專利名稱：利用ZigBee網絡實現煤礦井下人員實時監(jiān)測的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種煤礦安全技術領域，具體是利用IEEE802.15.4網絡技術實現煤礦井下人員實時監(jiān)測的方法。
背景技術：
我國煤礦安全事故頻繁發(fā)生，一些煤礦發(fā)生礦難以后，無法提供井下人員的人數和準確位置，嚴重影響了礦難的援救工作。目前，國內煤礦井下監(jiān)控、監(jiān)測系統的數據傳輸媒介主要為電纜，傳輸方式為模擬量，這種監(jiān)控監(jiān)測系統存在以下缺陷，井下作業(yè)環(huán)境惡劣，電纜易遭損壞，一旦這種情況發(fā)生，較難確定系統故障點，影響系統的正常使用；此外系統采用模擬量進行數據傳輸和交換，抗干擾能力差，易引發(fā)誤報；目前煤礦投入運營的各類系統均不能提供井下人員動態(tài)定位和語音通訊，遇難人員無法得到及時救助。
IEEE802.15.4是一種近年來興起的無線網絡通信技術標準，具有低功耗、低成本、低復雜度、低速率、短時、高安全的特性，非常適宜于煤礦下安全信息采集和通訊等網絡要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種利用IEEE802.15.4網絡技術實現煤礦井下人員實時監(jiān)測的方法，通過計算機能夠在井上實時了解井下礦工的位置情況，IEEE802.15.4網絡技術具有省電、可靠、成本低、時延短、網絡容量大、安全等主要優(yōu)點，是目前解決煤礦井下的通訊和動態(tài)監(jiān)控的切實可行方案。
本發(fā)明的技術方案如下一種利用IEEE802.15.4網絡技術實現煤礦井下人員實時監(jiān)測的方法，其特征在于包括以下步驟(1)在井下巷道設置一個或多個，具樹狀、星狀、網狀結構的網絡，每一個網絡由一個基站(Tunnel Position Gateway--TPG)和若干個路由器(TunnelPosition Router--TPR)組成。基站(TPG)布置在網絡的起始端，沿網絡延伸方向，按一定間距設置多個路由器，在井下作業(yè)人員身上放置定位器(Tunnel Position Device--TPD)?；竞吐酚善?、定位器之間采用IEEE802.15.4無線網絡協議實現無線傳輸，基站和井上控制計算機之間通過以太網絡或RS485通訊協議進行數據交換；(2)進行網絡初始化，由基站發(fā)出初始化數據包，基站周邊的各個路由器首先接收初始化數據包，路由器內嵌入式微處理器將初始化數據包中距離記數值(Hop)增加1，并將追加自身的網絡ID或IEEE識別地址，再向網絡下位路由器轉發(fā)，同時將這個新的數據包發(fā)送回基站。當下位鄰接路由器接到新的初始化數據包后，重復上位路由器數據處理程序，并繼續(xù)向下位路由器轉發(fā)，同時將這個新的數據包發(fā)送回基站或上位路由器，至到網絡的尾端。
基站接收到來自各個路由器返回的數據包后，經由嵌入式微處理器根據最小路徑優(yōu)先算法(Short Distance First)，依據各個路由器返回的數據包內的距離信息，確定與自身的距離，分清上一級路由器和下一級路由器的相對位置，建立數據傳輸路徑選擇表。
各級路由器依據接收到的，來自上位或下位路由器的數據包內的距離信息，與自身的距離信息比較，分清上位路由器和下位路由器的相對位置，建立自身數據傳輸路徑選擇表。
(3)定位器在井下坐標位置的確定，由于基站、路由器屬于事先定點設置，其各個位置的坐標數據已知，當配置有定位器的井下人員在井下巷道移動時，可接受到臨近各個路由器按設定時間間隔同時發(fā)出網絡尋呼信號，周期發(fā)射的網絡尋呼信息數據包內含有發(fā)射路由器的ID及坐標信息，在定位器接收到這些無線電信息后，內含的嵌入式微處理器將依據這些信息以及測定各路由器無線電信號的能量RRSI(Receive Signal Strength ind.cator接受的無線電信號強度指示)的數值，采用安徽睿儀通訊技術有限公司研發(fā)的定位算法，計算出自身的相對位置。
該定位算法原理是依據特定環(huán)境下，網絡各節(jié)點之間的RRSI值與空間距離之間存在數學關系，通過網絡的自身的學習，確定這種數學關系，之后定位器依據建立起來的數學關系和新測量的RRSI值，確定其空間的相對位置。
