专利名称：一种井下人员定位搜救系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种井下人员定位搜救系统。本发明具体涉及WI-FI无线通信，无线定位等技术领域。
背景技术：
井下人员定位是安全生产的重要措施。多年来人们采用各种方法井下人员位置进行检测，当矿井发生意外事故时，定位系统可为人员搜救工作提供重要的参考。但目前的定位和搜救系统存在以下不足。目前实际使用以射频识别技术(RFID)为主，RFID利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与其它接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可实现对人员或物体在不同状态下的自动识别和位置监测。典型的射 频识别系统主要包括射频卡和读写器两部分。使用RFID具有以下问题I. RFID通信距离有限，有源RFID卡最远无障碍通信距离80米；2. RFID卡读写设备的体积较大,不便于携带。3.不便于双向通信。基于无线传感器网络的定位系统，如Zigbee定位系统，在井下实际使用中存在以下问题I. Zigbee无线传感器网络的组网需网络核心设备协调器、路由器支持，网络核心设备特别是协调器损坏，网络将全部瘫痪。无法支持搜救定位。2. Zigbee无线传感器网络的通信必须有网络支持，不支持点对点通信。在无网络支持时，定位终端无法与其他设备通信。3.无法获知被困人员的当前活动状态。“Ad hoc网络”是IEEE802. 11标准委员会制定的一种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，在Ad hoc网络中，结点具有报文转发能力，结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发，即经过多跳(MultiHop)，这是Ad hoc网络与其他移动网络的最根本区别。结点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和运行。因此它也被称为多跳无线网(MultiHop Wireless Network)、自组织网络(SelfOrganized Network)或无固定设施的网络(Infrastructureless Network),大多WI-FI无线网络的模块同时支持Ad hoc网络。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够准确定位井下人员，并能在矿井发生意外事故，人员被困，固定通信设施被损坏而无法工作时，具有搜索被困人员位置功能和双向通信功能的定位与搜救系统。本发明所述井下人员定位搜救系统包括定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站、定位装置和搜救装置；有线通信子系统主要包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站主要包括防爆箱、电源，备用电池、无线接入设备、天线隔离器和天线；在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的无线交换机和定位服务器；定位装置与无线通信基站通过无线方式通信；定位服务器通过井下工作人员随身携带的定位装置实现人员定位，定位装置定时向定位服务器发送使用人员的位置、身份及活动状态等信息；定位装置与搜救装置通过Ad hoc组网方式实现无线通信；搜救装置部件包括处理器、无线通信、按键、存储、显示屏、LED指示灯、蜂鸣器、温度传感器和电源电路等部分；搜救装置搜救的具体过程如下I.初始化系统,设置通信单元具有Ad hoc组网功能,开启IP地址分配功能；2.搜救装置组织Ad hoc网络成功后开启TCP/IP或UDP通信，在搜救装置到达定位装置的通信距离时，定位装置自动连接搜救装置，自动建立TCP/IP或LDP通信链路；
3.链路建立成功后，定位装置定时检测搜救装置的信号场强。4.定位装置通过与搜救装置的通信链路向搜救装置发送场强信息、自身的身份号及振动传感器获得的振动状态信息。5.搜救装置接收到定位装置发送来的信息后，根据信号场强计算距离。场强与距离的公式为参考经验公式，相关参数通过现场测量得到，如下
