CN114325580A - 基于rfid的煤矿人员定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于RFID的煤矿人员定位系统及定位方法，包括多个内置RF信号发射器的液压支架、顺槽集控中心、上位机、多个交换机，与交换机相连的读卡器，以及煤矿人员随身携带的标识卡；RF信号发射器发射低频RF信号，标识卡接收到低频RF信号后，将RF信号和标识卡本身标识信号通过读卡器上报到顺槽集控中心，顺槽集控中心将接收到的信息传输至上位机。本发明能够实时分析全员或任一人员与RF信号发射器的距离，随时了解员工在井下的分布情况并对其进行实时跟踪监控，能够及时、准确地将井下各个区域人员及设备的情况反映到地面计算机系统。

Description

基于RFID的煤矿人员定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及一种基于RFID的煤矿人员定位系统及定位方法。

背景技术

近年来，国家对煤炭的需求日益高速增长，煤炭工业也随之得到很大发展，但是煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。由于煤矿工业的特殊性，目前普遍存在下井人员管理困难，井上人员难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，一旦事故发生，井上人员缺乏可靠的井下信息，抢险救灾、安全救护的效率低下，效果不理想，为此，一套先进可靠的人员定位系统是非常重要的。当事故发生后，能够准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人员撤退路线、井下的环境监测情况等，为救援人员制定救援方案提供有力的信息保障。

目前市面上存在着一些人员定位系统，不足主要如下：

(1)井下人员的跟踪，标示卡基本上采用的是RFID。这种方法是在矿井井口处，或其它一些井下关键通道口，使用射频卡(RFID)读取的方法对下井人员进行记录跟踪的方法。这种标识卡存在以下问题：有效工作时间短；高速条件下定位人员漏检率较高，射频卡读卡速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况(例如乘车下井等)，会出现漏读的现象；通信方式要求较高的信噪比，抗干扰能力差，而井下环境条件十分复杂，干扰因素无处不在，特别是最关键的采掘工作面；读写距离有限，标示卡的方向位置和读写器天线的方向的匹配有一定的要求,系统的灵活性大受限制。

(2)单向信息传输，信息传输速率低。早期的人员定位系统信息传输的方向都是由标识卡到主站方向的，作为保证矿工安全的系统确没有办法向井下发送信息，使该类系统所能发挥的作用大打折扣。人员定位系统信息传输数据较低影响了系统的实时性。

(3)井下控制网或总线传输速率低、传输距离短、通信不可靠、误码率高，常常出现一个节点损坏导致整个系统瘫痪的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实时分析全员或任一人员与RF信号发射器的距离，随时了解员工在井下的分布情况并对其进行实时跟踪监控，能够及时、准确地将井下各个区域人员及设备的情况反映到地面计算机系统的基于RFID的煤矿人员定位系统，并且提供一种基于RFID的煤矿人员定位方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于RFID的煤矿人员定位系统，包括多个内置RF信号发射器的液压支架、顺槽集控中心、上位机、多个交换机，与交换机相连的读卡器，以及煤矿人员随身携带的标识卡；RF信号发射器发射低频RF信号，标识卡接收到低频RF信号后，将RF信号和标识卡本身标识信号通过读卡器上报到顺槽集控中心，顺槽集控中心将接收到的信息传输至上位机，通过上位机计算出标识卡相对于发送器的相对位置。

本发明的另一个目的是提供一种基于RFID的煤矿人员定位方法，包括以下步骤：

S1、等间距安装多个液压支架，液压支架内设有RF信号发射器，RF信号发射器向外发射低频RF信号，并记录信号发射时间，将信号发射时间与低频RF信号一并向外发射；

S2、标识卡接收到低频RF信号后，记录信号接收时间，将RF信号、信号发射时间、信号接收时间和标识卡本身标识通过读卡器上报到顺槽集控中心，顺槽集控中心将接收到的信息传输至上位机；上位机通过三角计算方法或者TDOA定位原理计算出标识卡相对于发送器的位置。

进一步地，三角计算方法的原理为：记标识卡位置为A，通过计算信号接收时间和信号发射时间的差值找出离标识卡最近的两个RF信号发射器，其位置记为B和C，利用三角形ABC计算标识卡在水平方向与竖直方向上相对于两个RF信号发射器的位置；其计算公式为：

a²＝b²+c²-2bc cos A

a/sin A＝b/sin B＝c/sin C

b＝a(sin B/sin A)

c＝a(sin C/sin A)

asin B＝b sin A＝hc

其中，a表示BC的长度，即两个RF信号发射器之间的距离；b表示AC的长度，即标识卡到其中一个RF信号发射器的距离；c表示AB的长度，即标识卡到另一个RF信号发射器的距离；h表示A到BC的垂直距离；式中，a为安装液压支架及RF信号发射器时确定的值，b、c通过两个发射信号与接收信号的时间差与信号传输速度相乘获得；通过上述计算公式得出的h值；记A点与BC的垂线在BC上的交点为D，通过h以及b、c分别计算出CD和BD的长度。

