基于UWB的井下定位及生命体征监测系统

摘要

本发明提供一种基于UWB的井下定位及生命体征监测系统，包括：目标节点，包括第一CPU、第一UWB模块和至少一种能够表征生命体征的传感器；传感器的输出端与第一CPU连接，所述第一UWB模块与第一CPU连接，多个锚节点及定位服务器，用于以太网与多个锚节点，获取来自传感器的数据，并基于TDOA技术进行时钟同步计算，实现对目标节点的定位。与现有技术相比，本发明使用双向通信技术。在进行定位通信的过程中可以通过所布置的基站(锚节点)上的UWB无线装置回传其他数据，所以基站的制造成本相对低廉，抗干扰性好，超低功耗，信息全面以及特别适应于井下狭长的的结构。

说明书

技术领域

本发明涉及一种井下定位及生命体征监测系统。

背景技术

我国是煤炭开采的大国，煤炭是我国的重要能源。煤炭生产行业属高危行业，各类事故困扰着煤矿安全生产。井下恶劣作业环境和超负荷体力劳动严重威胁着井下工作人员的健康状况。实时监测井下人员的健康异常情况，对预防事故发生、提升生产效率和管理水平都有重要的意义，也能够为突发事故救援提供重要信息。矿井人员定位系统是煤矿安全避险六大系统之一，对保障矿山安全生产发挥着重大作用。

目前矿井人员定位系统主要采用RFID卡识别和无线电信号定位技术。基于RFID卡识别定位属区域定位技术，只能识别人员是否经过某个区域，无法对区域内的人员进行精确定位。无线电信号定位技术基于无线电信号在矿井中的传输信号衰减RSSI或传输时间进行定位，由于无线电信号在传输过程中易受巷道尺寸、形状、巷道粗糙度、障碍物等因素影响，信号衰减模型极其复杂，定位精度低，且目前无线电信号定位系统还存在通信终端设备体积较大、辅助设备多，系统建设及维护成本高等问题。

发明内容

本发明的目的是：为了能在发生重大井下事故时，能够快速寻找到被困人员所在位置并且该设备为施救人员提供有效数据，实现成本较低。

为了实现以上目的，本发明提出以下方案：

基于UWB的井下定位及生命体征监测系统，包括：

目标节点，包括第一CPU、第一UWB模块和至少一种能够表征生命体征的传感器；所述传感器的输出端与第一CPU连接，用于将采集的数据回传给第一CPU；所述第一UWB模块与第一CPU连接，用于获取并定时传输来自传感器的数据，同时周期性唤醒并发送Blink信号；

多个锚节点，每个锚节点均包括第二CPU和第二UWB模块；每个锚节点均用于接收所述第一UWB模块传输的信号并记录到达该锚节点的时间，生成Blink数据包并周期性地发送Blink数据包，同时记录发送时间并将该发送时间的信息以及所述来自传感器的数据通过以太网传输到定位服务器；其他锚节点接收到所述Blink数据包并记录Blink数据包到达的时间，也将该时间信息传输到定位服务器；

定位服务器，用于以太网与所述多个锚节点，获取所述来自传感器的数据，并基于TDOA技术进行时钟同步计算，实现对目标节点的定位。

进一步地，所述目标节点采用可穿戴设备的形式。

进一步地，所述可穿戴设备为手环。

进一步地，所述至少一种能够表征生命体征的传感器选自血氧传感器、心率传感器和体温传感器。

进一步地，所述锚节点仅由第二CPU、第二UWB模块和电池组成。

进一步地，所述Blink信号包括包含控制字头和目标节点MAC地址信息。

进一步地，所述多个锚节点之外，还配置有数量不超过两个的无以太网连接的锚节点，其与所述多个锚节点中的任一通过数据中继传输。

进一步地，所述目标节点、多个锚节点以及定位服务器还基于TOF技术进行测距定位，并与TDOA定位的结果进行融合得到更为准确的定位。

进一步地，所述基于TOF技术进行测距定位的流程如下：

(1)目标节点周期性唤醒，并发出探询信号Polling，记录并本地存储探询信号的发送时间，记该时间为T1，设探询信号Polling的消息格式用F1字头；所述探询信号Polling与所述Blink信号共用无线数据包；

(2)锚节点接收到目标节点的探询信号Polling以后，记录到达时间，锚节点作为TOF测距节点，记该时间为T2，设相应的消息格式用F2字头；

(3)对于TOF测距节点，立即发送应答无线信号，并记录发送时间，记该时间为T3，设该无线信号的消息格式用F3字头，同时还将该消息发送到定位服务器；

(4)目标节点接收到来自多个TOF测距节点的无线信号后，分别记录到达时间，记该时间为T4，不同TOF测距节点对应的T4值不同；

(5)目标节点将本地记录的时间T1与多个T4采用无线数据包发送，设该无线数据包用F4字头；

(6)锚节点接收到F4字头的消息，具有以太网连接的且地址最小的锚节点将此消息转发到定位服务器；

(7)定位服务器进行时间组合配对，获得目标节点到多个锚节点的TOF和距离，进行定位分析计算；

(8)将基于TOF技术的测距定位结果与TDOA定位的结果进行融合。

相比现有技术，本发明具有以下优点：

1、成本低

一般的无线基站都是内部添加WiFi模块以此实现无线组网。本发明使用双向通信技术。在进行定位通信的过程中也可以通过所布置的基站(锚节点)上的UWB无线装置回传其他数据，因此基站的制造成本相对低廉。

