CN206726018U - 水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统 - Google Patents

Abstract

一种水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，包括人员/物资定位系统、危险源监测报警系统、POE交换机、服务器和智能终端。人员/物资定位系统由定位基站和定位标签组成，定位基站和定位标签之间进行UWB无线通信。危险源监测报警系统由危险源监测终端和多个环境信息传感器组成，危险源监测终端与所定位基站之间进行UWB无线通信，定位基站通过以太网通信方式接入POE交换机，POE交换机与服务器连接进行数据的传输，智能终端通过HTTP协议对服务器进行数据的访问、获取和查看，对人员/物资定位系统和危险源监测报警系统进行管理、控制指令的下达。本实用新型能对水电站地下工程施工过程实行自动化、智能化、安全化的监控和管理。

Description

水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统

技术领域

本实用新型涉及地下工程施工管理领域，具体是一种水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统。

背景技术

水电站地下工程的施工过程面临施工条件差、施工环境复杂、管理难度大、安全风险高等问题，对该工程进行安全监控和管理是解决这些突出问题的一项重要途径。现阶段，国内所有大中型水电基建现场较少对人员、危险气体监控等应急救援与通讯联络体系进行研究应用，且尚无相关产品设备投入使用。

水电站地下工程因其空间结构的不同可以分为洞室、廊道、竖井，通常情况下洞室为方型空间，廊道为狭长型水平通道，竖井为狭长型竖直通道。这些通道和空间构成了水电站地下工程洞室群，它们在三维空间上彼此交错又互相连接，复杂的空间结构为施工过程的安全监控和管理造成困难。

为了确保水电站地下工程施工过程的安全性，对地下工程人员进行高精度实时定位、身份识别、考勤管理、巡检管理、跌落报警、应急响应，对地下工程环境进行危险气体阈值超限监测、气体趋势浓度超限预测、监测区域声光电报警，从而有效保障水电站地下工程施工过程的安全。

地下工程无法采用地面上现有的各种基于基站的无线通信技术，例如GSM、CDMA等，也无法采用卫星定位系统，例如GPS和北斗卫星。目前，较成熟的室内通讯定位技术如Zigbee技术和RFID技术，具有测距精度低、无法实现空间定位和实时性差的缺点，对于实现水电站地下施工过程人员实时监控具有局限性。

在危险气体监测方面，水电站地下工程通常聘请专业机构对洞室群定期定点地进行施工期危险气体浓度监测，从而实现危险气体的全过程监控，该过程具有实时性差且耗费人力物力的缺点，在安全施工时会构成隐患。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型提供一种水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其通过UWB无线通信技术实现人员/物资的实时定位、监控和管理，通过多通道数据采集技术实现危险气体的监测、预测和报警，通过以太网通信技术实现监测数据的上传和下达，该系统能对水电站地下工程施工过程实行自动化、智能化、安全化的监控和管理。

一种水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，包括人员/物资定位系统、危险源监测报警系统、POE交换机、服务器和智能终端，人员/物资定位系统由定位基站和定位标签组成，所述定位基站和定位标签之间通过UWB无线通信技术和TDOA定位技术实现距离数据传输和高精度定位，危险源监测报警系统由危险源监测终端和多个环境信息传感器组成，危险源监测终端分散地布置在地下工程中，在每个危险源监测终端的多通道外设接口接入环境信息传感器，实现对地下工程中各监测区域环境信息的监测，所述危险源监测终端与所述定位基站之间进行UWB无线通信，所述定位基站通过以太网通信方式接入POE交换机，POE交换机与服务器连接进行数据的传输，智能终端通过HTTP协议对服务器进行数据的访问、获取和查看，对人员/物资定位系统和危险源监测报警系统进行管理、控制指令的下达。

进一步，所述环境信息传感器包括温湿度传感器、风量/风速传感器、瓦斯气体传感器、PM2.5粉尘传感器。

进一步，所述定位基站包括第一微处理器及与第一微处理器连接的第一电源转换电路、以太网通信电路及第一UWB通信模块，所述定位基站通过以太网通信电路与POE交换机连接。