(4)、各路由器收到從定位器發(fā)來的信息，加上自身的距離信息后向外轉發(fā)，其它路由器收到該信息后，判定該信息是從上位路由器發(fā)出或是下位路由器發(fā)出，對于上位路由器發(fā)出的信息，不予轉發(fā)；對于下位路由器發(fā)出的信息，繼續(xù)向外轉發(fā)，依次進行，最終由基站接收到定位器的坐標信息，并由基站傳輸到井上控制計算機。
所述的基站、定位器、無線路由器均由微處理機、ZigBee無線發(fā)射芯片和外置天線構成，基站由TCP/IP或RS485網絡協議面向上位通訊，IEEE802.15.4網絡協議面向下位通訊。
當礦工礦燈上帶有定位器(TPD)在井下移動時，可周期性的重復上述過程，當這些定位器坐標信息連續(xù)不斷的轉發(fā)到地面計算機后，在地面主控室內的礦井立體數字地圖上將顯示每個礦工在井下的大概位置。
本發(fā)明對定位器坐標定位的精確度取決于無線路由器的密度和分布的合理性，以及采樣時間間隔，當路由器密度較大，分布較均勻，采樣時間間隔短，系統的識別精度就越高。
本發(fā)明采用無線網絡傳輸方式，以采區(qū)為中心，分段組網，各區(qū)劃段之間采用百兆以太網連接，保證數據傳輸質量，具有極強的抗干擾能力；網絡中的無線路由器、基站由大容量電池供電，采集控制電路與輸入、輸出電路在電氣上徹底隔離，提高了運行的可靠性。


圖1為本發(fā)明無線網絡結構圖。
具體實施例方式
一種利用IEEE802.15.4網絡實現煤礦井下人員實時監(jiān)測的方法，包括以下步驟(1)在井下巷道設置一個或多個，具樹狀、星狀、網狀結構的網絡，每一個網絡由一個基站(Tunnel Position Gateway--TPG)和若干個路由器(TunnelPosition Router--TPR)組成?；?TPG)布置在網絡的起始端，沿網絡延伸方向，按一定間距設置多個路由器，在井下作業(yè)人員身上放置定位器(Tunnel Position Device--TPD)?；竞吐酚善鳌⒍ㄎ黄髦g采用IEEE802.15.4無線網絡協議實現無線傳輸，基站和井上控制計算機之間通過以太網絡或RS485通訊協議進行數據交換；
(2)進行網絡初始化，由基站發(fā)出初始化數據包，基站周邊的各個路由器首先接收初始化數據包，路由器內嵌入式微處理器將初始化數據包中距離記數值(Hop)增加1，并將追加自身的網絡ID或IEEE識別地址，再向網絡下位路由器轉發(fā)，同時將這個新的數據包發(fā)送回基站。當下位鄰接路由器接到新的初始化數據包后，重復上位路由器數據處理程序，并繼續(xù)向下位路由器轉發(fā)，同時將這個新的數據包發(fā)送回基站或上位路由器，至到網絡的尾端。
基站接收到來自各個路由器返回的數據包后，經由嵌入式微處理器根據最小路徑優(yōu)先算法(Short Distance First)，依據各個路由器返回的數據包內的距離信息，確定與自身的距離，分清上一級路由器和下一級路由器的相對位置，建立數據傳輸路徑選擇表。
各級路由器依據接收到的，來自上位或下位路由器的數據包內的距離信息，與自身的距離信息比較，分清上位路由器和下位路由器的相對位置，建立自身數據傳輸路徑選擇表。
(3)定位器在井下坐標位置的確定，由于基站、路由器屬于事先定點設置，其各個位置的坐標數據已知，當配置有定位器的井下人員在井下巷道移動時，可接受到臨近各個路由器按設定時間間隔同時發(fā)出網絡尋呼信號，周期發(fā)射的網絡尋呼信息數據包內含有發(fā)射路由器的ID及坐標信息，在定位器接收到這些無線電信息后，內含的嵌入式微處理器將依據這些信息以及測定各路由器無線電信號的能量RRSI的數值，采用下述定位算法，計算出自身的相對位置。
該定位算法是在特定的煤礦井下巷道環(huán)境下，測量網絡中路由器與定位器之間的不同的空間距離與RRSI值衰減(路由器發(fā)出與定位器接收時的RRSI值變化)之間的對應關系，依據這種對應關系，總結歸納得到經驗數學關系，通過網絡的自身的學習，確定這種數學關系，之后定位器依據建立起來的經驗數學關系和新測量的RRSI值，確定其空間的相對位置。
(4)各路由器收到從定位器發(fā)來的信息，加上自身的距離信息后向外轉發(fā)，其它路由器收到該信息后，判定該信息是從上位路由器發(fā)出或是下位路由器發(fā)出，對于上位路由器發(fā)出的信息，不予轉發(fā)；對于下位路由器發(fā)出的信息，繼續(xù)向外轉發(fā)，依次進行，最終由基站接收到定位器的坐標信息，并由基站傳輸到井上控制計算機。基站、定位器、無線路由器由微處理機、ZigBee無線發(fā)射芯片和外置天線構成，基站由TCP/IP或RS485網絡協議面向上位通訊，IEEE802.15.4網絡協議面向下位通訊。