2、抗干扰性好

UWB有着优秀的多径分辨能力，在复杂的井下有着良好的定位能力。就是因为有着这样的优秀的抗干扰能力，所以在突发情况下依旧不会影响定位精度，为救援工作提供了准确的信息。

3、超低功耗

UWB是发出的信号是超窄脉冲，能耗极低。并且可以调低定位频率，再次降低功耗，在特殊情况依旧可以提供定位服务。

4、信息全面

该系统不仅可以全面查看人员的生命体征状况，还可以查看井下环境状况。做到实时监测井下环境，对还未发生的特殊情况做到未雨绸缪。

5、特别适应于井下狭长的的结构

鉴于井下狭长的的结构，井下定位采用一维定位模式。定位人员佩戴生命监测手环即可开始监测工作。通过血氧传感器，心率传感器，温度传感器测量人员的生命健康状况通过井下基站回传至服务器进行分析并预警。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为TOF/TDOA定位系统总体结构示意图；

图2为目标节点(标签)、锚节点(基站)数据传输的示意图；

图3为目标节点的模块组成示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，通过实施例进一步详述本发明。

(一)TDOA定位系统结构和转发过程

TDOA定位系统的总体结构如图1所示。目标节点(标签)周期性唤醒并发送Blink信号，Blink信号包含控制字头、标签MAC地址信息。锚节点接收该信息后，记录到达时间TOA，并将该TOA信息通过网络协议数据包传送到定位服务器。定位服务器利用这些信息进行定位分析计算。

锚节点周期性地发送Blink数据包，锚节点记录发送时间TOE，将TOE信息通过以太网传输到定位服务器；其他锚节点接收到该Blink信号后，记录信号到达时间TOA，也将该信息传输到定位服务器，定位服务器利用这些信息进行时钟同步计算。

对于没有以太网网络的锚节点，可以通过其他具有网络连接的锚节点进行转发，转发中继节点是系统自举产生的。但是这么做会减小定位系统的标签容量。一般一个系统内有一两个没有网络连接的锚节点就可以了。

UWB技术本身是为了无线USB研发的射频技术，所以本身就具有数据传输的能力。本发明是定时发送采集的数据，采集数据的发送不影响定位本身。本发明定位频率就远大于采集数据的发送(定位频率50hz时候，采集数据的频率只有1hz)，发送时间短。所以实现了一个模块的功能复用。基站也是复用了UWB数据传输的部分，经过每一个基站一层层传输，回传至服务器。服务器端使用另一个UWB设备读取数据。这样有几个好处：一是无线回传在特殊情况因为线路所以不会因为线路断路导致无法回传数据，二是基站的生产成本降低。数据传输过程如图2所示。

(二)TOF定位系统结构和转发过程

TOF定位属于在TDOA基础上增加的功能，TOF实际上是RTT双向收发测距的过程。

TOF定位包含两个步骤，一是标签节点和锚节点之间的TOF测距；二是利用这些测距信息进行标签节点的定位。TOF测距需要测量T1，T2，T3，T4等4个时间戳信息，并且要求在尽可能短的时间内完成，以保证所需的测量精度。

本系统设计的TOF测距过程由标签发起，基站作为应答方。

TOF测距流程如下：

(1)标签节点周期性唤醒，并进行探询Polling(为避免信号冲突导致的测距失败，必要时标签首先需要嗅探当前是否有其他站点在发送无线信号)，标签记录发送时间TOE，并进行本地存储，这个时间是T1，包含标签TOE信息的消息格式用F1字头。在融合算法中，该探询信号可以和TDOA中的Blink信号共用无线数据包。

(2)锚节点接收到标签节点的探询信号以后，记录到达时间TOA，并将该信息转发到定位服务器，可以和TDOA共用网络协议数据包格式，也可以另外设计。如果锚节点为TDOA节点，采用TDOA的格式；如果是TOF测距节点，此时间是T2，对应F2信息，必须在网络协议数据包中指明该消息。

(3)对于TOF锚节点，立即发送应答无线信号，此无线信号的消息字头为0xF3，锚节点记录发送时间TOE，并将该信息发送到定位服务器，必须设计新的网络消息协议格式以说明标示此信息。

(4)标签节点接收到该无线数据后，记录到达时间TOA，此时间即为T4。进行定位时，需要多个TOF，标签节点等待多个锚节点应答无线数据包，记录多个T4。

(5)标签立即将本地记录的时间T1和T4采用无线数据包发送，此无线数据包的字头为0xF4。

(6)锚节点接收到F4字头的消息，具有网络连接的且地址最小的锚节点将此信息转发到定位服务器。

(7)定位服务器进行时间组合配对，获得标签到多个锚节点的TOF和距离。

(8)定位服务器进行定位分析计算。

(9)与TDOA定位的结果进行融合。

目标节点(标签)的形式优选手环，如图3所示，其包括的传感器有血氧传感器、心率传感器和体温传感器，这几个传感器通过RS485与CPU通信，传递采集数据。血氧传感器和心率传感器使用的都是光信号；体温传感器使用的温度可变电阻；采用的是ADC采集的方式。

如图3所示，传感器将采集的数据回传给CPU后，CPU将数据通过UWB定位模块回传数据井下锚节点(基站)，通过基站返回数据到服务器。

锚节点(基站)可以只由UWB模块和CPU以及电池组成，结构简单。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。