「 IA-Rct+X,J =式中A为信号传播Im远时接收信号的功率；η为传播因子也称为损耗指数，其数值大小取决于无线信号的传播环境；Rd为定位装置接收到的无线基站的信号强度，即RSSI值；X5为零均值的高斯分布正态随机变量6.搜救装置的IXD屏显示信号场强及估算距离、定位装置的身份号，及被困人员的振动传感器感应状态信息，搜救人员可根据振动状态信息综合判断被困人员的活动状态，便于实施相应搜救措施。7.搜救装置通过声音及灯光指示搜救装置与被困人员的距离，在接收到被困人员所携定位装置发来的信息后，根据计算得到的距离发出不同间隔频率的声音和灯光，距离越短声音和灯光闪烁频率越高，使用者可不看LCD显示屏，只通过听声音或观察灯光闪烁情况即可知道被困人员所距距离，用以提高搜救工作效率。当搜索到多个定位装置时，以距离最近的为目标指示。8.搜救装置与定位装置双向通信，即当定位装置通过与搜救装置的通信链路搜救装置可向被困人员所携的定位装置发送信息，被困人员也可使用定位装置向搜救装置发送信息。9.温度检测，定位装置内部有温度传感器，具有温度检测功能，可在IXD显示屏显不头时温度10.上传搜救纪录，在通信设施未损坏无线网络通信正常区域，向定位服务器通信上传搜救纪录。本发明的特点I.搜救装置和被困人员所携定位装置自组织网络，无需任何其它固定基础网络设施支持，各结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，可以快速高效自动地组网通信，具有较高的搜索灵敏度。
2.搜救装置和被困人员所携定位装置组成Ad hoc网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动，网络结构随时变化，结点可以随时加入和离开网络，便于移动工作和连续搜索。3.搜救装置不仅定位被困人员位置，而且可获知被困人员的生命活动状态，避免无效的工作，节约宝贵救援的时间，提高救援效率。
图I定位搜救系统定位工作示意2定位搜救系统搜救工作示意3搜救装置硬件构成框图
图4搜救装置的系统框图 图5搜救装置工作流程6定位装置连接搜救装置工作流程图
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
对本发明做进一步的描述。 如图I和图2所示，所述定位搜救系统组成包括井下人员定位搜救系统包括定位服务器(I)、有线通信子系统、无线通信基站
(2)定位装置(3)和搜救装置(6)。有线通信子系统是整个定位搜救系统的骨干网络，有线通信子系统以光纤为主要传输介质。有线通信子系统还包括分光器，无线交换机(5)等网络管理设备。在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的服务器。无线通信基站主要功能是WI-FI无线接入，无线通信基站包括防爆箱、电源，备用电池、无线接入设备、天线隔离器及天线。无线接入设备在标准WI-FI网络中称为AP (Access Point)，负责无线终端设备接入有线以太网，通过无线通信基站将WI-FI无线局域网覆盖各巷道。每个AP分配有服务集标识符SSID和不同的物理地址，定位系统根据AP的标识区别不同的无线通信基站，无线通信基站支持无线终端设备的跨区域漫游，同时无线通信基站在定位运算时被作为定位基准参考点，无线通信基站的位置信息和标识信息存贮在定位服务器和定位装置的存储子系统中，为定位运算提供依据。定位装置作为标准WI-FI终端设备接入WI-FI无线局域网与井上定位服务器通信。定位服务器负责系统通信管理、数据存储和为监控终端提供人员及设备的信息服务。生产管理人员通过监控终端(4)访问定位服务器实现对井下工作人员及相关设备的实时监控，监控终端具有地图显示，工作人员位置及资料显示查询，工作人员位置统计，历史位置追踪查询等功能。地理信息平台可使用MapX地图化部件，矿井地图为巷道二维剖面化的矢量地图，地图文件为MapInfo格式。图2为定位与搜救系统搜救工作示意图，当固定通信接入设备发生故障，搜救装置(6)与定位装置(3)建立Ad hoc网络，由搜救装置组织网络为定位装置分配IP地址。图3所示实施例中，搜救装置硬件组成包括以下部分I.处理器(306)选择TI公司的MSP430F147单片机。该型号为16位RISC结构，具有32kFlash，IkRAM ;并有5种低功耗模式，丰富的片内外围模块，灵活的时钟系统等诸多优点。MSP430可在I. 8 3.6V低电压下工作，系统采用3. 3V工作电压。MSP430F147内置精度为12位200kps的A/D转换器。I位非线性微分误差，I位非线性积分误差，4种模数转换模式。2. WI-FI通信(307)部分包括WI-FI通信模块和天线，WI-FI通信模块采用以ConnectOne公司的iChip系列加密联网控制芯片C02128为核心的方案的产品，模块内部包括射频模块、通信接口模块、状态控制和检测模块和存储器；天线采用定向天线。3.按键(304)控制电路由4个按键组成，采用独立按键式键盘，结合显示屏的显示介面，实现各功能和状态的切换。
·