權利要求
1.一種利用IEEE802.15.4網絡技術實現煤礦井下人員實時監(jiān)測的方法，其特征在于包括以下步驟(1)在井下巷道設置一個或多個，具樹狀、星狀、網狀結構的網絡，每一個網絡由一個基站和若干個路由器組成；基站布置在網絡的起始端，沿網絡延伸方向，按一定間距設置多個路由器，在井下作業(yè)人員身上放置定位器；基站和路由器、定位器之間采用IEEE802.15.4無線網絡協議實現無線傳輸，基站和井上控制計算機之間通過以太網絡或RS485通訊協議進行數據交換；(2)進行網絡初始化，由基站發(fā)出初始化數據包，基站周邊的各個路由器首先接收初始化數據包，路由器內嵌入式微處理器將初始化數據包中距離記數值Hop增加1，并將追加自身的網絡ID或IEEE識別地址，再向網絡下位路由器轉發(fā)，同時將這個新的數據包發(fā)送回基站；當下位鄰接路由器接到新的初始化數據包后，重復上位路由器數據處理程序，并繼續(xù)向下位路由器轉發(fā)，同時將這個新的數據包發(fā)送回基站或上位路由器，至到網絡的尾端；基站接收到來自各個路由器返回的數據包后，經由嵌入式微處理器根據最小路徑優(yōu)先算法，依據各個路由器返回的數據包內的距離信息，確定與自身的距離，分清上一級路由器和下一級路由器的相對位置，建立數據傳輸路徑選擇表；各級路由器依據接收到的，來自上位或下位路由器的數據包內的距離信息，與自身的距離信息比較，分清上位路由器和下位路由器的相對位置，建立自身數據傳輸路徑選擇表；(3)定位器在井下坐標位置的確定，由于基站、路由器屬于事先定點設置，其各個位置的坐標數據已知，當配置有定位器的井下人員在井下巷道移動時，可接受到臨近各個路由器按設定時間間隔同時發(fā)出網絡尋呼信息，周期發(fā)射的網絡尋呼信息數據包內含有發(fā)射路由器的ID及坐標信息，在定位器接收到這些無線電信息后，內含的嵌入式微處理器將依據這些信息以及測定各路由器無線電信號的能量RRSI的數值，采用下述定位算法，計算出自身的相對位置該定位算法原理是依據特定環(huán)境下，網絡各節(jié)點之間的RRSI值與空間距離之間存在數學關系，通過網絡的自身的學習，確定這種數學關系，之后定位器依據建立起來的數學關系和新測量的RRSI值，確定其空間的相對位置；(4)、各路由器收到從定位器發(fā)來的信息，加上自身的距離信息后向外轉發(fā)，其它路由器收到該信息后，判定該信息是從上位路由器發(fā)出或是下位路由器發(fā)出，對于上位路由器發(fā)出的信息，不予轉發(fā)；對于下位路由器發(fā)出的信息，繼續(xù)向外轉發(fā)，依次進行，最終由基站接收到定位器的坐標信息，并由基站傳輸到井上控制計算機。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的定位器、無線路由器由微處理機、ZigBee無線發(fā)射芯片和外置天線構成，基站由TCP/IP或RS485網絡協議面向上位通訊，IEEE802.15.4網絡協議面向下位通訊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用IEEE802.15.4網絡技術實現煤礦井下人員實時監(jiān)測的方法，是在井下巷道設置一個或多個，具樹狀、星狀、網狀結構的網絡，每一個網絡由一個基站和若干個路由器組成，在井下作業(yè)人員身上放置定位器，基站和路由器、定位器之間采用IEEE802.15.4無線網絡協議實現無線傳輸，基站和井上控制計算機之間通過以太網絡或RS485通訊協議進行數據交換；在特定環(huán)境下，網絡各節(jié)點之間的無線電信號的RRSI值與空間距離之間存在數學關系，通過網絡的自身的學習，確定這種數學關系，之后定位器依據建立起來的數學關系和新測量的RRSI值，確定其空間的相對位置并將信息發(fā)回到井上計算機控控制系統，實現井下人員的實時監(jiān)測。
文檔編號H04L29/06GK1953408SQ20061009763
公開日2007年4月25日 申請日期2006年11月15日 優(yōu)先權日2006年11月15日
發(fā)明者金澔 申請人:金澔