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井下人員定位裝置的制作方法

文檔序號:7644845閱讀:219來源:國知局
專利名稱:井下人員定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種人員定位裝置,更具體地說,涉及一種應(yīng)用于生產(chǎn)礦井的井下人員定位裝置。
背景技術(shù)
井下人員的安全,是現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)等井下生產(chǎn)行業(yè)中重點關(guān)注的問題。井下人員定位裝置,是對井下人員的活動位置進行實時定位、監(jiān)控的重要設(shè)施。由于井下電磁環(huán)境的復(fù)雜、多變,尤其是在我國煤炭工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的長壁式采掘方式的情況下,電磁干擾是井下無線通信突出的制約因素,采用常規(guī)射頻信號發(fā)射模式的井下人員定位裝置,在井下的通訊信號容易被干擾,人員定位的可靠性極低,經(jīng)常發(fā)生漏人的嚴重問題。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題,提供了一種井下人員定位裝置,該裝置能夠提高井下人員定位的可靠性。
技術(shù)方案本發(fā)明的井下人員定位裝置,包括一個監(jiān)控服務(wù)器、若干個安裝在井下的基站和多個井下人員佩帶的身份卡。監(jiān)控服務(wù)器為安裝在防暴箱中的PC電腦。每一個基站由基站處理器、基站直序擴頻射頻模塊和基站射頻收發(fā)模塊構(gòu)成,基站處理器的串行端口通過總線與基站直序擴頻射頻模塊的串行端口連接,基站直序擴頻射頻模塊的射頻收發(fā)端口和基站射頻收發(fā)模塊的饋電端口連接;每一個身份卡由身份卡單片機、身份卡直序擴頻射頻模塊和身份卡射頻收發(fā)模塊構(gòu)成,身份卡單片機的串行端口通過總線和身份卡直序擴頻射頻模塊的串行端口連接,身份卡直序擴頻射頻模塊的射頻收發(fā)端口和身份卡射頻收發(fā)模塊的饋電端口連接;其中,每一個基站處理器分別通過各自的總線和監(jiān)控服務(wù)器連接,基站射頻收發(fā)模塊與身份卡射頻收發(fā)模塊通過無線方式連接。
工作原理身份卡單片機將自身存儲器中存儲的卡號信息,通過總線傳輸至身份卡直序擴頻射頻模塊進行直序擴頻變換以及頻率調(diào)制,然后送至身份卡射頻收發(fā)模塊,通過身份卡射頻收發(fā)模塊傳送至基站射頻收發(fā)模塊,再通過基站直序擴頻射頻模塊進行解調(diào)信號并進行直序擴頻的反向運算,將得到的卡號信息通過總線傳輸至基站處理器,基站處理器將一段時間接收到的卡號都存儲在它的存儲器中。多信道的使用以及直序擴頻處理,使各個基站的信號之間、以及基站的信號和井下的噪聲信號之間線性無關(guān),保證它們在空間同一頻帶中傳播時不會產(chǎn)生干擾。當(dāng)監(jiān)控服務(wù)器通過總線發(fā)來查詢命令后,基站處理器將存儲的卡號信息傳輸至監(jiān)控服務(wù)器,監(jiān)控服務(wù)器在接收到卡號信息以后存入它的數(shù)據(jù)庫中并刷新數(shù)據(jù)庫信息,該信息通過界面程序直觀的反映給監(jiān)控人員。
有益效果本發(fā)明采用直接序列擴頻技術(shù)來實現(xiàn)井下的基站和井下人員身份卡之間的實時無線通訊,通過使用多信道以及直序擴頻處理,使各個基站的信號之間、以及基站的信號和井下的噪聲信號之間線性無關(guān),保證它們在空間同一頻帶中傳播時不會產(chǎn)生干擾,解決了井下無線通訊容易被干擾的問題,提高了對井下人員的定位以及監(jiān)控的可靠性。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)明實施例1的基站直序擴頻射頻模塊和基站射頻收發(fā)模塊的電路原理圖。
圖3為本發(fā)明實施例2的身份卡直序擴頻射頻模塊和身份卡射頻收發(fā)模塊的電路原理圖。
圖中有監(jiān)控服務(wù)器1、基站2、身份卡3、基站處理器21、基站直序擴頻射頻模塊22、基站射頻收發(fā)模塊23、身份卡單片機31、身份卡直序擴頻射頻模塊32、身份卡射頻收發(fā)模塊33、直序擴頻射頻芯片220、直序擴頻射頻芯片320、平衡/不平衡變換器L6。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。