进一步，所述第一UWB通信模块包括依次连接的第一UWB通信电路、第一射频增强模块和第一天线。

进一步，所述定位标签包括第二微处理器及与第二微处理器连接的陀螺仪、电源供电电路、第二UWB通信模块，所述第二UWB通信模块用于与第一UWB通信模块通信实现所述定位标签与所述定位基站的UWB通信，单个定位标签通过所述第二UWB通信模块将测距信息发送给至少两个定位基站的第一UWB通信模块，第一UWB 通信模块将接收的测距信息传输给第一微处理器，从而获得定位标签的多个距离信息，所述至少两个定位基站将确定的定位标签的多个距离信息通过以太网通信电路传输给POE交换机，进而传送给服务器，服务器通过解析多个距离信息获取位置信息，智能终端通过与服务器通信即可获得所述定位标签的地址位置信息。

进一步，所述第二UWB通信模块包括依次连接的第二UWB通信电路、第二射频增强模块和第二天线。

进一步，所述定位标签还包括与第二微处理器连接的陀螺仪。

进一步，所述危险源监测终端包括信号接口模块、第三微处理器及与第三微处理器连接的第一信号处理模块、串口通信电路、第二信号处理模块、第三存储单元、第三电源转换电路、第三UWB通信模块、声光报警电路，所述第三UWB通信模块用于与所述第一UWB 通信模块通信实现所述危险源监测终端与所述定位基站的UWB通信，所述信号接口模块用于与各类型环境信息传感器连接。

进一步，所述第三UWB通信模块包括依次连接的第三UWB通信电路、第三射频增强模块、第三天线。

进一步，所述信号接口模块包括温湿度传感器输入端口、第一风量传感器输入端口、第二风量传感器输入端口、第二风量传感器输入端口、瓦斯气体传感器输入端口、PM2.5粉尘传感器输入端口，温湿度传感器输入端口和PM2.5粉尘传感器输入端口与第三微处理器连接，第一风量传感器输入端口、第二风量传感器输入端口、第二风量传感器输入端口分别为4mA-20mA信号输入端口、RS485信号输入端口和频率信号输入端口，4mA-20mA信号输入端口通过第一信号处理模块与第三微处理器连接，RS485信号输入端口通过串口通信电路与第三微处理器连接，频率信号输入端口直接与第三微处理器连接，瓦斯气体传感器输入端口通过第二信号处理模块与第三微处理器连接。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型能解决地下工程尤其是水电站地下工程施工过程的安全监控，实现人员/物资定位和危险气体监测一体化的自动化监控措施，填补了国内水电工程地下施工安全监控和应急响应系统技术、产品和设备的空白。

2、本实用新型的人员/物资定位系统和危险源监测系统均采用了 UWB无线通信方式，该方式具有传输速度快、功耗低、抗干扰好的优点，结合TDOA算法能达到10cm级别的高精度的定位，使安全监控过程更加实时、准确、高效。

3、本实用新型的人员/物资定位系统采用了陀螺仪电路，增加了人员意外跌落时触发报警的功能。

4、本实用新型的人员/物资定位系统采用了POE供电方式，这种供电方式下，省去了供电电缆，避免了强电环境，大大简化了安装过程，提高了安全性。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图；

图2是本实用新型的系统原理框图；

图3是本实用新型中定位基站的硬件结构框图；

图4是本实用新型中定位标签的硬件结构框图；

图5是本实用新型中危险源监测终端的硬件结构框图。

图中：11—第一微处理器，12—第一存储单元，13—第一电源转换电路，14—指示灯电路，15—以太网通信电路，16—第一UWB通信电路，17—第一射频增强模块，18—第一天线，

21—第二微处理器，22—第二存储单元，23—陀螺仪，24—按键报警电路，25—电源供电电路，251—第二电源转换电路，252—充电电路，253—充电电池，26——第二UWB通信电路，27—第二射频增强模块，28—第二天线，

