示，用于实现进行存储、报警、显示、打印、查询的功能，主要功能包括矿井平面图管理、人员基本信息管理、发卡管理、设备安装管理、地图监控、人员统计管理、下井考勤管理、报警信息以及安全隐患分析。
私有云服务器11包括云平台数据存储单元11-1和远程监控平台11-2；云平台数据存储单元11-1用于实现人员定位信息的云端数据存储、分析功能，并提供远程监控平台数据访问，主要功能包括：互联网数据订阅服务、云平台存储服务、协议枚举量解释服务以及数据权限认证服务；远程监控平台12-2用于提供基于web和手持终端APP两种形式的远程监控服务，主要功能包括矿井平面图管理、WebGIS监控页面（在页面上显示人员定位单元的状态、区域数据统计，并实现预警操作）、订阅对象基本信息维护（订阅定向采用可阅读化管理）以及APP的地图监控页面（在页面上显示人员定位单元的状态、区域数据统计，并实现预警操作）。
如附图2所示，传输分站2包括分站主控制器2-1、分站副控制器2-2、分站2.4GRFID模块2-3、分站485收发器2-4、分站以太网模块2-5、分站CAN收发器一2-6、分站CAN收发器二2-7、分站语音合成模块2-8、分站显示器2-9、分站Flash存储模块2-10、分站RTC备用电源2-20、分站电源模块2-21、分站LED大屏2-22以及七个分站LoRa模块2-11；分站主控制器2-1分别通过分站串口2-12连接分站副控制器2-2、分站2.4G RFID模块2-3、分站LED大屏2-22和分站语音合成模块2-8；分站语音合成模块2-8包括分站语音合成芯片2-8-1、分站功放芯片2-8-2和分站喇叭2-8-3，分站主控制器2-1通过分站串口2-12连接分站语音合成芯片2-8-1，分站语音合成芯片2-8-1电连接分站功放芯片2-8-2，分站功放芯片2-8-2电连接分站喇叭2-8-3；分站主控制器2-1通过分站485总线2-23连接分站485收发器2-4，分站485收发器2-4引出分站485总线接口2-15，分站485总线接口2-15用于接入分站485总线2-4的监控网络中，接收分站485收发器2-4下的各种传感器10的信息；分站主控制器2-1分别通过分站SPI2-13连接分站以太网模块2-5、分站显示器2-9和分站Flash存储模块2-10；分站以太网模块2-5引出分站RJ45网口2-16，分站RJ45网口2-16通过双绞线连接井下网络交换机1使其接入工业环网；分站主控制器2-1分别通过分站CAN总线2-14连接分站CAN收发器一2-6和分站CAN收发器二2-7，分站CAN收发器一2-6引出分站CAN总线接口一2-17，分站CAN总线接口一2-17接入分站CAN总线2-14的监控网络中，接收分站CAN收发器一2-6下的各种传感器10信息；分站CAN收发器二2-7引出分站CAN总线接口二2-18，分站CAN总线接口二2-18用于接入分站CAN总线2-14，通过点对点连接的方式连接采集器3，实现LoRa无线覆盖范围的增加；分站副控制器2-2通过分站串口2-12分别连接七个分站LoRa模块2-11，分站LoRa模块2-11和分站2.4G RFID模块2-3上均安装有分站天线2-19；七个分站LoRa模块2-11分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力，搭建LoRa无线传感网络，接收人员调度通信定位终端7发送的区域定位信息和精确定位信息；分站主控制器2-1连接分站RTC备用电源2-20，分站RTC备用电源2-20用于保证传输分站的实时时钟持续运行；分站电源模块2-21分别电连接分站主控制器2-1、分站副控制器2-2、分站2.4G RFID模块2-3、分站485收发器2-4、分站以太网模块2-5、分站CAN收发器一2-6、分站CAN收发器二2-7、分站语音合成模块2-8、分站显示器2-9、分站LED大屏2-22和分站LoRa模块2-11为其供电，传输分站2实现了分站级的矿井安全监控系统融合、同时实现了定位、LoRa无线传感网络与现有有线监控系统的井下融合需求。
其中，分站主控制器2-1和分站副控制器2-2均采用STM32F407ZET6芯片，分站LoRa模块2-11采用成都忆佰特的E32-TTL-100 LoRa芯片，分站2.4G RFID模块2-3采用带功放的读头芯片，分站以太网模块2-5采用有硬件协议栈的W5500芯片， 分站CAN收发器一2-6和分站CAN收发器二2-7均采用金升阳的TD321DCANH芯片，分站485收发器2-4选择金升阳的TD321D485芯片，分站显示器2-9采用3.5寸LCD屏幕，分站语音合成芯片2-8-1采用科大讯飞的XFS3031CNP 中文语音合成芯片，分站功放芯片2-8-2采用LM4990芯片，分站Flash存储模块2-10采用容量为128MB的W25Q128BV芯片，分站RTC备用电源2-20将采用CR2032纽扣电池，分站电源模块2-21采用LDO芯片和DC-DC芯片，LDO芯片采用AMS1117-3.3，DC-DC芯片采用LM2596T-5.0/NOPB，分站电源模块2-21将能满足5-36V宽电压输入，并采用分模块独立供电的电源供应策略，根据模块的功率情况选择恰当的供电芯片，DC-DC芯片采用LM2596T-5.0/NOPB（3A供电能力），LDO芯片采用AMS1117-3.3（1A供电能力）。