4.存储(305)芯片采用I片24C512，由于所述定位装置只使用了一个存储芯片，不需设置片选地址，所以24C512的片点选管脚全部接地。24C512使用I2C总线通信，，使用两个标准I/O接口加上拉电阻连接SCL和SDA管脚，实现处理器与存储芯片通信控制。5. IXD显示屏(301)采用两行点阵型液晶显示模块，具有功耗低、供应电压范围宽等特点，视域尺寸60. 5 X 18. Omm, 54. 8 X 18. 3mm,处理器通过8个I/O 口向液晶模块传输显示数据，另通过4个I/O 口驱动控制液晶模块。6. LED指示灯(302)采用两个贴片LED，分别是红色和绿色，绿色作为系统状态指示，状态包括电源指示和充电指示等，红色LED作为状态指示,状态包括信息指示、搜索指示和距离指示等。7.蜂鸣器(303)，采用无源蜂鸣器。8.温度传感器(310)硬件部分包括温敏电阻和惠斯特电桥，温敏电阻具有良好的线性度，并且精度高、可靠性好，·通过惠斯特电桥测量作为温度敏感元件的温敏电阻电阻变化，温敏电阻作为其中一个桥臂电阻，将电阻的变化量直接转换为桥压的变化。MSP430147的ADC12的模块内核是共用的，通过前端的模拟开关来分别完成采集输入。所以温敏电阻所在桥臂可选接12个AD模拟量输入口的任一口用于检测桥压变化。。MSP430F147单片机A/D转换参考基准电压可使用外部输入的参考基准电压，也可使用内部参考电压发生器产生的参考基准电压，可通过设置ADC12CTL控制寄存器完成A/D转换设置。由于使用单片机内部参考电压会增加处理器的功耗，出于装置的节电设计考虑，选用外部参考电压，以保证装置的工作时间。对于检测到的信号还需通过处理器进行软件滤波。如图4所示实施例中，搜救装置的系统组成包括I.采集子系统(401)，负责装置输入信号的采集，包括温度信息采集、振动传感器感应信号的采集、电压采集计步运算及按键动作采集。2.定位子系统(402)，负责从WI-FI通信模块采集周边WI-FI接入点到模块的信号场强，并根据场强信号、接入点的位置信息，结合佩戴人员的步长步数运算得到定位装置的位置，通过通信子系统上传至定位服务器。3.通信子系统(403)，负责装置与系统及外界设备的通信，包括WI-FI无线通信控制，UART通信控制。4.显示子系统(404)，负责装置的IXD屏的驱动和信息的显示。5.控制子系统(405)，负责控制装置的蜂鸣器、LED、IXD背光、电源等硬件单元实现各自功能。6.存储子系统(406)，负责控制装置与存储芯片之间的通信，实现数据的存储和读取操作。图5为搜救装置工作流程图，初始化系统后，搜救装置自动搜索定位装置(501)，搜救装置具有Ad hoc组网功能，在搜救装置到达定位装置的通信距离时，搜救装置为定位装置分配IP地址(502)，搜救装置接受定位装置的连接(503)，开启通信服务建立通信链路(504)，链路建立成功后，定位装置定时检测搜救装置的信号场强，定位装置通过与搜救装置的通信链路向搜救装置发送场强信息和自身的身份号(505)。搜救装置接收到定位装置发送来的信息后解析得到定位装置检测到的搜救装置的信号场强，将场强代入经验公式
J =计算得到搜救装置与定位装置的距离(506);搜救装置内部有温度传感器，具有
温度检测功能，定时监测环境温度(507);通过LCD屏显示信号场强定位装置的身份号及定位装置感应到的使用者的最后活动时间，搜救者可以此作为判断被困者活动状态的参考；搜救装置根据与定位装置的距离发出不同间隔频率的声音和灯光(508)，距离越短声音和灯光闪烁频率越高，使用者可不看LCD显示屏，只通过听声音或观察灯光闪烁情况即可知道被困人员的距离，用以提高搜救工作效率；LCD显示屏显示实时温度；搜救装置具有时钟 功能，可实时显示当前的时间，可使佩戴者能够实时掌握准确的时间。搜救人员可通过LCD屏显示提示和操作按键将搜救装置设置为上传记录状态(509)，在上传记录状态下，搜救装置的通信子系统修改WI-FI通信模块设置(510)，将其工作状态设置为普通WI-FI网络终端节点方式，搜救装置搜索附近正常工作的无线通信基站，如发现则自动连接入WI-FI网络，连接定位服务器TCP服务端口以TCP方式发送未上传的搜索记录(512)，当全部记录上传后自动恢复WI-FI通信模块转入Ad hoc组网工作方式(513)，继续搜索定位装置(501)。图6所示实施例中，定位装置在TCP连接通信方式下自动搜索专用搜救装置和呼救实施过程示例如下定位装置与定位服务器通信双方以客户端-服务器端方式建立TCP连接(601)，定位装置作为客户端连接定位服务器固定IP地址及端口，定位服务器端为服务器方使用固定IP地址及固定端口，上下行信息基于TCP链路通道传输。当链路通道上没有数据传输时，定位装置应每隔时间S(602)发送链路检测数据包(603)以维持TCP连接，系统开始计时当链路检测数据包发出超过时间K后未收到回复(604)，立即再发送链路检测包(603);在连续发送R次(605)后仍未收到回复则判定链路无效，数据发送方主动断开此连接(614)重复TCP连接过程(601);如果TCP未能连接成功，则重新连接网络，如在超过G次仍未连接上网络(606)则自动进入求救搜索模式(608)，通信子系统设置WI-FI通信模块进入搜索搜救装置状态，在此状态下定位装置支持Ad hoc方式组网；如定位装置与定位服务器TCP连接未成功次数(606)未达到G次，则在IXD屏显示提示信息，使用者可随时常按定位装置的特定功能键手动控制定位装置进入求救模式(608);当定位装置搜索到附近搜救装置的信号时，加入搜救装置组织的Ad hoc网络，自动获取搜救装置分配的IP地址，通过TCP连接到搜救装置(610)，检测搜救装置信号场强(611)，通过TCP连接通道向搜救装置发送场强、定位装置身份及最后振动时间等信息(612)，间隔时间H(613)后重复检测场强(611)和发送信息(612)过程；如果定位装置未检测到搜救装置信号则重复声光呼救(609)继续搜索搜救装置信号。作为数据接收方的定位服务器也可主动定时检测链路，超过时间SI未收到定位装置的上传数据或链路检测数据包，则判定链路失效，主动断开与此定位装置的连接。参数S、K、R、G、H、SI可根据链路情况设定。