31—第三微处理器，32—信号接口模块，321—温湿度传感器输入端口，322—第一风量传感器输入端口，323—第二风量传感器输入端口，324—第三风量传感器输入端口，325—瓦斯气体传感器输入端口，326—PM2.5粉尘传感器输入端口，33—第一信号处理模块，34—串口通信电路，35—第二信号处理模块，36—第三存储单元，37—第三电源转换电路，381—第三UWB通信电路，39—声光报警电路， 382—第三射频增强模块，383—第三天线。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1及图2，本实用新型水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统包括人员/物资定位系统、危险源监测报警系统、 POE交换机、服务器和智能终端。

人员/物资定位系统和危险源监测报警系统通过以太网通信方式接入POE交换机，POE交换机与服务器连接进行数据的传输，智能终端通过HTTP协议对服务器进行数据的访问、获取和查看，对人员 /物资定位系统和危险源监测报警系统进行管理、控制指令的下达。

所述人员/物资定位系统由定位基站和定位标签组成。定位基站按照其信号覆盖范围分散地布置在地下工程中，是固定的；定位标签被人员/物资携带，是可移动的。定位基站和定位标签之间通过UWB 无线通信技术和TDOA定位技术实现距离数据传输和高精度定位。在狭长空间结构区域(即廊道和竖井)，每2个定位基站构成线型网络，实时获取通信范围内定位标签的距离数据，通过TDOA定位算法可精确定位标签实时位置；在方形空间结构区域(即洞室)，每3 个基站构成网状网络，实时获取通信范围内定位标签的距离数据，通过TDOA定位算法可精确定位标签实时位置。

请参考图3，所述定位基站包括第一微处理器11及与第一微处理器连接的第一存储单元12、第一电源转换电路13、指示灯电路14、以太网通信电路15，第一微处理器11与、第一UWB通信电路16、第一射频增强模块17和第一天线18依次连接。指示灯电路14通过 LED灯“灭”、“闪烁”、“常亮”指示定位基站的通信情况，第一电源转换电路13为DC-DC转换电路，使定位基站能够采用DC48V输入电压供电。以太网通信电路15用于与POE交换机连接，实现与POE 交换机的以太网通信。

请参考图4，所述定位标签包括第二微处理器21及与第二微处理器21连接的第二存储单元22、陀螺仪23、按键报警电路24、电源供电电路25、第二微处理器21与第二UWB通信电路26、第二射频增强模块27和第二天线28依次连接。所述电源供电电路25包括第二电源转换电路251(例如DC-DC电路)、充电电路252(例如 USB充电电路)和充电电池253(例如锂离子电池)，定位标签可实现锂离子电池单独供电、锂离子电池充电过程中供电和单独USB端口供电三种方式。

所述危险源监测报警系统由危险源监测终端、多类型传感器组成。危险源监测终端分散地布置在地下工程中，且位于定位基站的覆盖范围内，在每个监测终端的多通道外设接口，依次接入温湿度传感器、风量/风速传感器、瓦斯气体传感器、PM2.5粉尘传感器，实现对地下工程中各监测区域温湿度、风量、风速、瓦斯气体、粉尘、烟雾等环境信息的监测。

请参考图5，所述危险源监测终端包括信号接口模块32、第三微处理器31及与第三微处理器31连接的第一信号处理模块33、串口通信电路34、第二信号处理模块35、第三存储单元36、第三电源转换电路37、、声光报警电路39、信号隔离电路，信号隔离电路与外设供电输出端口连接，第三微处理器31与第三UWB通信电路381、第三射频增强模块382、第三天线383依次连接危险源监测终端提供 6路传感器输入端口、1路外设供电输出端口，即信号接口模块32包括温湿度传感器输入端口321、第一风量传感器输入端口322、第二风量传感器输入端口323、第三风量传感器输入端口324、瓦斯气体传感器输入端口325、PM2.5粉尘传感器输入端口326，其中温湿度传感器输入端口321直接与第三微处理器31连接，第一风量传感器输入端口322、第二风量传感器输入端口323、第三风量传感器输入端口324分别为4mA-20mA信号输入端口、RS485信号输入端口和频率信号输入端口，4mA-20mA信号输入端口通过第一信号处理模块 33(信号调理电路与A/D转换电路)与第三微处理器31连接，RS485 信号输入端口通过串口通信电路34与第三微处理器31连接，频率信号输入端口直接与第三微处理器31连接。瓦斯气体传感器输入端口 325通过第二信号处理模块35(信号调理电路与A/D转换电路)与第三微处理器31连接。PM2.5粉尘传感器输入端口326直接与第三微处理器31连接。第三电源转换电路37为DC-DC转换电路，使危险源监测终端能够采用DC48V输入电压供电。