如附图3所示，采集器3包括采集主控制器3-1、采集副控制器3-2、采集CAN收发器一3-3、采集CAN收发器二3-4、采集电源模块3-12、采集Flash存储模块3-5和七个采集LoRa模块3-7；采集主控制器3-1通过采集串口3-8连接采集副控制器3-2；采集主控制器3-1通过采集CAN总线3-6分别连接采集CAN收发器一3-3和采集CAN收发器二3-4，采集CAN收发器一3-3引出采集CAN总线接口一3-9，采集CAN总线接口一3-9接入采集CAN总线3-6的监控网络中，接收采集CAN收发器一3-3下的各种传感器10信息；采集CAN收发器二3-4引出采集CAN总线接口二3-10，采集CAN总线接口二3-10用于接入采集CAN总线3-6，通过点对点连接的方式连接采集器3，实现LoRa无线覆盖范围的增加；采集主控制器3-1通过采集SPI3-11连接采集Flash存储模块3-5，采集Flash存储模块3-5用于存储定位信息和系统命令；采集副控制器3-2通过采集串口3-8分别连接七个采集LoRa模块3-7，七个采集LoRa模块3-7分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力，搭建LoRa无线传感网络，接收人员调度通信定位终端发送的区域定位信息和精确定位信息，采集LoRa模块3-7上安装有采集天线3-13；采集电源模块3-12分别电连接采集主控制器3-1、采集副控制器3-2、采集LoRa模块3-7、采集CAN收发器一3-3和采集CAN收发器二3-4为其供电；采集器3内部集成2路CAN口，并集成LoRa数据采集功能，即实现了CAN数据上下缓冲转发的工作，又可将LoRa无线采集的数据进行上传，有效增加了传输分站LoRa无线网络的覆盖范围。
其中，采集主控制器3-1和采集副控制器3-2均采用STM32F407芯片，采集LoRa模块3-7采用的E32-TTL-100 LoRa芯片，采集CAN收发器一3-3和采集CAN收发器二3-4均采用TD321DCANH芯片，采集Flash存储模块3-5采用容量为128MB的W25Q128B芯片，采集电源模块3-12采用 LDO芯片（AMS1117-3.3）和DC-DC芯片（LM2596T-5.0/NOPB）。
如附图4所示，人员调度通信定位终端包括电路板，电路板上安装有定位主控制器7-2、定位LoRa模块7-3、定位2.4G RFID模块7-4、定位UWB模块7-5、定位蓝牙模块7-6、三轴加速度传感器7-7、定位TTS语音合成模块7-8、定位指示灯7-10、定位功能按键7-21、定位报警按键7-20、定位OLED屏幕7-14、定位RTC备用电源7-13、定位供电模块和定位EEPRPOM7-9，定位主控制器7-2分别通过定位串口7-16连接定位LoRa模块7-3、定位2.4G RFID模块7-4、定位UWB模块7-5、定位蓝牙模块7-6和定位TTS语音合成模块7-8；定位主控制器7-2分别通过定位I2C总线7-18连接三轴加速度传感器7-7和定位EEPROM7-9；定位主控制器7-2通过定位GPIO7-17分别连接定位功能按键7-21、定位报警按键7-20和定位指示灯7-10；定位主控制器7-2通过定位SPI7-19总线连接定位OLED屏幕7-14；定位主控制器7-2通过定位VBAT引脚7-1连接定位RTC备用电源7-13；定位供电模块包括定位电源7-12和定位电源管理模块7-15，定位电源7-12电连接定位电源管理模块7-15，定位电源管理模块7-15分别电连接定位主控制器7-2、定位LoRa模块7-3、定位2.4G RFID模块7-4、定位UWB模块7-5、定位蓝牙模块7-6、三轴加速度传感器7-7、定位TTS语音合成模块7-8、定位EEPRPOM7-9、定位指示灯7-10和定位OLED屏幕7-14。
其中，定位RTC备用电源7-13用于保证人员调度通信定位终端的实时时钟持续运行，定位OLED屏幕7-14用于接收到的寻呼、广播数据的历史查看；定位2.4G RFID模块7-4用于读取区域定位锚点的信息，并记录第一次收到区域定位锚点和离开区域定位锚点的时间，通过离散的定位绘制在区域定位区域中的行进路线；定位UWB模块7-5用于获取精确定位信息；定位LoRa模块7-3用于上传区域定位信息和精确定位信息，并作为与采集器和传输分站数据传输通道，用来获取寻呼和广播以及附近设备参数和环境信息；定位蓝牙模块7-6用于与手持终端配合实现路径导航和区域设备参数和环境信息；定位TTS语音合成模块7-8包括定位语音合成芯片7-8-1、定位功放芯片7-8-2和定位喇叭7-8-3，定位主控制器7-2通过定位串口7-16连接定位语音合成芯片7-8-1，定位语音合成芯片7-8-1电连接定位功放芯片7-8-2，定位功放芯片7-8-2电连定位喇叭7-8-3；定位TTS语音合成模块7-8用于在定位LoRa模块接收到广播和寻呼信息后，定位主控制器7-2将有效的语音文字信息通过定位串口发送给定位TTS语音合成模块7-8，定位TTS语音合成模块7-8完成语音合成后，通过定位喇叭7-8-3将广播和寻呼信息读出来，实现语音播报功能；定位EEPROM7-9用于存储区域定位路径信息、设备配置信息以及电子围栏数据信息；三轴加速度传感器7-7用于进行形态及运动姿态判断，通过算法减少定位信息传输，节省信道消耗；人员调度通信定位终端利用2.4G RFID和UWB技术获取区域定位和精确定位信息，并利用LoRa网络上传定位信息，实现区域和精确定位工作；同时人员调度通信定位终端作为LoRa终端和LoRa蓝牙中间件，实现在LoRa网络覆盖下的实时通信，提供一种低带宽、低成本的实时通信设备。