實施例1參見圖2,圖2為本實施例的基站直序擴頻射頻模塊22和基站射頻收發(fā)模塊23的電路原理圖。
本實施例的基站直序擴頻射頻模塊22由直序擴頻射頻芯片220和匹配電路連接而成,基站直序擴頻射頻模塊22射頻收發(fā)端口A22和地之間順序連接有第一電容C1、第二電容C2、第三電感L3和第三電容C3,第一電感L1的一端連接在第一電容C1與第二電容C2的連接點、另一端連接在第三電感L3與第三電容C3的連接點,在第二電容C2與第三電感L3的連接點和地之間順序連接第二電感L2和第四電容C4,直序擴頻射頻芯片220的第一差分接口D1接于第二電容C2與第三電感L3的連接點,直序擴頻射頻芯片2200的第二差分接口D2接于第二電感L2與第四電容C4的連接點,直序擴頻射頻芯片220的轉(zhuǎn)換開關(guān)接口D3接于第三電感L3與第三電容C3的連接點,其中,第一電容為5.6皮法、第二電容為0.5皮法、第三電容為0.5皮法、第四電容為100納法、第一電感為7.5納亨、第二電感為5.6納亨、第三電感為7.5納亨。直序擴頻射頻芯片220采用Chipcon公司的CC2420射頻芯片,該芯片的第6引腳即為圖2中直序擴頻射頻芯片220的第一差分接口D1,該芯片的第7引腳即為圖2中直序擴頻射頻芯片220的第二差分接口D2,該芯片的第8引腳即為圖2中直序擴頻射頻芯片220的開關(guān)轉(zhuǎn)換接口D3。
本實施例中的身份卡直序擴頻射頻模塊32采用和基站直序擴頻射頻模塊22相同的電路設(shè)計,它們的電路結(jié)構(gòu)以及元件參數(shù)都相同。
監(jiān)控服務(wù)器1為安裝在防暴箱中的PC電腦,每一個基站處理器21分別通過各自的總線和監(jiān)控服務(wù)器1連接,基站處理器采用南京博芯公司生產(chǎn)的SEP3203處理器,身份卡單片機31采用Microchip生產(chǎn)的PIC18F2420單片機。
基站射頻收發(fā)模塊23是輸入阻抗為50歐姆、工作頻率為2.4G赫茲的F型天線;本實施例的身份卡射頻收發(fā)模塊33與基站射頻收發(fā)模塊23相同,也采用輸入阻抗為50歐姆、工作頻率為2.4G赫茲的F型天線,基站射頻收發(fā)模塊23與身份卡射頻收發(fā)模塊33通過無線方式連接。
本發(fā)明實施例的工作步驟如下1、身份卡由井下工作人員隨身佩戴,每張身份卡單片機31的內(nèi)置flash存儲器中燒錄了該下井人員的個人信息和工號。身份卡上電工作以后,PIC18F2420單片機將flash中員工信息讀出,添加到等待發(fā)送的信息幀負載中,單片機通過SPI總線將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送至身份卡直序擴頻射頻模塊32的CC2420芯片的發(fā)送緩存中,CC2420發(fā)射的信號為2400-2483.5MHz,在這個頻帶上又分為16個信道,信道的選擇由單片機應(yīng)用程序確定,并且可以根據(jù)需要在不同的信道中進行切換,由于井下環(huán)境復(fù)雜,各個礦井的環(huán)境不盡相同,多信道的使用可以極大地增加井下無線通信的可靠信和靈活性。實際使用前先掃描所有信道,尋到最適合本礦井的信道,找到干擾最小的信道后基站和身份卡應(yīng)用程序?qū)⒃O(shè)置該信道為實際使用信道。
2、身份卡直序擴頻射頻模塊32對需要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行直序擴頻處理,在實際發(fā)送消息之前,它的CC2420芯片將首先掃描信道,通過掃描得到的能量值判斷信道是否有別的身份卡正在使用,如果信道正被占用,將等待一個隨機延時時間,這段時間過后CC2420將重復(fù)掃描信道是否有別的身份卡正在使用;如果信道掃描結(jié)果為空閑,CC2420將對需要發(fā)送的信息進行直接序列擴頻和調(diào)制,整個過程如下1)首先將需要發(fā)送的幀根據(jù)發(fā)送先后按字節(jié)排序;2)在擴頻之前對所有的二進制數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換處理,將每一個字節(jié)按4比特位進行分解,將低4位(b0,b1,b2,b3)轉(zhuǎn)換成一個符號數(shù)據(jù),高4位(b4,b5,b6,b7)轉(zhuǎn)換成一個符號數(shù)據(jù)。