CN112135262A - 一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统 - Google Patents

一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统，包括人员移汇聚节点、地面固定无线传感器节点、地面汇聚节点和监控中心，所述的汇聚节点包括定位模块、传感器节点和电源模块，所述的电源模块连接能量收集器，所述的能量收集器为电磁式振动能量收集，所述的能量收集器将人员随机运动时产生的动能转换为电能，并存储在电源模块。本发明的系统能量采集、转换与存储能够有效地回收利用隧道内人员活动过程中产生的人体动能，大幅延长ZigBee测距定位模块的工作时长，同时在紧急状态发生时为搜救提供必要信息，避免由于设备能量消失而失去救援目标。

Description

一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统
技术领域
本发明属于安全防护技术领域，尤其涉及一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统。
背景技术
由于隧道内强烈的信号屏蔽效应，卫星导航定位系统在隧道内无法获得施工人员的准确具体位置。目前隧道内人员定位常用的方法包括射频识别技术(RFID)、接受信号强度指示(RSSI)等。其中信号强度指示(RSSI)方法是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定位终端与定位基站之间的距离，测距与定位的精度受到工作环境、信号质量等因素的制约，同时工作效能受到能量供应的约束，系统能耗在不间断工作期间急剧增大，必须在规定时间内到指定地点离线充电，该系统的使用效率大打折扣。更特别地，在隧道内人员由于不可抗力等原因受困时，若未获得最后的定位地点会严重影响搜救精度和进度。因此，保证系统持续高效的不间断工作在提高生产效率和应对处理突发情况过程中具有很好的经济效益和社会效应。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了 一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统。
本发明是这样实现的：一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统，包括人员移汇聚节点、地面固定无线传感器节点、地面汇聚节点和监控中心，所述的汇聚节点包括定位模块、传感器节点和电源模块，所述的传感器节点包括传感器板、微处理模块和无线通讯模块，所述的传感器采集板将监测区域内感知对象的模拟信息转化为数字信号，所述的微处理器模块完成将数据感知、处理和分析、存储，同时也将其他节点转发的数据进行存储和转发，所述的无线射频通信模块将微处理器模块转发或本节点采集的信息转换为无线电波形式发给临近节点，并进行信息交换与控制；所述的电源模块：为传感器节点供应能量，所述的电源模块还连接能量收集器，所述的能量收集器为电磁式振动能量收集，所述的能量收集器将人员随机运动时产生的动能转换为电能，并存储在电源模块。
所述的能量收集器包括阶梯型线圈、四螺旋形弹簧梁、圆柱形永磁体、框体和基底，所述的框体为镀镍玻璃框体，所述的基底为镀镍玻璃基底。当外界振动作用到振动能量收集器上时，永磁体会产生受迫振动，从而使圆柱形永磁体和阶梯型铜线圈之间发生相对运动，进而引起线圈中的磁通量的变化，由法拉第电磁感应定律可以知道，此时，线圈中会有感应电动势产生，当电池电路接入线圈，就可以对电池进行充电。
人员移汇聚节点、地面固定无线传感器节点和地面汇聚节点之间采用ZigBee技术进行无线通信，其最大传输带宽为250Kb通过大量布置传感器节点增加链路冗余方式来提高无线链路的可靠性。
地面固定无线传感器节点布局间距范围为10～200m，保证对隧道内部信息采集的可靠性和实时传输。
本发明的有益效果是：采用电磁式振动能量收集器将人员随机运动时产生的动能转换为电能，并存储，供ZigBee测距定位模块长时工作。ZigBee采用智能控制策略，当人员静止时，定位模块转入休眠状态；当人员运动状态时重新转入工作状态。本发明中能量采集、转换与存储能够有效地回收利用隧道内人员活动过程中产生的人体动能，大幅延长ZigBee测距定位模块的工作时长，同时在紧急状态发生时为搜救提供必要信息，避免由于设备能量消失而失去救援目标。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明人员移汇聚节点的结构示意框图；
图3为本发明能量收集器的结构示意图；
图中：1-人员移动传感器节点，2-地面固定无线传感器节点，3-地面汇聚节点，4-监控中心，501-阶梯型线圈，502-基座，503-永磁铁，504-框体，505-四螺旋弹簧梁。
具体实施方式
为了能更清楚地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1、2和图3所示的一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统，包括人员移汇聚节点1、地面固定无线传感器节点2、地面汇聚节点3和监控中心4，所述的汇聚节点包括定位模块、传感器节点和电源模块，所述的传感器节点包括传感器板、微处理模块和无线通讯模块，所述的传感器采集板将监测区域内感知对象的模拟信息转化为数字信号，所述的微处理器模块完成将数据感知、处理和分析、存储，同时也将其他节点转发的数据进行存储和转发，所述的无线射频通信模块将微处理器模块转发或本节点采集的信息转换为无线电波形式发给临近节点，并进行信息交换与控制；所述的电源模块：为传感器节点供应能量，所述的电源模块还连接能量收集器，所述的能量收集器为电磁式振动能量收集，所述的能量收集器将人员随机运动时产生的动能转换为电能，并存储在电源模块。
所述的能量收集器包括阶梯型线圈501、四螺旋形弹簧梁505、圆柱形永磁体503、框体504和基底502，所述的框体504为镀镍玻璃框体，所述的基底502为镀镍玻璃基底。当外界振动作用到振动能量收集器上时，永磁体会产生受迫振动，从而使圆柱形永磁体和阶梯型铜线圈之间发生相对运动，进而引起线圈中的磁通量的变化，由法拉第电磁感应定律可以知道，此时，线圈中会有感应电动势产生，当电池电路接入线圈，就可以对电池进行充电。
人员移汇聚节点、地面固定无线传感器节点和地面汇聚节点之间采用ZigBee技术进行无线通信，其最大传输带宽为250Kb通过大量布置传感器节点增加链路冗余方式来提高无线链路的可靠性。
地面固定无线传感器节点布局间距范围为10～200m，保证对隧道内部信息采集的可靠性和实时传输。
系统工作时，能量收集器能够采集人员移动时的动能为电源模块供电，保证人员移动传感器节点有电工作，尤其是在紧急情况的供电对发生意外时人员的营救非常有利，同时人员移汇聚节点、地面固定无线传感器节点和地面汇聚节点之间采用ZigBee技术进行无线通信,实现信息交互，监控中心可对人员的位置进行实时追踪管理。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (4)