定位主控制器7-2采用STM32F407ZET6，定位2.4G RFID模块7-4采用无功放的射频模块，定位语音合成芯片7-8-1采用XFS3031CNP，定位功放芯片7-8-2采用LM4990，定位RTC备用电源7-13将采用CR2012纽扣电池，定位电源7-12采用两节电量为2500mAh 的锰酸锂电池并联而成的电量为5000mAh的电池；定位电源管理模块7-15采用FP6276XR-G1升压后通过AMS1117-3.3降压再供电且定位电源管理模块7-15包括两个AMS1117-3.3，一个AMS1117-3.3用于为定位UWB模块7-5和定位LoRa模块7-3供电，另一个AMS1117-3.3用于为定位主控制器7-2、定位2.4G RFID模块7-4、定位蓝牙模块7-6、三轴加速度传感器7-7、定位TTS语音合成模块7-8、定位指示灯7-10和定位OLED屏幕7-14供电。
如附图5所示，矿用本安移动电源包括2.4G RFID数据采集终端8-1、8-2三通接头、电源自动切换机构8-3、移动电源一8-4和移动电源二8-5，电源自动切换机构8-3安装在三通接头8-2内，移动电源一8-4和移动电源二8-5上均安装有电量显示模块；2.4G RFID数据采集终端8-4连接移动电源一8-4或移动电源二8-5，移动电源一8-4或移动电源二8-5通过电源自动切换机构8-3为UWB定位锚点5不间断供电；
如附图6所示，电量显示模块包括充放电保护板8-7、轻触开关8-8、电源用主控制器8-9、电源用射频模块8-10、数码管8-11和航空插头母座8-6，移动电源一8-4和移动电源二8-5上均安装有充放电保护板8-7，移动电源一8-4或移动电源二8-5通过对应的充放电保护板8-7输出两路：一路通过轻触开关8-8分别电连接电源用主控制器8-9和电源用射频模块8-10为其供电，另一路电连接航空插头母座8-6，航空插头母座8-6用于电连接UWB定位锚点5；电源用主控制器8-9分别电连接并控制电源用射频模块8-10和数码管8-11，电源用主控制器8-9用于通过测量内部Bandgap电压，反推出电池电压再通过查表法得出移动电源一8-4或移动电源二8-5电量的百分比并通过数码管8-11显示出来，数码管8-11采用188两位半数码管，数码管8-11的显示从00到100；
如附图7、8和9所示，电源自动切换机构8-3包括拉簧8-3-13、基板8-3-1、推拉式电磁铁8-3-2、连杆8-3-3、驱动板8-3-4、棘轮8-3-5、棘爪一8-3-6和棘爪二8-3-7，移动电源一8-4和移动电源二8-5分别电连接推拉式电磁铁8-3-2且移动电源一8-4和移动电源二8-5之间的压差驱动推拉式电磁铁8-3-2动作，连杆8-3-3一端通过销轴8-3-8铰接推拉式电磁铁8-3-2，连杆8-3-3另一端通过销轴8-3-8铰接连接驱动板8-3-4的一侧处，棘轮8-3-5通过棘轮轴8-3-9连接驱动板8-3-4中间位置且棘轮8-3-5靠近驱动板8-3-4的一侧安装有四个圆周排列的垫块8-3-10，驱动板8-3-4上对应开设有通孔8-3-11，通孔8-3-11与垫块8-3-10一一对应设置；棘轮轴8-3-9贯通基板8-3-1、棘轮8-3-5和驱动板8-3-4；棘轮8-3-5的边缘处开设有四个棘轮槽8-3-12，相对设置的两个棘轮槽8-3-12为一组，移动电源一8-4通过电线连通棘爪一8-3-6，移动电源二8-5通过电线连通棘爪二8-3-7，棘轮轴8-3-9处的输出接口连通其中一组棘轮槽8-3-12，棘爪一8-3-6和棘爪二8-3-7对应安装在两相邻的棘轮槽8-3-12的位置；拉簧8-3-13一端固定在驱动板8-3-4的一侧处，拉簧8-3-13另一端固定在基板8-3-1上，棘爪一8-3-6和棘爪二8-3-7分别通过安装座一8-3-14和安装座二8-3-15固定在基板8-3-1上。
实施例2：
基于实施例1的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位方法，具体如下：
S1、实现区域定位和精确定位相融合的功能，具体步骤如下：
S101、携带人员调度通信定位终端7的工作人员在行进过程中遇到传输分站2时，人员调度通信定位终端7中内置的定位2.4G RFID模块7-4会接收到传输分站2中内置的分站2.4G RFID模块2-3发送的时间同步握手信息，人员调度通信定位终端7会根据随机数发生器产生的一个随机数字（一个字节的随机码），将随机数字乘三之后得出发送定位信息的时间坐标，按照时间坐标发送定位信息，传输分站2收到定位信息后完成一次定位；
S102、人员调度通信定位终端7内置的定位2.4G RFID模块7-4接收区域定位锚点4周期发送的握手信息，在第一次遇到区域定位锚点4时记录时间，形成一条区域定位信息存储到人员调度通信定位终端7的数据上传缓冲区中，并在离开区域定位锚点区域4时，记录离开的时间，并记录最后一次接收到区域定位锚点4握手信息的时间作为区域定位信息的时间放入人员调度通信定位终端7的数据上传缓冲区中；数据上传缓冲区的区域定位信息会在LoRa网络覆盖的区域将区域定位信息逐条上传给传输分站2或采集器3，通过一种离散的定位路径来还原人员行进路径情况，以便履职检查等其他工作；
S103、携带人员调度通信定位终端7的工作人员在行进过程中遇到UWB定位锚点5时，人员调度通信定位终端7内部的定位UWB模块7-5会与UWB定位锚点5建立通信并在人人员调度通信定位终端7中计算出与UWB定位锚点5的距离后形成精确定位信息放入数据上传缓冲区中，通过LoRa将精确定位信息发送给传输分站2或采集器3；
