[发明专利]井下高容灾度的监测定位及人员求助系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种井下监测及定位技术领域，具体地说是涉及无线传感器网络、无线通信领域。

背景技术

我国是煤炭开采的大国，煤炭是我国的重要能源，也是经济发展的重要保障，我国约70％的能源消耗来自煤炭。由于井下自然环境多变，空间相对狭小，所以煤矿事故频发，极易造成人员的伤亡和财产的巨大损失。对人员位置的掌握成为煤炭安全开采的首要保证，一旦发生事故，地面人员及时动态掌握井下人员的位置，为有效率的抢险救灾提供主要信息。无线传感器网络是具有感知、计算和通信能力的微型传感器以自组织方式形成的无线网络，部署相对灵活，覆盖面广，能有效地提供事件及节点的位置信息，特别适合应用于井下人员的定位。

在煤矿生产中瓦斯爆炸事故造成的破坏是最大的，所以瓦斯含量的监测是安全生产的必要保证，针对我国的开采环境，瓦斯监测主要是对空气中甲烷含量的检测。目前使用的便携式的甲烷检测仪存在以下不足之处：检测到的数据无法及时的上传到监控终端，导致无法获得实时数据；由于井下空间相对狭窄，定位节点的布置受到局限，检测仪无法获得准确的位置信息。

煤矿井下是一个特殊的受限环境，巷道组成长短不一，有的长度可达几十到上百公里，宽度则只有几米，一维或二位的定位就可以满足这种近似线性特征的结构。煤矿井下煤岩动力变化过程存在着复杂的电磁环境，大量的变频设备和大功率机电设备造成严重的电磁干扰，无线信号在巷道内传输存在着大量的反射、散射、衍射以及透射等现象。所以复杂的电磁环境对无线通信造成不可避免的干扰。

目前常用的定位方法是基于测距的，如到达角度定位(AOA)，接收信号强度定位法(RSSI)，到达时间定位(TOA)，到达时间差定位(TDOA)。目前主要使用RSSI，是接收机通过测量射频信号的能量来确定与发送机之间的距离，其中路径衰落指数是主要的参数，并且与特定的环境相关，由于RSSI指示已经是传感器节点的标准的功能，所以该方法被广泛的使用。但是依上述的井下电磁环境，路径衰落指数变化比较大，如果依靠已经建立的模型计算会造成较大的误差。

非测距的方法是不需要测量节点之间距离的，利用网络的连通性信息来计算节点的位置，可以不受测距误差的影响，并且对通信的要求比较低，降低节点的硬件成本和能耗。井下环境多为隧道组成的线状环境，要求我们能较快的确定人员的全局坐标即可。本发明提出通过在巷道侧壁上等间距的布置锚节点设备，形成定位矩形区域，然后在矩形区内根据RSSI值再次划分区域缩小定位范围，然后由锚节点设备的坐标实现定位，某些锚节点设备因突发事故被破坏或其他因素导致失效后，通过其他锚节点设备的协同合作也可以完成通信和定位，提高系统容灾度。

我国的井下工作人员的在井下的工作时间一般维持在8小时左右，由于技术方面的限制导致自动化程度不高，很多的工作需要手动完成，对人员的体力消耗比较大，加之井下与井上环境迥异，对工作人员的身体，尤其是一些新员工会造成不可避免的影响。目前，井下监测监控系统的设计大部分的功能是实现井上对井下人员、生产、环境等方面信息的采集和控制，而井下人员的求助和对紧急时间的判断无法及时上传，所以本发明加入了人员求助功能，有利于针对井下人员的突发事件做出快速的反应。

发明内容

本发明提供一种煤矿井下高容灾度的监测定位及人员求助系统，可以实时的检测井下任意位置的甲烷浓度和环境温度；及时的掌握人员的位置信息；如果井下工作人员的身体不适或发现意外情况，能发出报警信息向同事求助，同时告知井上监控终端及时处理。以上功能的实现以定位系统的完整性为基础。

所述系统主要包括：监控终端、调度台、定位服务器、存储服务器、交换机和无线传感器网络；其特征在于：无线传感器网络，包括锚节点设备和目标节点设备；锚节点设备包括：处理器、电源、备用电池、LED灯、防爆外壳；目标节点设备由井下人员携带，包括：处理器、蜂鸣器、电源模块、甲烷含量检测装置、按键、震动马达、温度传感器；隧道口的锚节点设备充当汇聚节点通过光纤连接交换机和服务器；锚节点设备等间距的交错布置在巷道的两侧，对面的锚节点设备与另一侧相距最近的锚节点设备的连线垂直与巷道，巷道同侧的锚节点设备之间的距离均为d，通信距离为R，巷道的宽度为h，锚节点设备的布置需要满足以下条件：且目标节点设备比较接收到的不同锚节点设备RSSI值，缩小人员所在范围，锚节点设备作为参考点实现定位；锚节点设备的连线将巷道划分为多个矩形区域，当任意矩形区域的任意一个或巷道同侧和对角位置的两个锚节点设备失效时，其余的相邻健康锚节点设备相互处于对方的通信半径内，维持无线传感器网络的正常接续，满足整个无线传感器网络的通信和定位需求。