等待發(fā)送的數(shù)據(jù)每一個字節(jié)都要追個進行處理,在每個字節(jié)處理過程中,優(yōu)先處理低4位(b0,b1,b2,b3),隨后處理高4位(b4,b5,b6,b7);3)CC2420將使用一組16個給定的擴頻因子與拆分出的四位二進制數(shù)一一對應(yīng),并將對應(yīng)的二進制數(shù)進行替換,16個擴頻因子每一個因子為32位偽隨機序列,即PN序列,這些PN序列通過循環(huán)移位或者相互結(jié)合相互關(guān)聯(lián),對應(yīng)關(guān)系如下表所示


該擴頻序列每一個因子為32位,將這些擴頻因子與對應(yīng)的四位數(shù)相替換以后可以顯著增加數(shù)據(jù)在頻域中占據(jù)的頻帶寬度,32位數(shù)據(jù)替換四位數(shù)據(jù)將使頻帶擴展8倍,這16個擴頻因子之間在數(shù)學(xué)上是近似相互正交的,他們在空間同一頻帶中傳播時,即使互相疊加也不會產(chǎn)生干擾;4)擴展后的碼元序列通過采用半正弦脈沖形式的O-QPSK調(diào)制方法,將符號數(shù)據(jù)信號調(diào)制到載波信號上。其中,編碼為偶數(shù)的碼元調(diào)制到I相位的載波上,編碼為級數(shù)的碼元調(diào)制到Q相位的載波上。每個符號數(shù)據(jù)由32位碼元的序列來表示。為使I相位和Q相位的碼元調(diào)制存在偏移,Q相位的碼元相對于I相位的碼元要延遲Tc秒發(fā)送,Tc是碼元速率的倒數(shù)。
3、擴頻完成后數(shù)字信號被送至DAC經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換變成模擬信號,轉(zhuǎn)換后的模擬信號經(jīng)過低通濾波后送至混頻器混頻,將中心頻率調(diào)制到設(shè)定發(fā)送的信道頻率上,由于經(jīng)過擴頻,實際信號的頻帶寬度將是信道寬度的八倍左右,調(diào)制好的信號經(jīng)過功率放大器放大后將傳送至芯片外的射頻匹配電路,最后發(fā)射信號經(jīng)過F型全向天線發(fā)射出去。
4、基站射頻模塊的全向柱狀天線接收到設(shè)定頻帶的擴頻信號,經(jīng)過低噪放、混頻器和帶通濾波器后,由ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號經(jīng)過直接序列解擴得到需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。由于16個擴頻因子之間在數(shù)學(xué)上是近似線形無關(guān)的,同時井下的噪聲等其他干擾源與擴頻因子之間也是線形無關(guān)的,因此當(dāng)使用16個擴頻因子分別與數(shù)模轉(zhuǎn)換以后的信號相乘后只有一個因子相乘后得出的結(jié)果接近1,其余的結(jié)果都接近0,而噪聲信號在直接序列解擴時因為與擴頻因子之間線性無關(guān),相乘后的干擾信號分量也接近于0,因此通過直接擴頻處理在基站處可以得到很高性噪比的信號。
5、在直接序列解擴以后,按順序經(jīng)過字節(jié)拼接模塊將原本拆分成四位的數(shù)據(jù)兩兩拼成一個字節(jié),并按順序存放在接收緩存中交由SEP3203處理器,處理器接收到數(shù)據(jù)后將對信息進行處理,將員工身份卡卡號和時間等信息傳遞至485轉(zhuǎn)換芯片,通過該芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成485信號傳遞至地面服務(wù)器。
6、地面服務(wù)器接收到485后將其轉(zhuǎn)換成串口信號,應(yīng)用程序?qū)@得的人員信息與數(shù)據(jù)庫中歷史記錄比較,將更新的數(shù)據(jù)傳遞至界面軟件,界面軟件將直觀地反映井下實時人員情況。
7、地面服務(wù)器串口外接RS485轉(zhuǎn)換接口,將井下傳來的RS485信號轉(zhuǎn)換成RS232串口信號。串口程序?qū)S485轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換來的串口信號按指定協(xié)議接收下來,數(shù)據(jù)庫程序?qū)⒋谛畔⒅腥藛T信息提取出來,這部分數(shù)據(jù)用來更新數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),同時更新結(jié)果和人員總體情況送至界面程序通過顯示器顯示出來。
