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基于蓝牙的煤矿安全监测系统


金纯[1][2] ,肖玲娜[2][3] , 林金朝[2]
( 1. 重庆金瓯科技发展有限责任公司 2. 重庆大学 3.重庆通信学院 )


摘要:本文主要介绍了综合应用蓝牙、红外、GIS等技术的煤矿安全监测系统,描述了系统的整体方案、核心功能,详细介绍了蓝牙、红外技术进行井下定位的工作原理,给出了系统的结构框图。

关键词:蓝牙 定位 煤矿安全
中图分类号: TD76 文献标识码:A



该论文发表于《中国新通信》2007年6月第11期
国内统一刊号:ISSN-4866/CN11-5402/TN

引言
煤炭行业是一个特殊的行业。瓦斯、矿尘、火灾、水灾、顶压等各种安全隐患严重威胁着矿井作业工人的人身安全。为了从根本上解决煤矿安全问题,需要依靠科技进步手段提高煤矿整体安全技术装备与管理水平。其中,在矿井中建立煤矿安全监测监控系统,对矿井工作人员进行定位,从而实现实时监督管理是解决煤矿安全问题的一个重要方面。
矿井信息与空间位置信息有着密切的关系,本文介绍的系统就是建立在GIS平台上的专业煤矿监测系统,同时结合蓝牙的定位技术,能够把煤矿日常生产中的各种不同类型和格式的数据与相对应的图形数据结合起来,使整个矿井的信息更加形象具体地展现出来。

  1. 蓝牙技术简介

工作频段

ISM频段2.402~2.480GHz

双工方式

全双工,TDD时分双工

业务类型

支持电路交换和分組交换业务

数据速度

1Mbps

非同步信道速率

非对称连接721Kbps/57.6Kbps,对称连接432.6Kbps.

同步信道速率

64Kbps

功率

美国FCC要求<0dbm(1mw),其它国家可扩展为100mw

跳频频率數

79个频点/1MHz

跳频速率

1600/秒

工作模式

PARK/HOLD/SNIFF

数据连接方式

SCO, ACL

纠错方式

FEC,ARQ

鉴权

采用反应逻辑算术

信道加密

采用0位,40位,60位密鈅

语音编码方式

CVSD

发射距离

一般可达10CM-10M,增加功率情況下可达100M.

表1.BLUETOOTH技术指标和系统参数

蓝牙是一项适用于小范围的无线通信标准。蓝牙的原理是将信息和语音信号在ISM频段上传输。每一种蓝牙设备都带有一個标准地址,可以支持点到点和一点到多点的低功耗通信(蓝牙的基本組成是微微网Piconet),发射距离为10米(增强功率情況下可以到100米)。蓝牙通讯技术不仅可以高达1Mb/s的传输率,并且支持身份验证和资料加密,其所采用的跳频扩频技术,每秒1600跳,有效降低了电磁波干扰和资料被截获的可能性 。在近距离通信中,蓝牙(Bluetooth)无线接入技术使无线单元间的通信变得十分容易,将计算机技术与通信技术更紧密地结合在一起,人们可随时随地进行信息的交换与传输。其系统参数和技术指标如表1所示。

2系统定位原理
在二维空间中,知道了1个点到3个已知参考点的距离,就可以确定该点的坐标。假设3个参考点的坐标分别为 ( x1 , y1 ) , ( x2 , y2 ) , ( x3 , y3 ) , 待确定位置节点的坐标是 ( xi , yi ) ,该节点到3个参考节点的距离分别是λ1 ,λ2 ,λ3 ,根据二维空间距离计算公式 ,可以获得一个非线性方程组 ,采用线性化方法来求解 , 可以得到待定位置节点的坐标 ( xi , yi ) 。在节点定位算法中,按照上述方程求解,就可以得到待定位置节点的坐标,从而达到定位的目的。