S104、采集器3在接收到通过LoRa无线发送的区域定位信息和精确定位信息后，会通过采集CAN总线3-6传输给上级采集器3或传输分站2，传输分站2接收到区域定位信息和精确定位信息会通过工业环网上传到本地服务器12中，数据采集服务单元12-1会对数据进行存储和转发，同时人员定位单元12-2会进行相关定位信息处理，并上传到私有云服务器11和广域网云服务器13；
S2、实现导航的功能，具体步骤如下：
S201、手持移动终端内置导航应用软件，会在地面或井下的无线以太网覆盖的地方下载或更新导航及定位数据库，并通过蓝牙模块与人员调度通信定位终端7建立连接；
S202、携带人员调度通信定位终端7和手持移动终端的工作人员行动中遇到区域定位锚点4和UWB定位锚点5时，人员调度通信定位终端7产生区域定位信息和精确定位信息后，会通过人员调度通信定位终端7内置的定位蓝牙模块7-6发送给手持移动终端，手持移动终端中的导航APP会根据定位数据库中的定位信息，确定人员当前位置，进而实现导航功能；
S3、实现现场获取当前区域的环境参数和设备信息的功能，具体步骤如下：
S301、传输分站2接收区域内的环境参数和设备信息并存储到数据上传缓冲区中，具体包括：周期性通过分站485总线接口2-15发送巡检命令，分站485总线2-23挂载的设备在一定时间（5秒）内将数据信息上传给传输分站2；通过分站CAN总线接口一2-17接收分站CAN总线2-14上挂载的设备发送的监控数据；通过传输分站2和采集器3搭建的LoRa网络采集区域中的LoRa终端设备6的数据，采集器3采集的LoRa终端设备6通过CAN经分站CAN总线接口二2-18上传给传输分站2；
S302、工作人员通过操作手持移动终端的蓝牙模块向人员调度通信定位终端7发送索要区域的环境参数和设备信息命令，人员调度通信定位终端7通过LoRa转发后，传输分站2或采集器3会收到后会将数据上传缓冲区中的环境参数和设备信息通过LoRa发送给人员调度通信定位终端7，人员调度通信定位终端7通过定位蓝牙模块7-6转发给手持移动终端，手持移动终端在应用软件上获取并显示当前区域的环境参数和设备信息；
S4、实现窄带网络下的广播和寻呼的功能，具体步骤如下：
S401、本地服务器12的工作人员通过人员定位单元12-2向井下发送广播和寻呼信息，数据采集服务单元12-1通过工业环网发送给传输分站2，传输分站2通过分站CAN总线2-14转发给采集器3，传输分站2和采集器3分别通过分站LoRa模块2-11和采集LoRa模块3-7向人员调度通信定位终端7发送广播和寻呼信息；
S402、人员调度通信定位终端7内置定位TTS语音合成模块7-8，7-8定位TTS语音合成模块将文字转换成语音播放出来，在窄带网络中轻松实现广播和寻呼的传输；
S5、传感器设备、车辆移动设备及采煤机设备的位置定位，具体步骤如下：为传感器设备、车辆移动设备及采煤机设备分别分配一个人员调度通信定位终端7，通过设置产品类型将人员调度通信定位终端7标示为相关设备，通过周期性与UWB定位锚点5测量距离，并通过LoRa将精确定位信息发送给传输分站2或采集器3，传输分站2通过工业环网将精确定位信息发送给本地服务器12，实现传感器设备、车辆移动设备及采煤机设备在部署有UWB定位锚点5的精确定位区域的位置定位；
S6、实现分站级多系统融合的功能，具体如下：
S601、传输分站2中分站485总线接口2-15接入分站485总线2-23的监控网络中，接收分站485总线2-23下的传感器10信息；
S602、分站CAN总线接口一2-17接收分站CAN总线2-14上挂载的设备发送的监控数据；
S603、分站CAN总线接口二2-18通过一对一连接的方式与采集器3相连，接收采集器3采集的LoRa无线网络数据；
S604、分站2.4G RFID模块2-3通过采集人员调度通信定位终端7的信息实现定位功能；
S605、分站LoRa模块2-11搭建LoRa无线传感网络，用于接收人员调度通信定位终端7发送的区域定位信息和精确定位信息；
S606、分站以太网模块2-5通过工业环网与本地服务器12建立通信，进行数据的上传和下载服务；
S607、通过这5个通信接口实现区域信息的获取和与服务器的数据交互服务，实现定位和LoRa无线传输与有线监控网络的分站级融合和数据上传，将现有的采用不同的通信协议的通风、瓦斯、顶板压力、锚杆拉力的传感器经LoRa变送器改造后，通过LoRa无线网络接入到传输分站中，传输分站可以采集区域内所有的传感设备信息；
S608、传输分站2通过485、CAN以及LoRa网络接收区域内所有的环境参数数据和设备参数信息，再通过传输分站内部的嵌入式应用人间综合分析之后给出预警信息，并通过工业环网上传经过初步分析处理的数据，减少了数据上传的冗余度，在一定程度上增加了本地服务器的处理效率；传输分站采用CAN、485总线技术以及2.4G RFID、UWB和LoRa无线技术初步实现人员定位、有线监控和无线传输在分站级的多系统融合，并结合分站内的基于边缘计算的预警功能，实现分站级的智能预警控制；
S7、实现电子围栏的功能，具体如下：
在电子围栏上采用双UWB定位锚点5的布置方式，两个UWB定位锚点5相隔2米，保证电子围栏的稳定性和精确度，当人员靠近危险区域时，人员调度通信定位终端能够同时搜到两个UWB定位锚点5信息，并通过计算两个UWB定位锚点5的距离，得出人员的行进方向：