进一步地，所述TDOA定位原理为：利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置；

假设标识卡接收到第i个RF信号发射器发出的低频RF信号的时刻为t_i，且假设标识卡到第i个RF信号发射器的距离为r_i；

在RF信号发射器完全同步的情况下，得出标识卡相对于四组RF信号发射器的距离差分别为：

d_i12＝r₁-r₂＝(t₁-t₂)×c

d_i23＝r₂-r₃＝(t₂-t₃)×c

d_i34＝r₃-r₄＝(t₃-t₄)×c

d_i14＝r₁-r₄＝(t₁-t₄)×c

d_i12～d_i14为标识卡相对于四组RF信号发射器的距离差，c为信号传输速度；

做出以RF信号发射器为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是标识卡的位置；

假设空间布有N个基站，同时利用多个TDOA测量值构成关于标签位置的双曲线方程组，求解此方程组即得到标签坐标：

d_i,12、d_i,23、d_i,34分别表示第一和第二个RF信号发射器、第二和第三个RF信号发射器、第三和第四个RF信号发射器、第四和第一个RF信号发射器的距离差；(x_i，y_i,z_i)表示标识卡的坐标，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₅,y₄,z₄)分别表示第一、二、三、四个RF信号发射器的坐标。

本发明的有益效果是：本发明能够实时分析全员或任一人员与RF信号发射器的距离，随时了解员工在井下的分布情况并对其进行实时跟踪监控，能够及时、准确地将井下各个区域人员及设备的情况反映到地面计算机系统。并且具有低功耗、环境适应性强和定位精度高等特点。

附图说明

图1为本发明的基于RFID的煤矿人员定位系统的结构示意图；

图2为本发明的三角计算方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的一种基于RFID的煤矿人员定位系统，包括多个内置RF信号发射器的液压支架、顺槽集控中心、上位机、多个交换机，与交换机相连的读卡器，以及煤矿人员随身携带的标识卡；RF信号发射器发射低频RF信号，标识卡接收到低频RF信号后，将RF信号和标识卡本身标识信号通过读卡器上报到顺槽集控中心，顺槽集控中心将接收到的信息传输至上位机，通过上位机计算出标识卡相对于发送器的相对位置。

上位机：通过接收到的数据计算煤矿人员的位置。同时还可以提供对外接口，将人员定位数据传递给第三方平台。

读卡器：读卡器直接和人员标识卡进行通信，接收人员标识卡上报的位置信息。读卡器通过以太网与交换机连接。

RF信号发射器(内置电池)：为人员标识卡提供位置基准。内置电池，预计可以持续工作1年。并配置外接电源接口，从控制器取电。建议采用外接电源，可以将发射频率提高，提高定位精度。

人员标识卡(内置电池)：接收位置触发器提供的位置基准，计算所处的位置。将位置数据通过读卡器上报至上位机。内置电池，预计可以持续工作1年。

交换机：交换机提供以太网组网，并通过网线为读卡器供电(POE)。

基于RFID的煤矿人员定位方法，包括以下步骤：

S1、等间距安装多个液压支架，液压支架内设有RF信号发射器，所有RF信号发射器位于同一直线上，RF信号发射器向外发射低频RF信号，并记录信号发射时间，将信号发射时间与低频RF信号一并向外发射；

S2、标识卡接收到低频RF信号后，记录信号接收时间，将RF信号、信号发射时间、信号接收时间和标识卡本身标识通过读卡器上报到顺槽集控中心，顺槽集控中心将接收到的信息传输至上位机；上位机通过三角计算方法或者TDOA定位原理计算出标识卡相对于发送器的位置。

三角计算方法的原理为：记标识卡位置为A，通过计算信号接收时间和信号发射时间的差值找出离标识卡最近的两个RF信号发射器，其位置记为B和C，利用三角形ABC计算标识卡在水平方向与竖直方向上相对于两个RF信号发射器的位置；如图2所示，计算公式为：

a²＝b²+c²-2bc cos A

a/sin A＝b/sin B＝c/sin C

b＝a(sin B/sin A)

c＝a(sin C/sin A)

a sin B＝b sin A＝hc

其中，a表示BC的长度，即两个RF信号发射器之间的距离；b表示AC的长度，即标识卡到其中一个RF信号发射器的距离；c表示AB的长度，即标识卡到另一个RF信号发射器的距离；h表示A到BC的垂直距离；式中，a为安装液压支架及RF信号发射器时确定的值，b、c通过两个发射信号与接收信号的时间差与信号传输速度相乘获得；通过上述计算公式得出的h值；记A点与BC的垂线在BC上的交点为D，通过h以及b、c分别计算出CD和BD的长度。