权利要求
1.一种井下人员定位搜救系统，包括定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站、定位装置和搜救装置；有线通信子系统包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站包括防爆箱、电源，备用电池、无线接入设备、天线隔离器和天线；在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过光纤连接井上的无线交换机和定位服务器；定位装置与无线通信基站通过无线方式通信；定位装置用于定位和人体活动检测；定位装置定时向定位服务器发送使用人员的位置、身份及活动状态等信息；定位装置在有线通信网络和无线通信基站发生故障时与搜救装置通过Ad hoc组网方式实现无线通信；搜救装置的工作包括以下步骤搜救装置处理器控制无线通信模块实现自动Ad hoc组网，接受井下人员携带的定位装置或呼救装置的无线连接，并为其分配IP地址；接收定位装置发送来的与搜救装置之间的场强信息和身份号；根据场强信息计算与定位装置的距离；通过显示屏显示定位装置距离、身份号及定位装置感应到的使用者最近一次活动的时间；声音及灯光指示搜救装置与被困人员的距离，根据计算的距离发出不同间隔频率的声音和灯光；搜救装置与定位装置相互发送文字信息；上传搜救纪录。
2.如权利要求I所述的井下人员定位搜救系统，其特征在于定位装置用于定位并检测使用人员活动状态，在与定位服务器正常通信的情况下，定时发送使用人员的位置信息、身份及活动状态。
3.如权利要求I所述的井下人员定位搜救系统，其特征在于当定位装置一段时间未能连接入固有无线网络时，自动连接由搜救装置组织的Ad hoc网络，并向搜救装置发送信号场强、身份号及最近一次活动时间等信息，使搜救系统获得被困人员的位置、身份及活动状态。
4.如权利要求I所述的井下人员定位搜救系统，其特征在于搜救装置包括处理器、无线通信部件、按键、存储、显示屏、LED指示灯、温度传感器和电源电路。
5.如权利要求I所述的井下人员定位搜救系统，其特征在于搜救装置接收定位装置发送来信息，解析获得搜救装置之间的场强信息和身份号，并通过显示屏显示。
6.如权利要求I所述的井下人员定位搜救系统，其特征在于搜救装置跟据定位装置发回的场强Rd计算搜救装置与定位装置的距离，公式如下 A-Iid+X^ 式中A为信号传播Im远时收信号的功率； η为传播因子也称为损耗指数，其数值大小取决于无线信号的传播环境； Rd为定位装置接收到的无线通信基站的信号强度，即RSSI值； X5为零均值的高斯分布正态随机变量。
7.如权利要求I所述的井下人员定位搜救系统，其特征在于搜救装置通过LCD显示定位装置距离、身份号及定位装置感应到的最近一次振动的时间，由此判断目前定位装置使用者的活动状态。
8.如权利要求I所述的井下人员定位搜救系统，其特征在于搜救装置通过声音及灯光指示搜救装置与被困人员的距离，根据计算的距离发出不同间隔频率的声音和灯光，距离越近频率越高。
9.如权利要求I所述的井下人员定位搜救系统，其特征在于搜救装置在无线网络通信正常区 域，向定位服务器上传搜救纪录。
全文摘要
本发明公开了一种井下人员定位搜救系统，系统包括定位服务器、监控终端、有线通信子系统、无线通信基站、定位装置和搜救装置；有线通信子系统主要包括光纤、分光器和无线交换机；无线通信基站主要包括防爆箱、电源，备用电池、无线接入设备和天线等设备；在井下间隔一定距离安装无线通信基站，无线通信基站通过有线通信子系统连接井上定位服务器；定位装置与无线通信基站通过无线方式通信；定位服务器通过井下工作人员随身携带的定位装置实现人员定位，定位装置定时向定位服务器发送使用人员的位置、身份号等信息；搜救装置可直接与定位装置无线通信；搜救系统可定位被困人员位置，避免无效的工作，节约宝贵救援的时间，提高救援效率。定位搜救系统是集井下人员跟踪定位、调度管理、灾后搜救等一体的综合系统。
文档编号H04W64/00GK102932740SQ20121046430
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者孙继平, 刘毅 申请人:中国矿业大学(北京)