①、若接近危险区域，则立即发出预警（语音报警加通过LoRa上传报警信息）；
②、若远离危险区域，则解除报警（语音说明加通过LoRa上传解除报警信息）。
其中，步骤S103和步骤S202中的UWB定位锚点以及步骤S102与步骤S202中的区域定位锚点4均采用单锚点定位线性空间下位置算法，具体步骤如下：
为了实现在巷道中连续精确定位，需要随时获取人员调度通信定位终端当前地点坐标，引入坐标和加速度（加速度可只要求方向）的概念，通过对区域和精确定位信息的分析得出人员调度通信定位终端实时的地点坐标；
（1）、引入坐标系和加速度，具体如下：
矿井矿图采用大地坐标系，坐标系采用大地坐标系，方便在矿图上直接进行标注；在部署区域定位锚点和UWB定位锚点时，按照规划好的坐标进行布置，并将区域定位锚点4和UWB定位锚点5的坐标情况在矿图和数据库中存储；
加速度描述物体速度变化快慢的物理量，加速度是矢量，它的方向是物体速度变化的方向，采用加速度矢量特性且着重利用加速度在物体速度变化方向的特点；
（2）、携带人员调度通信定位终端7的工作人员行进过程中遇到区域定位锚点4后，获取区域定位锚点4的ID信息：
①、若有LoRa信息覆盖，则通过LoRa上传区域定位信息；
②、若无LoRa信息覆盖，则存储到本地服务器12中，到覆盖区域时再上传区域定位信息；
（3）、上传区域定位信息后，传输分站2通过工业环网上传给本地服务器12，人员定位单元12-2中定位组件通过匹配数据库中相对应的区域定位锚点4坐标，获知坐标信息，并在获取第二个区域定位坐标信息后，对比两次坐标值，得出X、Y的差值，从而得出行进方向，进而判定出入井、重点区域进出以及岔路口的行进方向；
另，若工作人员携带手持移动终端7，则人员调度通信定位终端7会通过定位蓝牙模块7-6发送给手持移动终端，手持移动终端会匹配数据库中相对应的区域定位锚点4坐标，经过对比后判定行进方向，如图10所示；
（4）、根据前方区域定位区域已知的行进方向后，通过人员携带人员调度通信定位终端7对工作人员进行精确区域定位，获取UWB定位锚点5ID和距离信息（精确定位信息），通过LoRa上传给采集器3或传输分站2，传输分站2通过工业环网上传到本地服务器12，人员定位单元12-2的定位组件通过匹配数据库中的UWB定位锚点5ID的值坐标信息，结合上一时段的坐标信息，判定当前坐标位于锚点前或后，并判定行进方向；
（5）、人员调度通信定位终端7继续前进，经过UWB定位锚点5后则坐标变更为锚点后或前，依次前进，从而实现线性空间下单锚点的精确定位功能；
另，若工作人员携带手持移动终端，则人员调度通信定位终端7会通过定位蓝牙模块7-6发送给手持移动终端，手持移动终端会匹配数据库中相对应的UWB定位锚点5坐标，经过对比后判定行进方向，如附图11所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽快参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，其特征在于，包括地面网络系统和井下网络系统，地面网络系统通过光纤连接井下网络系统；井下网络系统包括井下网络交换机、传输分站、采集器、区域定位锚点、UWB定位锚点、LoRa终端设备、人员调度通信定位终端、传感器、监控设备和矿用本安移动电源，地面网络系统通过光纤连接井下网络交换机，井下网络交换机通过光纤连接传输分站；传感器通过CAN总线和485总线连接传输分站；监控设备通过CAN总线和485总线连接传输分站；传输分站通过CAN总线连接采集器；LoRa终端设备通过LoRa连接传输分站和采集器的LoRa网络；采集器通过LoRa连接人员调度通信定位终端；区域定位锚点通过2.4G RFID连接人员调度通信定位终端，区域定位锚点是利用2.4G RFID标签制作而成的区域定位锚点，放置在标准坐标位置上，并通过2.4G RFID周期性发送区域位置信息报文，为人员调度通信定位终端提供区域定位信息；UWB定位锚点通过UWB连接人员调度通信定位终端，矿用本安移动电源为UWB定位锚点供电。
2.根据权利要求1所述的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，其特征在于，所述传输分站包括分站主控制器、分站副控制器、分站2.4G RFID模块、分站485收发器、分站以太网模块、分站CAN收发器一、分站CAN收发器二、分站语音合成模块、分站显示器、分站Flash存储模块、分站RTC备用电源、分站电源模块、分站LED大屏以及七个分站LoRa模块；
分站主控制器分别通过分站串口连接分站副控制器、分站2.4G RFID模块、分站LED大屏和分站语音合成模块；分站语音合成模块包括分站语音合成芯片、分站功放芯片和分站喇叭，分站主控制器通过分站串口连接分站语音合成芯片，分站语音合成芯片电连接分站功放芯片，分站功放芯片电连接分站喇叭；
分站主控制器通过分站485总线连接分站485收发器，分站485收发器引出分站485总线接口，分站485总线接口用于接入分站485总线的监控网络中，接收分站485收发器下的各种传感器的信息；
分站主控制器分别通过分站SPI连接分站以太网模块、分站显示器和分站Flash存储模块；分站以太网模块引出分站RJ45网口，分站RJ45网口通过双绞线连接井下网络交换机使其接入工业环网；