TDOA定位原理为：利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置；

假设标识卡接收到第i个RF信号发射器发出的低频RF信号的时刻为t_i，且假设标识卡到第i个RF信号发射器的距离为r_i；

在RF信号发射器完全同步的情况下，得出标识卡相对于四组RF信号发射器的距离差分别为：

d_i12＝r₁-r₂＝(t₁-t₂)×c

d_i23＝r₂-r₃＝(t₂-t₃)×c

d_i34＝r₃-r₄＝(t₃-t₄)×c

d_i14＝r₁-r₄＝(t₁-t₄)×c

d_i12～d_i14为标识卡相对于四组RF信号发射器的距离差，c为信号传输速度；

做出以RF信号发射器为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是标识卡的位置；假设空间布有N个基站，同时利用多个TDOA测量值构成关于标签位置的双曲线方程组，求解此方程组即得到标签坐标：

d_i,12、d_i,23、d_i,34分别表示第一和第二个RF信号发射器、第二和第三个RF信号发射器、第三和第四个RF信号发射器、第四和第一个RF信号发射器的距离差；(x_i，y_i,z_i)表示标识卡的坐标，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₅,y₄,z₄)分别表示第一、二、三、四个RF信号发射器的坐标。通过求解出标识卡的坐标，然后计算标识卡离最近的两个RF信号发射器的距离。上述坐标只需在同一个坐标系中即可，坐标系原点和xyz轴的选取对计算结果不产生影响，本领域技术人员可以根据需要自行选择。

本发明的标识卡相对于RF信号发射器的距离是指标识卡到所有RF信号发射器所在的直线的垂直距离以及该垂直点到RF信号发射器的距离，通过这两个距离可以判断是标识卡是否在液压支架内部，若标识卡(即佩戴标识卡的人员)在液压支架内部，则对该液压支架进行闭锁，待人员离开后再重新启动该液压支架。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.基于RFID的煤矿人员定位系统，其特征在于，包括多个内置RF信号发射器的液压支架、顺槽集控中心、上位机、多个交换机，与交换机相连的读卡器，以及煤矿人员随身携带的标识卡；RF信号发射器发射低频RF信号，标识卡接收到低频RF信号后，将RF信号和标识卡本身标识信号通过读卡器上报到顺槽集控中心，顺槽集控中心将接收到的信息传输至上位机，通过上位机计算出标识卡相对于发送器的相对位置。

2.基于RFID的煤矿人员定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、等间距安装多个液压支架，液压支架内设有RF信号发射器，RF信号发射器向外发射低频RF信号，并记录信号发射时间，将信号发射时间与低频RF信号一并向外发射；

S2、标识卡接收到低频RF信号后，记录信号接收时间，将RF信号、信号发射时间、信号接收时间和标识卡本身标识通过读卡器上报到顺槽集控中心，顺槽集控中心将接收到的信息传输至上位机；上位机通过三角计算方法或者TDOA定位原理计算出标识卡相对于发送器的位置。

3.根据权利要求2所述的基于RFID的煤矿人员定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，三角计算方法的原理为：记标识卡位置为A，通过计算信号接收时间和信号发射时间的差值找出离标识卡最近的两个RF信号发射器，其位置记为B和C，利用三角形ABC计算标识卡在水平方向与竖直方向上相对于两个RF信号发射器的位置；其计算公式为：

a²＝b²+c²-2bc cos A

a/sin A＝b/sin B＝c/sin C

b＝a(sin B/sin A)

c＝a(sin C/sin A)

a sin B＝b sin A＝hc

其中，a表示BC的长度，即两个RF信号发射器之间的距离；b表示AC的长度，即标识卡到其中一个RF信号发射器的距离；c表示AB的长度，即标识卡到另一个RF信号发射器的距离；h表示A到BC的垂直距离；式中，a为安装液压支架及RF信号发射器时确定的值，b、c通过两个发射信号与接收信号的时间差与信号传输速度相乘获得；通过上述计算公式得出的h值；记A点与BC的垂线在BC上的交点为D，通过h以及b、c分别计算出CD和BD的长度。

4.根据权利要求2所述的基于RFID的煤矿人员定位方法，其特征在于，所述步骤S2中，TDOA定位原理为：利用多个基站接收到信号的时间差来确定移动目标的位置；

假设标识卡接收到第i个RF信号发射器发出的低频RF信号的时刻为t_i，且假设标识卡到第i个RF信号发射器的距离为r_i；

在RF信号发射器完全同步的情况下，得出标识卡相对于四组RF信号发射器的距离差分别为：

d_i12＝r₁-r₂＝(t₁-t₂)×c

d_i23＝r₂-r₃＝(t₂-t₃)×c

d_i34＝r₃-r₄＝(t₃-t₄)×c

d_i14＝r₁-r₄＝(t₁-t₄)×c

d_i12～d_i14为标识卡相对于四组RF信号发射器的距离差，c为信号传输速度；

做出以RF信号发射器为焦点，距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是标识卡的位置；

假设空间布有N个基站，同时利用多个TDOA测量值构成关于标签位置的双曲线方程组，求解此方程组即得到标签坐标：

d_i,12、d_i,23、d_i,34分别表示第一和第二个RF信号发射器、第二和第三个RF信号发射器、第三和第四个RF信号发射器、第四和第一个RF信号发射器的距离差；(x_i，y_i,z_i)表示标识卡的坐标，(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)、(x₃,y₃,z₃)、(x₅,y₄,z₄)分别表示第一、二、三、四个RF信号发射器的坐标。

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