基于uwb技術的礦井環境監控與救援管理系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一套基于UWB技術的礦井環境監控與救援管理系統。系統采用以太網架構，井下定位基站設有定位模塊和環境監控模塊，定位基站的數據通過以太網上傳至地面監控中心，定位標簽設有定位模塊和生命狀態監測模塊。系統將環境監控、定位和生命探測進行有效的整合，可為救援方案的制定提供全面的救援信息，提高救援效率。
【專利說明】基于UWB技術的礦井環境監控與救援管理系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種礦井環境監控與救援管理系統，特別是涉及一種針對井下環境復 雜、定位困難等問題的基于UWB技術的礦井環境監控與救援管理系統。
【背景技術】
[0002] 近年來我國礦難頻發，一項對自2008年以來10起重大礦難事故的統計表明：70% 的礦難原因是瓦斯爆炸，20%為透水，其他10%。因此，這些都是因為缺乏對井下瓦斯、水 汽環境進行有效監控和預警。而且，如果能夠對井下人員、車輛等設備的實時定位監控，也 能為緊急情況下的救援工作提供有效幫助信息，可大大提高救援效率，降低人員傷亡率。例 如，2011年11月10日，云南師宗縣發生瓦斯和煤炭突出事故，造成當班43人被困，截至11 日凌晨，已證實其中21人死亡，另22人失蹤。但是由于事發礦井不能確定被困人員位置， 又花費了大量時間清理阻礙救援路線的礦車，使救援極為緩慢，最終造成30人死亡，僅13 人獲救。因此，由于對井下環境缺乏監控預警導致了這起事故的發生，以及缺乏對井下人員 和設備的定位監控，影響了救援進度，帶來重大人員傷亡。
[0003] 井下定位技術是礦井環境監控與救援管理系統的最關鍵技術。然而由于井下特殊 的地下環境，很多定位技術如GPS定位、GSM/GPRS定位不可能應用到礦井中去。而現在廣泛 使用的井下定位技術如RFID、ZigBee、WiFi等都存在定位精度不高、抗干擾能力差等問題。 近年來，從軍事轉為民用的UWB定位技術為上述問題提供了新的有效解決方案，UWB技術不 僅定位精度高、抗多徑效應能力強、信號穿透力強，還具有高通訊速率、低功耗、保密性能好 等優點。
[0004] 因此，以UWB精確定位技術為基礎，集環境監控、人員定位、人員管理、設備管理、 通信于一體的礦井環境監控與救援管理綜合監控管理系統，可有效預防礦難發生，礦難發 生后也可為緊急救援提供重要信息；亦可為礦車調度、勘探與生產安排提供有力支撐，對保 障礦井安全生產、提高生產管理效率都有重要的意義。
【發明內容】
[0005] 本發明要解決的技術問題是：基于UWB無線通信/定位技術，提出一套基于UWB的 礦井環境監控與救援管理系統，該系統可提供全面的救援管理信息，具有厘米級的定位精 度。
[0006] 本發明的技術解決方案如下：
[0007] 1、基于UWB技術的礦井環境監控與救援管理系統，包括：UWB定位基站、UWB定位標 簽、工業以太網、上位機監控管理軟件。設計的礦井環境監控與救援管理系統系統框圖如圖 附圖1所示。
[0008] 定位標簽集成了 UWB定位/通信模塊、生命監測模塊，定位基站集成了 UWB位/通 信模塊、環境監測模塊、網絡接入模塊（網卡），如附圖2所示。定位基站和定位標簽的UWB 模塊既用于定位，又用于數據通信，定位標簽的生命監測模塊的檢測數據通過UWB通信模 塊傳輸至基站，再經網卡利用以太網傳輸至地面服務器。環境檢測模塊能夠檢測井下的溫 度、濕度、瓦斯氣體含量等環境數據，并對危險環境做出預警提示。生命監測模塊通過融合 多種傳感器數據，檢測定位標簽佩帶人員的生命狀況，主要用于緊急救援情況下。
[0009] 系統設計了兩種工作模式：正常模式和緊急模式。在正常模式下，系統以低功耗為 目標，此時UWB模塊在確保定位和通信功能的前提下盡可能降低發射功率，而生命監測模 塊則處于停用狀態。在緊急模式下以確保定位和通信可靠為目標，生命監測模塊也開始啟 動。此時UWB模塊會將發射功率調至最大，以增強UWB信號的穿透能力，克服因塌方帶來的 UWB定位/通信障礙，此外，如果以太網網線遭到損壞無法通信，UWB定位基站會選擇UWB無 線通信方式將本基站數據傳送至前方基站，確保通信暢通。另外，啟動的生命監測模塊開始 工作，通過多種傳感器的數據融合可判斷佩帶人員的生命狀況，以便于地面救援工作的開 展。