分站主控制器分别通过分站CAN总线连接分站CAN收发器一和分站CAN收发器二，分站CAN收发器一引出分站CAN总线接口一，分站CAN总线接口一接入分站CAN总线的监控网络中，接收分站CAN收发器一下的各种传感器信息；分站CAN收发器二引出分站CAN总线接口二，分站CAN总线接口二用于接入分站CAN总线，通过点对点连接的方式连接采集器，实现LoRa无线覆盖范围的增加；
分站副控制器通过分站串口分别连接七个分站LoRa模块，分站LoRa模块和分站2.4GRFID模块上均设置有分站天线；七个分站LoRa模块分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力，搭建LoRa无线传感网络，接收人员调度通信定位终端发送的区域定位信息和精确定位信息；
分站主控制器连接分站RTC备用电源，分站RTC备用电源用于保证传输分站的实时时钟持续运行；分站电源模块分别电连接分站主控制器、分站副控制器、分站2.4G RFID模块、分站485收发器、分站以太网模块、分站CAN收发器一、分站CAN收发器二、分站语音合成模块、分站显示器、分站LED大屏和分站LoRa模块为其供电。
3.根据权利要求1所述的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，其特征在于，所述采集器包括采集主控制器、采集副控制器、采集CAN收发器一、采集CAN收发器二、采集电源模块、采集Flash存储模块和七个采集LoRa模块；
采集主控制器通过采集串口连接采集副控制器；
采集主控制器通过采集CAN总线分别连接采集CAN收发器一和采集CAN收发器二，采集CAN收发器一引出采集CAN总线接口一，采集CAN总线接口一接入采集CAN总线的监控网络中，接收采集CAN收发器一下的各种传感器信息；采集CAN收发器二引出采集CAN总线接口二，采集CAN总线接口二用于接入采集CAN总线，通过点对点连接的方式连接采集器，实现LoRa无线覆盖范围的增加；
采集主控制器通过采集SPI连接采集Flash存储模块，采集Flash存储模块用于存储定位信息和系统命令；
采集副控制器通过采集串口分别连接七个采集LoRa模块，七个采集LoRa模块分配信道0到信道6七个信道，通过七个信道并通过分频分时的方式增加LoRa无线网络的负载能力，搭建LoRa无线传感网络，接收人员调度通信定位终端发送的区域定位信息和精确定位信息，采集LoRa模块上设置有采集天线；
采集电源模块分别电连接采集主控制器、采集副控制器、采集LoRa模块、采集CAN收发器一和采集CAN收发器二为其供电。
4.根据权利要求1所述的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，其特征在于，所述人员调度通信定位终端包括电路板，电路板上安装有定位主控制器、定位LoRa模块、定位2.4G RFID模块、定位UWB模块、定位蓝牙模块、三轴加速度传感器、定位TTS语音合成模块、定位指示灯、定位功能按键、定位报警按键、定位OLED屏幕、定位RTC备用电源、定位供电模块和定位EEPRPOM，定位主控制器分别通过定位串口连接定位LoRa模块、定位2.4GRFID模块、定位UWB模块、定位蓝牙模块和定位TTS语音合成模块，定位主控制器分别通过定位I2C总线连接三轴加速度传感器和定位EEPROM；定位主控制器通过定位GPIO分别连接定位功能按键、定位报警按键和定位指示灯；定位主控制器通过定位SPI总线连接定位OLED屏幕；定位主控制器通过定位VBAT引脚连接定位RTC备用电源；定位供电模块包括定位电源和定位电源管理模块，定位电源电连接定位电源管理模块，定位电源管理模块分别电连接定位主控制器、定位LoRa模块、定位2.4G RFID模块、定位UWB模块、定位蓝牙模块、三轴加速度传感器、定位TTS语音合成模块、定位指示灯和定位OLED屏幕。
5.根据权利要求1所述的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，其特征在于，所述矿用本安移动电源包括2.4G RFID数据采集终端、三通接头、电源自动切换机构、移动电源一和移动电源二，电源自动切换机构设置在三通接头内，移动电源一和移动电源二上均设置有电量显示模块；2.4G RFID数据采集终端连接移动电源一或移动电源二，移动电源一或移动电源二通过电源自动切换机构为UWB定位锚点不间断供电；
电量显示模块包括充放电保护板、轻触开关、电源用主控制器、电源用射频模块、数码管和航空插头母座，移动电源一和移动电源二上均设置有充放电保护板，移动电源一或移动电源二通过对应的充放电保护板输出两路：一路通过轻触开关分别电连接电源用主控制器和电源用射频模块为其供电，另一路电连接航空插头母座，航空插头母座用于电连接UWB定位锚点；
电源用主控制器分别电连接并控制电源用射频模块和数码管，电源用主控制器用于通过测量内部Bandgap电压，反推出电池电压再通过查表法得出移动电源一或移动电源二电量的百分比并通过数码管显示出来，数码管采用188两位半数码管，数码管的显示从00到100；
电源自动切换机构包括拉簧、基板、推拉式电磁铁、连杆、驱动板、棘轮、棘爪一和棘爪二，移动电源一和移动电源二分别电连接推拉式电磁铁且移动电源一和移动电源二之间的压差驱动推拉式电磁铁动作，连杆一端通过销轴铰接推拉式电磁铁，连杆另一端通过销轴铰接连接驱动板的一侧处，棘轮通过棘轮轴连接驱动板中间位置且棘轮靠近驱动板的一侧设置有四个圆周排列的垫块，驱动板上对应设置有通孔，通孔与垫块一一对应设置；棘轮轴贯通基板、棘轮和驱动板；