本文介绍的监控系统中,定位算法主要是基于信号强度测距法RSSI(Received Signal Strength Indicator),在已知发射功率的情况下,在接收点测量接收功率,通过测量接收到的信号强度可以推算出井下移动物体到蓝牙基站的距离,计算传播损耗,使用理论和经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。得到移动终端与蓝牙基站之间的大概距离后,采用三边测距法计算出移动终端的位置。三边计算的理论依据是,在三维空间中,知道了一个DTE设备到三个BS的距离来确定该点的坐标。三边测距法在二维平面上用几何图形表示出来的意义是:当得到未知节点到一个锚节点的距离时,就可以确定此未知节点在以此锚节点为圆心、以距离为半径的圆上;得到未知节点到3个锚节点的距离时,3个圆的交点就是未知节点的位置。如图1所示。

  1. 系统介绍

3.1系统组成

煤矿井下人员定位系统是集计算机软硬件、信息采集处理、蓝牙、网络数据通讯、GIS等技术多学科综合应用为一体的定位信息技术,该系统是通过对坑道远距离移动目标进行非接触式信息采集处理,实现对人、物在不同状态(移动、静止)下的定位从而实现目标的自动化管理 。


系统分为地面监测和井下蓝牙定位监测两部分。地面监测部分由Web地图应用服务器、数据库服务器、远程数据采集处理服务器、局域网浏览器客户端、远程浏览器客户端、专业客户端和系统外用户等部分组成,如图2所示。其中地图应用服务器完成WebGIS网站应用功能,数据库服务器完成基础图形与数据准备及数据存储处理等,远程数据采集服务器完成对煤矿监测系统间的数据采集与通讯,各煤矿的上报数据首先经过数据采集服务器预先处理,然后供网站服务器共享使用,局域网浏览器客户端指县局域网用户,远程浏览器客户端可为镇政府主管部门等其它允许访问本系统的远程用户,矿监测系统完成实时监测并将监测数据和其它上报数据传到局数据采集服务器上,专业客户端指系统管理员等能够有权增删和编辑系统基础图形和数据的用户。本系统可经过放火墙接入Internet网络,系统外用户为一般的Internet 网络用户。井下蓝牙定位监测部分由井下分站设备、蓝牙终端、红外感应器、蓝牙基站、数传接口组成,如图3所示。井下分站设备由人员信息采集处理板、人员信息传输处理板、隔爆电源、备用电池嵌入式软件组成。其主要功能是完成对人员识别编码输出信号的采集、处理、与地面计算机的双向通讯及供电等。蓝牙基站用来收集终端数据,感应终端信号强弱,从而判断出工作人员的大致位置,完成定位功能。蓝牙终端与蓝牙基站进行信息传输。红外感应器用来探测人体,
辅助蓝牙基站进行更准确地定位。数传接口主要由电源板、信号转换板组成,完成通讯信号的转换和对红外感应器进行编码,使地面工作人员清楚地了解电平变化的信号是由几号红外感应器发出的,从而辅助判断井下人员的具体位置。

3.2系统工作方案
系统遵循"统一装备、统一管理"的原则。具体方案如下:
   1、 煤矿生产单位在所有坑道中均安装一定数量的蓝牙基站和红外感应器,具体位置根据现场情况而定,以满足定位为准。
   2、 煤矿生产单位向有关人员颁发无线终端设备,它可以安装在安全帽的合适位置。
   3、 发终端设备时将所对应员工的基本信息,包括姓名、年龄、性别、所属班组、所属工种、职务等登录在基于GIS的系统数据库中。
  4、 进入坑道的人员必须佩戴装有无线终端的安全帽。当此人经过坑道蓝牙基站时,邻近的基站立即检测对比接收到的RSSI值,并通过系统网络的信息交换,将信息传输至井上安全监控中心记录,通过中心系统软件可判断出此人的大致位置,辅以红外感应器上传的信息,使定位更加准确,并可同时在地理信息大屏幕墙上出现提示信息,显示通过人员的姓名,并且可以显示出他的运动轨迹。