[0010] 2、基于UWB技術的井下人員精確定位方法，所述井下人員精確定位方法，包括 SDS-TW-T0A測距原理和井下定位算法。
[0011] (1) SDS-TW-T0A 測距原理
[0012] TW-T0A(雙向到達時間）測距原理如附圖3所示。節點A向節點B發送測距幀札， 節點B向節點A返回響應幀R2，節點A、B間的距離可用式⑴求得：
[0013]
【權利要求】
1. 基于UWB技術的礦井環境監控與救援管理系統，其特征在于，包括定位基站、定位標 簽、上位機管理軟件。 定位基站集成了 UWB定位/通信模塊、環境監測模塊、網絡接入模塊；定位標簽集成了 UWB定位/通信模塊、生命監測模塊。定位基站和定位標簽的UWB定位/通信模塊兼具了無 線定位和無線通信功能。定位基站的環境監測模塊監測礦井環境中的溫度、濕度、壓強、瓦 斯氣體含量等環境數據，網絡接入模塊負責定位基站的以太網接入，定位基站的環境監測 數據、UWB定位數據和UWB通信接收數據都通過以太網傳輸至地面監控中心。 定位標簽的生命監測模塊用于緊急情況下檢測標簽佩戴人員的生命狀態，生命狀態監 測信息通過UWB無線通信發送至定位基站。生命模塊采用數據融合算法融合多種生命探測 傳感器參數，準確判斷井下人員的生命狀態。一般情況下井下人員都是在動的，因此振動傳 感器就基本能夠判斷他的生命狀況，但是為了檢測昏迷的生命狀態，增加紅外檢測。通過數 據融合方法，利用振動傳感器數據和紅外傳感器數據就能比較準確地判斷持卡人員的生命 狀態。 上位機管理軟件包括人員管理、環境監控、救援管理、數據庫管理、遠程監控、賬戶管理 等功能模塊。其中，人員管理包括考勤管理、人事管理、人員定位、人員調度功能；環境監 控包括溫濕度檢測、瓦斯檢測、環境預警等功能；救援管理包括模式切換、人員定位、救援調 度、生命監測等功能；數據庫管理包括數據備份、軌跡查詢、系統日志等數據庫管理功能。
2. 本發明的基于UWB技術的定位方法，其特征在于，該方法采用了 SDS-TW-TOA測距算 法，可有效抑制因無線節點晶振頻率差異造成的測距誤差，使系統達到厘米級的室內定位 精度。 TW-TOA(雙向到達時間）測距原理：節點A向節點B發送測距幀心，節點B向節點A返 回響應幀!^，節點A、B間的距離可用式⑴求得： d7B'T〇A =\c*(Tab-Tdb) (1) 式中：c = 3X108m/s，Tab為節點A自發出的測距幀到接收到響應幀之間的時間延遲， Tab為節點B自收到測距幀到發出響應幀的時間延遲。 SDS-TW-TOA (對稱雙向到達時間）測距原理與TW-TOA類似，它在TW-TOA基礎之上增 加了一個步驟：由節點A向節點B發送二次響應幀R3，這樣節點A、B間的距離可用公式（2) 求得： dSOS-TW-TOA J_c.{Tab+Tba_Tdb_Tda) (2) 式中：Tba為節點B自發出的測距幀到接收到二次響應幀之間的時間延遲，Tda為節點A 自收到測距幀到發出二次響應幀的時間延遲，實際應用中Tab、Tdb、Tba、T da都可從UWB定位模 塊的相應寄存器中讀取得到。 根據井下巷道狹長的特定環境，可以將井下定位簡化為一維坐標下的定位，設有定位 基站1和定位基站2,坐標分別為（Xp y)、（x2, y2),其中，Xi < x2, yi = y2。若利用上述 SDS-TW-TOA測距方法測得定位目標到基站1的距離為屯，則目標可能的位置為A、B，坐標分 力lj 為（Xa，Ya)、（Xb，Yb)，有： χα=? (3) Xfl = X, + ?! 7? =^1 同理若測得目標距基站2的距離d2可得目標可能位置為C、D，坐標分別為（X。，yc)、（x D， yD)，有： XC ~X2~ yc=yi < , (4) xD=x2+ d2 .yD=yi 若果基站1、2同時檢測到定位目標，這它可能在基站1、2之間的B、C兩點，定位目標的 最終坐標取B、C兩點坐標的平均值，有： [x={xB+xc)n (5)
【文檔編號】E21F17/18GK104244175SQ201310234298
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月14日 優先權日:2013年6月14日
【發明者】胡志坤, 廖北平, 王文祥, 蔣漢柏, 劉斌, 郭敏 申請人:長沙恒茂電子信息技術有限公司