棘轮的边缘处设置有四个棘轮槽，相对设置的两个棘轮槽为一组，移动电源一通过电线连通棘爪一，移动电源二通过电线连通棘爪二，棘轮轴处的输出接口连通其中一组棘轮槽，棘爪一和棘爪二对应设置在两相邻的棘轮槽的位置；
拉簧一端固定在驱动板的一侧处，拉簧另一端固定在基板上，棘爪一和棘爪二分别通过安装座一和安装座二固定在基板上。
6.根据权利要求1所述的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，其特征在于，所述地面网络系统包括私有云服务器、本地服务器、广域网云服务器和地面网络交换机，私有云服务器通过互联网连接本地服务器，本地服务器通过互联网连接广域网云服务器，本地服务器通过光纤连接地面网络交换，地面网络交换机通过光纤连接井下网络交换机。
7.根据权利要求6所述的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，其特征在于，所述本地服务器包括数据采集服务单元和人员定位单元；
数据采集服务单元用于接收各分站发送的数据并下发来自上层应用平台发送的命令，主要功能包括数据接收服务、指令上传服务、指令上传服务、局域网数据订阅服务、数据云存储以及远程设置；
人员定位单元基于GIS的人员位置显示，用于实现进行存储、报警、显示、打印、查询的功能，主要功能包括矿井平面图管理、人员基本信息管理、发卡管理、设备安装管理、地图监控、人员统计管理、下井考勤管理、报警信息以及安全隐患分析。
8.根据权利要求6或7所述的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位系统，其特征在于，所述私有云服务器包括云平台数据存储单元和远程监控平台；
云平台数据存储单元用于实现人员定位信息的云端数据存储、分析功能，并提供远程监控平台数据访问，主要功能包括：互联网数据订阅服务、云平台存储服务、协议枚举量解释服务以及数据权限认证服务；
远程监控平台用于提供基于web和手持终端APP两种形式的远程监控服务，主要功能包括矿井平面图管理、WebGIS监控页面、订阅对象基本信息维护以及APP的地图监控页面。
9.基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位方法，其特征在于，具体如下：
S1、实现区域定位和精确定位相融合的功能，具体步骤如下：
S101、携带人员调度通信定位终端的工作人员在行进过程中遇到传输分站时，人员调度通信定位终端中内置的定位2.4G RFID模块会接收到传输分站中内置的分站2.4G RFID模块发送的时间同步握手信息，人员调度通信定位终端会根据随机数发生器产生的一个随机数字，将随机数字乘三之后得出发送定位信息的时间坐标，按照时间坐标发送定位信息，传输分站收到定位信息后完成一次定位；
S102、人员调度通信定位终端内置的定位2.4G RFID模块接收区域定位锚点周期发送的握手信息，在第一次遇到区域定位锚点时记录时间，形成一条区域定位信息存储到人员调度通信定位终端的数据上传缓冲区中，并在离开区域定位锚点区域时，记录离开的时间，并记录最后一次接收到区域定位锚点握手信息的时间作为区域定位信息的时间放入人员调度通信定位终端的数据上传缓冲区中；数据上传缓冲区的区域定位信息会在LoRa网络覆盖的区域将区域定位信息逐条上传给传输分站或采集器；
S103、携带人员调度通信定位终端的工作人员在行进过程中遇到UWB定位锚点时，人员调度通信定位终端内部的定位UWB模块会与UWB定位锚点建立通信并在人人员调度通信定位终端中计算出与UWB定位锚点的距离后形成精确定位信息放入数据上传缓冲区中，通过LoRa将精确定位信息发送给传输分站或采集器；
S104、采集器在接收到通过LoRa无线发送的区域定位信息和精确定位信息后，会通过采集CAN总线传输给上级采集器或传输分站，传输分站接收到区域定位信息和精确定位信息会通过工业环网上传到本地服务器中，数据采集服务单元会对数据进行存储和转发，同时人员定位单元会进行相关定位信息处理，并上传到私有云服务器和广域网云服务器；
S2、实现导航的功能，具体步骤如下：
S201、手持移动终端内置导航应用软件，会在地面或井下的无线以太网覆盖的地方下载或更新导航及定位数据库，并通过蓝牙模块与人员调度通信定位终端建立连接；
S202、携带人员调度通信定位终端和手持移动终端的工作人员行动中遇到区域定位锚点和UWB定位锚点时，人员调度通信定位终端产生区域定位信息和精确定位信息后，会通过人员调度通信定位终端内置的定位蓝牙模块发送给手持移动终端，手持移动终端中的导航APP会根据定位数据库中的定位信息，确定人员当前位置，进而实现导航功能；
S3、实现现场获取当前区域的环境参数和设备信息的功能，具体步骤如下：
S301、传输分站接收区域内的环境参数和设备信息并存储到数据上传缓冲区中，具体包括：周期性通过分站485总线接口发送巡检命令，分站485总线挂载的设备在一定时间内将数据信息上传给传输分站；通过分站CAN总线接口一接收分站CAN总线上挂载的设备发送的监控数据；通过传输分站和采集器搭建的LoRa网络采集区域中的LoRa终端设备的数据，采集器采集的LoRa终端设备通过CAN经分站CAN总线接口二上传给传输分站；
S302、工作人员通过操作手持移动终端的蓝牙模块向人员调度通信定位终端发送索要区域的环境参数和设备信息命令，人员调度通信定位终端通过LoRa转发后，传输分站或采集器会收到后会将数据上传缓冲区中的环境参数和设备信息通过LoRa发送给人员调度通信定位终端，人员调度通信定位终端通过定位蓝牙模块转发给手持移动终端，手持移动终端在应用软件上获取并显示当前区域的环境参数和设备信息；