3.3系统的功能
(1)丰富的地图功能。由于系统基于GIS技术,各个煤矿的具体状况能够以地图的形式展现出来,并且具有放大、缩小、移动、标尺测距、视野控制、中心移动、地图打印等功能。
(2)实时井下人员动态显示功能。系统能够实时查询一个或多个人员现在的井下实际位置。任一时间井下某个地点究竟有多少人,这些人都是谁等信息,方便工作人员进行操作。
(3)人员轨迹查询。由于系统具有丰富的地图功能,某个人在某个时间段内所经历的路径可以在地面监控中心的大屏幕上显现出来,形成线路轨迹。
(4)丰富的人员下井考勤能力??啥猿鋈刖嗽苯型臣?,实现下井人员考勤记录,建立人员出入井的各种信息报表。
(5)灾后急救信息。一旦发生各类事故,地面监控主机立即能显示出事故地点的人员数量、人员信息,人员位置等信息,大大提高抢险效率,减少损失。

4.结论
本文介绍的监控系统安全、可靠,能在恶劣环境下24小时正常工作。系统综合应用了蓝牙、红外、GIS等技术,可实现对井下人员进行实时跟踪定位,可快速指导矿井突发性事故的救护工作,是一种先进实用的井下人员跟踪定位系统,有着非常大的社会意义和市场前景。

参考文献:
1.刘联会.煤矿井下移动通信方案的探讨[J]..煤矿机电,2002, (3):36-38.
2.周贤伟,王强,覃伯平,无线传感器网络节点定位算法的研究,传感器与微系统,2006-25-3
3.金永飞,徐精彩,郑学召,基于双绞线通信技术的矿山应急救援系统的研究,矿业安全与环保,2006-6-3
4.Akyildiz L F, SuW L, Sankarasubramaniam Y, et al. A survey on sensor networks [ J ]. IEEE Communications Magazine, 2002,40 (8) : 102 - 114.

The Mine Safety Monitoring System based on Bluetooth
JIN Chun[1][2] ,XIAO Ling-na[1][3] ,LIN Jin-zhao[1]
([1]ChongQing university,ChongQing,400030,China;[2]JINOU science and technology development Co,Ltd ,ChongQing ,400039, China; [3]ChongQing communication colledge, ChongQing,400035,China;
Abstract: We discuss the Coal Mine Safety Monitoring System which integrated with Bluetooth, infrared and GIS in this paper. And respectively describe the scheme , the core functions ,the working principle of node-position with Bluetooth and the block diagram of the system.
Key words: Bluetooth , node-position, Mine safety
作者简介: 金纯(1966- ),男(汉族),重庆,美国伊利诺伊大学计算机专业博士,重庆大学教授,硕士研究生导师,研究方向:通信网。曾任美国微软资深软件工程师与项目主管,参与过 Oracle 、 SQL Server 、 Hotmail等大型项目并因在Hotmail项目中表现杰出获比尔·盖茨亲授奖牌,主持开发了国内第一套蓝牙开发平台、蓝牙网关、蓝牙通用无线接口???、蓝牙耳机等系列产品,参与863项目:基于"蓝牙"技术的工业现场设备、监控网络及其关键技术研究,现有专著包括《蓝牙技术》、《802.11b无线局域网》、《无线网络安全》,现为重庆蓝牙无线技术研究所所长。
肖玲娜(1978-),女(汉族),重庆,重庆大学在读研究生,研究方向为无线通信。
Biography: Jin Chun(1966-),female(han), ChongQing, ChongQing university, Professor, Software Engineering, Research area: Bluetooth.
Xiao Lingna(1978-),male(han),ChongQing, ChongQing university, Professor, Communication Engineering, Research area: mobile communication.

项目介绍:本论文受国家火炬计划的"蓝牙无线接入系统"项目支持。项目编号:2003EB011364。
通信地址:重庆金瓯科技发展有限责任公司,400039,电话:023-68903066
创新点: 本文讨论的矿山监测系统融合了蓝牙、红外两种通信技术,性能稳定,简单易行。蓝牙定位技术的应用,既减少了井下布线节约了成本又增加了井下通信的移动性.

 

一门兴隆
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