實施例2參見圖3,圖3為本實施例的身份卡直序擴頻射頻模塊和身份卡射頻收發(fā)模塊的電路原理圖。
本實施例的身份卡單片機31、身份卡直序擴頻射頻模塊32以及身份卡射頻收發(fā)模塊33另行設(shè)計,其中,身份卡單片機31和身份卡直序擴頻射頻模塊32集成在一起,由Freescale公司的MC13213芯片實現(xiàn),MC13213芯片中的直序擴頻射頻芯片即為圖3中的身份卡直序擴頻射頻芯片320。身份卡直序擴頻射頻模塊32由身份卡直序擴頻射頻芯片320通過身份卡匹配電路連接而成,身份卡直序擴頻射頻芯片320的第四差分接口D4與第五差分接口D5之間順序連接第五電感L5、第五電容C5、第四電感L4,平衡/不平衡變換器L6的第一接點D6接于第五電感L5和第五電容C5的連接點,平衡/不平衡變換器L6的第三接點D8接于第四電感L4和第五電容C5的連接點,在電源Vcc與地之間接有第六電容C6,平衡/不平衡變換器L6的第二接點D7接于電源Vcc和第六電容C6的連接點;平衡/不平衡變換器L6的第四接點D9與地之間順序連接第七電容C7、第八電容C8、第九電容C9,第七電感L7與第九電容C9并聯(lián),平衡/不平衡變換器L6的第五接點D10接地,第八電容C8與第九電容C9的連接點是身份卡直序擴頻射頻模塊32的射頻收發(fā)端口A32,其中的第五電容為1皮法、第六電容為10皮法、第七電容為10皮法、第八電容為10皮法、第九電容為1.8皮法、第四電感為4.7納亨、第五電感為4.7納亨、第七電感為2.2納亨;平衡/不平衡變換器L6的第1引腳即為它的第四接點D9,第2引腳即為它的第二接點D7,第3引腳即為它的第一接點D6,第4引腳即為它的第三接點D8,第5引腳即為它的第五接點D10;MC13213的第35引腳即為圖3中身份卡直序擴頻射頻芯片320的第五差分接口D5,該芯片的第36引腳即為圖3中身份卡直序擴頻射頻芯片320的第四差分接口D4。
本實施例中的身份卡射頻收發(fā)模塊33采用由第二天線ANT2和第三天線ANT3構(gòu)成的雙F型天線,第二天線ANT2和第三天線ANT3的饋電端相連構(gòu)成身份卡射頻收發(fā)模塊33的饋電端口;第二天線ANT2和第三天線ANT3相同,均為F型天線,它們的輸入阻抗為50歐姆、工作頻率為2.4G赫茲。
本實施例的監(jiān)控服務(wù)器1、基站處理器21、基站直序擴頻射頻模塊22的電路、基站射頻收發(fā)模塊23、以及它們之間的連接方式均和前一個實施例相同。
權(quán)利要求
1.一種井下人員定位裝置,包括一個監(jiān)控服務(wù)器(1)、若干個安裝在井下的基站(2)和多個井下人員佩帶的身份卡(3),其特征在于每一個基站(2)由基站處理器(21)、基站直序擴頻射頻模塊(22)和基站射頻收發(fā)模塊(23)構(gòu)成,基站處理器(21)的串行端口通過總線與基站直序擴頻射頻模塊(22)的串行端口連接,基站直序擴頻射頻模塊(22)的射頻收發(fā)端口(A22)和基站射頻收發(fā)模塊(23)的饋電端口連接;每一個身份卡(3)由身份卡單片機(31)、身份卡直序擴頻射頻模塊(32)和身份卡射頻收發(fā)模塊(33)構(gòu)成,身份卡單片機(31)的串行端口通過總線和身份卡直序擴頻射頻模塊(32)的串行端口連接,身份卡直序擴頻射頻模塊(32)的射頻收發(fā)端口(A32)和身份卡射頻收發(fā)模塊(33)的饋電端口連接;每一個基站處理器(2)分別通過各自的總線和監(jiān)控服務(wù)器(1)連接,基站射頻收發(fā)模塊(23)與身份卡射頻收發(fā)模塊(33)通過無線方式連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井下人員定位裝置,其特征在于所述的基站直序擴頻射頻模塊(22)由直序擴頻射頻芯片(220)和匹配電路連接而成,其中基站直序擴頻射頻模塊(22)射頻收發(fā)端口(A22)和地之間順序連接有第一電容(C1)、第二電容(C2)、第三電感(L3)和第三電容(C3),第一電感(L1)的一端連接在第一電容(C1)與第二電容(C2)的連接點、另一端連接在第三電感(L3)與第三電容(C3)的連接點,在第二電容(C2)與第三