第三UWB通信电路381、第三射频增强模块382和第三天线383 用于与定位基站的第一UWB通信电路16、第一射频增强模块17和第一天线18通信连接，实现危险源监测终端与定位基站的UWB无线通信。

本实用新型的工作原理如下：

单个定位标签通过第二UWB通信电路26、第二射频增强模块 27和第二天线28将测距信息发送给至少两个定位基站的第一天线18，第一天线18接收信号后通过第一射频增强模块17将信号增强后传输给第一UWB通信电路16，第一UWB通信电路16将接收的测距信息传输给第一微处理器11，从而获得定位标签的多个距离信息。所述至少两个定位基站将确定的定位标签的多个距离信息通过以太网通信电路15传输给POE交换机，进而传送给服务器，服务器通过解析多个距离信息获取位置信息，智能终端通过与服务器通信即可获得所述定位标签的地址位置信息。

所述定位标签中的按键报警电路24可在施工过程中遇到意外或危险时，按下按钮即可发出报警信号，在施工过程中意外跌落时，陀螺仪23能自动触发跌落报警信号，通过第二UWB通信电路26、第二射频增强模块27和第二天线28即可发送给所述定位基站，所述定位基站进而将报警信号通过以太网通信传送给POE交换机，然后传送给服务器，服务器可自动将报警信号发送给智能终端，以提示附近相关人员进行施救。

所述危险源监测终端与多类型传感器(温湿度传感器、风量/风速传感器、瓦斯气体传感器、PM2.5粉尘传感器)连接，可将检测的传感器信号通过第三UWB通信电路381、第三射频增强模块382和第三天线383传送给定位基站，然后通过POE交换机传送给服务器，智能终端通过HTTP协议对服务器进行数据的访问、获取和查看，即可实时查询到相关传感器监测信号，实现对地下工程中各监测区域温湿度、风量、风速、瓦斯气体、粉尘、烟雾等环境信息的监测。

所述人员/物资定位系统主要由定位标签及定位基站组成，它们基于ARM嵌入式处理器和UWB超宽带脉冲无线通信技术，内置 UWB通信、射频增强、陀螺仪、以太网通信等模块，可实现：

(1)水电站地下工程人员和工程物资的实时位置监控；

(2)水电站地下工程人员施工过程意外跌落情况的监控和报警；

(3)水电站地下工程人员遇紧急情况的一键报警；

(4)辅助水电站地下工程人员身份识别、考勤、巡检等综合管理；

所述危险源监测报警系统主要由危险源监测终端及多类型传感器组成，它们基于ARM嵌入式处理器，内置UWB通信、高精度16 位A/D转换等模块，可实现：

(1)水电站地下工程温湿度、风量等环境信息的实时监测；

(2)水电站地下工程危险气体、烟雾/粉尘浓度实时监测和阈值报警；

(3)水电站地下工程危险气体、烟雾/粉尘浓度变化趋势的监测和危险预警。

(4)水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，有效保障了水电站地下施工过程的安全和高效。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：包括人员/物资定位系统、危险源监测报警系统、POE交换机、服务器和智能终端，人员/物资定位系统由定位基站和定位标签组成，所述定位基站和定位标签之间通过UWB无线通信技术和TDOA定位技术实现距离数据传输和高精度定位，危险源监测报警系统由危险源监测终端和多个环境信息传感器组成，危险源监测终端分散地布置在地下工程中，在每个危险源监测终端的多通道外设接口接入环境信息传感器，实现对地下工程中各监测区域环境信息的监测，所述危险源监测终端与所述定位基站之间进行UWB无线通信，所述定位基站通过以太网通信方式接入POE交换机，POE交换机与服务器连接进行数据的传输，智能终端通过HTTP协议对服务器进行数据的访问、获取和查看，对人员/物资定位系统和危险源监测报警系统进行管理、控制指令的下达。