1.一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统，其特征在于，包括人员移汇聚节点、地面固定无线传感器节点、地面汇聚节点和监控中心，所述的汇聚节点包括定位模块、传感器节点和电源模块，所述的传感器节点包括传感器板、微处理模块和无线通讯模块，所述的传感器采集板将监测区域内感知对象的模拟信息转化为数字信号，所述的微处理器模块完成将数据感知、处理和分析、存储，同时也将其他节点转发的数据进行存储和转发，所述的无线射频通信模块将微处理器模块转发或本节点采集的信息转换为无线电波形式发给临近节点，并进行信息交换与控制；所述的电源模块：为传感器节点供应能量，所述的电源模块还连接能量收集器，所述的能量收集器为电磁式振动能量收集，所述的能量收集器将人员随机运动时产生的动能转换为电能，并存储在电源模块。
2.根据权利要求1所述的 一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统，其特征在于，所述的能量收集器包括阶梯型线圈、四螺旋形弹簧梁、圆柱形永磁体、框体和基底，所述的框体为镀镍玻璃框体，所述的基底为镀镍玻璃基底。
3.根据权利要求1所述的 一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统，其特征在于，人员移汇聚节点、地面固定无线传感器节点和地面汇聚节点之间采用ZigBee技术进行无线通信，其最大传输带宽为250Kb通过大量布置传感器节点增加链路冗余方式来提高无线链路的可靠性。
4.根据权利要求1所述的 一种基于能量收集和ZigBee的隧道人员定位系统，其特征在于，地面固定无线传感器节点布局间距范围为10～200m，保证对隧道内部信息采集的可靠性和实时传输。
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