電感(L3)的連接點和地之間順序連接第二電感(L2)和第四電容(C4),直序擴頻射頻芯片(220)的第一差分接口(D1)接于第二電容(C2)與第三電感(L3)的連接點,直序擴頻射頻芯片(220)的第二差分接口(D2)接于第二電感(L2)與第四電容(C4)的連接點,直序擴頻射頻芯片(220)的轉(zhuǎn)換開關(guān)接口(D3)接于第三電感(L3)與第三電容(C3)的連接點;身份卡直序擴頻射頻模塊(32)和基站直序擴頻射頻模塊(22)的電路構(gòu)成完全相同;基站射頻收發(fā)模塊(23)是輸入阻抗為50歐姆、工作頻率為2.4G赫茲的天線,身份卡射頻收發(fā)模塊(33)和基站射頻收發(fā)模塊(23)相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的井下人員定位裝置,其特征在于,所述的身份卡直序擴頻射頻模塊(32)由直序擴頻射頻芯片(320)通過身份卡匹配電路連接而成,其中直序擴頻射頻芯片(320)的第四差分接口(D4)與第五差分接口(D5)之間順序連接第五電感(L5)、第五電容(C5)和第四電感(L4),平衡/不平衡變換器(L6)的第一接點(D6)接于第五電感(L5)和第五電容(C5)的連接點,平衡/不平衡變換器(L6)的第三接點(D8)接于第四電感(L4)和第五電容(C5)的連接點,在電源(Vcc)與地之間接有第六電容(C6),平衡/不平衡變換器(L6)的第二接點(D7)接于電源(Vcc)和第六電容(C6)的連接點;平衡/不平衡變換器(L6)的第四接點(D9)與地之間順序連接第七電容(C7)、第八電容(C8)、第九電容(C9),第七電感(L7)與第九電容(C9)并聯(lián),平衡/不平衡變換器(L6)的第五接點(D10)接地,第八電容(C8)與第九電容(C9)的連接點是身份卡直序擴頻射頻模塊(32)的射頻收發(fā)端口(A32);所述的身份卡射頻收發(fā)模塊(33)是由第二天線(ANT2)和第三天線(ANT3)構(gòu)成,從第二天線(ANT2)的饋電端和第三天線(ANT3)的饋電端的連接點引出身份卡射頻收發(fā)模塊(33)的饋電端口,第二天線(ANT2)和第三天線(ANT3)相同,它們的輸入阻抗為50歐姆、工作頻率為2.4G赫茲。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的井下人員定位裝置,其特征在于所述第一電容(C1)為5.6皮法、第二電容(C2)為0.5皮法、第三電容(C3)為0.5皮法、第四電容(C4)為100納法、第一電感(L1)為7.5納亨、第二電感(L2)為5.6納亨、第三電感(L3)為7.5納亨。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的井下人員定位裝置,其特征在于所述第五電容(C5)為1皮法、第六電容(C6)為10皮法、第七電容(C7)為10皮法、第八電容(C8)為10皮法、第九電容(C9)為1.8皮法、第四電感(L4)為4.7納亨、第五電感(L5)為4.7納亨、第七電感(L7)為2.2納亨。
全文摘要
井下人員定位裝置,屬于人員定位裝置制造技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括一個監(jiān)控服務(wù)器、若干個安裝在井下的基站和多個井下人員隨身佩帶的身份卡,每一個基站由基站處理器、基站直序擴頻射頻模塊和基站射頻收發(fā)模塊構(gòu)成,每一個身份卡由身份卡單片機、身份卡直序擴頻射頻模塊和身份卡射頻收發(fā)模塊構(gòu)成,每一個基站處理器分別通過各自的總線和監(jiān)控服務(wù)器連接,基站射頻收發(fā)模塊與身份卡射頻收發(fā)模塊通過無線方式連接。該裝置采用直接序列擴頻技術(shù)實現(xiàn)井下的基站和井下人員身份卡之間的實時無線通訊,保證通訊信號在空間同一頻帶中傳播時不會產(chǎn)生干擾,解決了井下無線通訊容易被干擾的問題,提高了對井下人員的定位以及監(jiān)控的可靠性。
文檔編號H04B1/38GK101029930SQ20071002099
公開日2007年9月5日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者劉昊, 方晨, 鐘銳, 卞海舟, 朱尚嵩 申請人:東南大學(xué)
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