2.如权利要求1所述的水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：所述环境信息传感器包括温湿度传感器、风量/风速传感器、瓦斯气体传感器、PM2.5粉尘传感器。

3.如权利要求1所述的水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：所述定位基站包括第一微处理器(11)及与第一微处理器连接的第一电源转换电路(13)、以太网通信电路(15)及第一UWB通信模块，所述定位基站通过以太网通信电路(15)与POE交换机连接。

4.如权利要求3所述的水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：所述第一UWB通信模块包括依次连接的第一UWB通信电路(16)、第一射频增强模块(17)和第一天线(18)。

5.如权利要求3或4所述的水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：所述定位标签包括第二微处理器(21)及与第二微处理器(21)连接的陀螺仪(23)、电源供电电路(25)、第二UWB通信模块，所述第二UWB通信模块用于与第一UWB通信模块通信实现所述定位标签与所述定位基站的UWB通信，单个定位标签通过所述第二UWB通信模块将测距信息发送给至少两个定位基站的第一UWB通信模块，第一UWB通信模块将接收的测距信息传输给第一微处理器(11)，从而获得定位标签的多个距离信息，所述至少两个定位基站将确定的定位标签的多个距离信息通过以太网通信电路(15)传输给POE交换机，进而传送给服务器，服务器通过解析多个距离信息获取位置信息，智能终端通过与服务器通信即可获得所述定位标签的地址位置信息。

6.如权利要求5所述的水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：所述第二UWB通信模块包括依次连接的第二UWB通信电路(26)、第二射频增强模块(27)和第二天线(28)。

7.如权利要求5所述的水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：所述定位标签还包括与第二微处理器(21)连接的按键报警电路(24)。

8.如权利要求3或4所述的水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：所述危险源监测终端包括信号接口模块(32)、第三微处理器(31)及与第三微处理器(31)连接的第一信号处理模块(33)、串口通信电路(34)、第二信号处理模块(35)、第三存储单元(36)、第三电源转换电路(37)、第三UWB通信模块、声光报警电路(39)，所述第三UWB通信模块用于与所述第一UWB通信模块通信实现所述危险源监测终端与所述定位基站的UWB通信，所述信号接口模块(32)用于与各类型环境信息传感器连接。

9.如权利要求8所述的水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：所述第三UWB通信模块包括依次连接的第三UWB通信电路(381)、第三射频增强模块(382)、第三天线(383)。

10.如权利要求8所述的水电站地下工程施工人员和危险气体联动监控系统，其特征在于：所述信号接口模块(32)包括温湿度传感器输入端口(321)、第一风量传感器输入端口(322)、第二风量传感器输入端口(323)、第二风量传感器输入端口(324)、瓦斯气体传感器输入端口(325)、PM2.5粉尘传感器输入端口(326)，温湿度传感器输入端口(321)和PM2.5粉尘传感器输入端口(326)与第三微处理器(31)连接，第一风量传感器输入端口(322)、第二风量传感器输入端口(323)、第二风量传感器输入端口(324)分别为4mA-20mA信号输入端口、RS485信号输入端口和频率信号输入端口，4mA-20mA信号输入端口通过第一信号处理模块(33)与第三微处理器(31)连接，RS485信号输入端口通过串口通信电路(34)与第三微处理器(31)连接，频率信号输入端口直接与第三微处理器(31)连接，瓦斯气体传感器输入端口(325)通过第二信号处理模块(35)与第三微处理器(31)连接。