S4、实现窄带网络下的广播和寻呼的功能，具体步骤如下：
S401、本地服务器的工作人员通过人员定位单元向井下发送广播和寻呼信息，数据采集服务单元通过工业环网发送给传输分站，传输分站通过分站CAN总线转发给采集器，传输分站和采集器分别通过分站LoRa模块和采集LoRa模块向人员调度通信定位终端发送广播和寻呼信息；
S402、人员调度通信定位终端内置定位TTS语音合成模块，定位TTS语音合成模块将文字转换成语音播放出来，在窄带网络中轻松实现广播和寻呼的传输；
S5、传感器设备、车辆移动设备及采煤机设备的位置定位，具体步骤如下：为传感器设备、车辆移动设备及采煤机设备分别分配一个人员调度通信定位终端，通过设置产品类型将人员调度通信定位终端标示为相关设备，通过周期性与UWB定位锚点测量距离，并通过LoRa将精确定位信息发送给传输分站或采集器，传输分站通过工业环网将精确定位信息发送给本地服务器，实现传感器设备、车辆移动设备及采煤机设备在部署有UWB定位锚点的精确定位区域的位置定位；
S6、实现分站级多系统融合的功能，具体如下：
S601、传输分站中分站485总线接口接入分站485总线的监控网络中，接收分站485总线下的传感器信息；
S602、分站CAN总线接口一接收分站CAN总线上挂载的设备发送的监控数据；
S603、分站CAN总线接口二通过一对一连接的方式与采集器相连，接收采集器采集的LoRa无线网络数据；
S604、分站2.4G RFID模块通过采集人员调度通信定位终端的信息实现定位功能；
S605、分站LoRa模块搭建LoRa无线传感网络，用于接收人员调度通信定位终端发送的区域定位信息和精确定位信息；
S606、分站以太网模块通过工业环网与本地服务器建立通信，进行数据的上传和下载服务；
S607、通过这5个通信接口实现区域信息的获取和与服务器的数据交互服务，实现定位和LoRa无线传输与有线监控网络的分站级融合和数据上传，将现有的采用不同的通信协议的通风、瓦斯、顶板压力、锚杆拉力的传感器经LoRa变送器改造后，通过LoRa无线网络接入到传输分站中，传输分站可以采集区域内所有的传感设备信息；
S608、传输分站通过485、CAN以及LoRa网络接收区域内所有的环境参数数据和设备参数信息，再通过传输分站内部的嵌入式应用人间综合分析之后给出预警信息，并通过工业环网上传经过初步分析处理的数据，减少了数据上传的冗余度，在一定程度上增加了本地服务器的处理效率；
S7、实现电子围栏的功能，具体如下：
在电子围栏上采用双UWB定位锚点的布置方式，两个UWB定位锚点相隔2米，当人员靠近危险区域时，人员调度通信定位终端能够同时搜到两个UWB定位锚点信息，并通过计算两个UWB定位锚点的距离，得出人员的行进方向：
①、若接近危险区域，则立即发出预警；
②、若远离危险区域，则解除报警。
10.根据权利要求9所述的基于LoRa的区域与精确定位相融合的矿井定位方法，其特征在于，所述步骤S103和步骤S202中的UWB定位锚点以及步骤S102与步骤S202中的区域定位锚点均采用单锚点定位线性空间下位置算法，具体步骤如下：
（1）、引入坐标系和加速度，具体如下：
矿井矿图采用大地坐标系，坐标系采用大地坐标系，方便在矿图上直接进行标注；在部署区域定位锚点和UWB定位锚点时，按照规划好的坐标进行布置，并将区域定位锚点和UWB定位锚点的坐标情况在矿图和数据库中存储；
加速度描述物体速度变化快慢的物理量，加速度是矢量，它的方向是物体速度变化的方向，采用加速度矢量特性且着重利用加速度在物体速度变化方向的特点；
（2）、携带人员调度通信定位终端的工作人员行进过程中遇到区域定位锚点后，获取区域定位锚点的ID信息：
①、若有LoRa信息覆盖，则通过LoRa上传区域定位信息；
②、若无LoRa信息覆盖，则存储到本地服务器中，到覆盖区域时再上传区域定位信息；
（3）、上传区域定位信息后，传输分站通过工业环网上传给本地服务器，人员定位单元中定位组件通过匹配数据库中相对应的区域定位锚点坐标，获知坐标信息，并在获取第二个区域定位坐标信息后，对比两次坐标值，得出X、Y的差值，从而得出行进方向，进而判定出入井、重点区域进出以及岔路口的行进方向；
另，若工作人员携带手持移动终端，则人员调度通信定位终端会通过定位蓝牙模块发送给手持移动终端，手持移动终端会匹配数据库中相对应的区域定位锚点坐标，经过对比后判定行进方向；
（4）、根据前方区域定位区域已知的行进方向后，通过人员携带人员调度通信定位终端对工作人员进行精确区域定位，获取UWB定位锚点ID和距离信息，通过LoRa上传给采集器或传输分站，传输分站通过工业环网上传到本地服务器，人员定位单元的定位组件通过匹配数据库中的UWB定位锚点ID的值坐标信息，结合上一时段的坐标信息，判定当前坐标位于锚点前或后，并判定行进方向；
（5）、人员调度通信定位终端继续前进，经过UWB定位锚点后则坐标变更为锚点后或前，依次前进，从而实现线性空间下单锚点的精确定位功能；
另，若工作人员携带手持移动终端，则人员调度通信定位终端会通过定位蓝牙模块发送给手持移动终端，手持移动终端会匹配数据库中相对应的UWB定位锚点坐标，经过对比后判定行进方向。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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