一种适应矿山的数据采集及人员设备定位的信息化平台

技术领域

本发明涉及矿山安全信息化技术领域，具体涉及一种适应矿山的数据采集及人员设备定位的信息化平台。

背景技术

当前矿山企业的科技应用及信息自动化水平严重落后现代科学技术，特别是井下的作业面，存在对井下人员车辆缺乏有效的管理、环境及设备数据采集不全面、通讯手段单一、网络承载能力差等特点。市面上有一些基于射频识别技术和zigbee无线通信技术的综合信息化系统平台，但这些技术平台普遍存在定位精度低、覆盖范围小、安装设备多且功能单一、集成度低、通信主要依靠语音电话、维护及运营难度大且成本高的特点，同时无线终端在井下无法接入基站等问题存在，导致井下和地面在各方面管理的有效性不高，特别是出现异常或者事故的时候，缺乏精确可靠的位置信息，也缺乏可视化通信手段，难以进行及时有效的抢救，安全救护的效率低，效果不理想，这将进一步升级和恶化事故导致的进一步人员伤亡和财产损失。

发明内容

本发明提出一种适应矿山的数据采集及人员设备定位的信息化平台，以解决上述提到的技术问题。

本发明的技术目的主要通过以下技术方案得以实现：

一种适应矿山的数据采集及人员设备定位的信息化平台，所述平台包括定位子系统、监测监控子系统、通讯联络子系统，并通过工业级冗余光纤环网进行系统连接；

所述定位子系统包括人员考勤模块、跟踪定位模块、呼救报警模块、灾后急救模块、日常管理模块、人员轨迹回放模块；

所述监测监控子系统包括视频监控模块、定位视频联动模块、环境数据监测监控模块；

所述通讯联络子系统包括语音通讯模块、WIFI终端APP接口模块和IP广播集成模块；

其中，所述平台通过网络与人脸识别闸机、云台摄像头、多功能基站、监测传感器、调度系统、显示终端相互连接，并且将采集的数据分别解析后送至各子系统并在显示终端呈现出来。

进一步地，所述人员考勤模块通过人脸识别闸机与所述平台相连，记录人员进出矿井的数据并通过网络上传至所述平台；所述跟踪定位模块通过设置于矿井内的基站与平台相连，所述基站通过定位标签卡实现彼此交互，携带所述定位标签卡的人员通过所述基站与所述定位标签卡之间的交互实现位置和距离的测算并将数据传至所述平台；

所述呼救报警模块通过触发所述定位标签卡的报警按键触发报警信号并通过UWB无线向基站上传报警控制信号，进而向平台上传报警信号，在危急情况下可第一时间向调度中心平台触发报警急救信号；所述灾后救急模块和所述人员轨迹模块均通过系统采集的人员位置在所述平台内通过平面图或三维立体图可视化地呈现并储存相应的定位数据得以实现。

进一步地，所述视频监控模块和定位视频联动模块通过在基站安装位置安置云台摄像头，并将所述云台摄像头数据与基站数据共同传输，将摄像数据传至所述平台记录并可通过显示终端显示，同时针对井下任何人员的实时定位位置可关联最近的云台摄像头并控制其云台转向对人员位置方向进行实时的视频动态影像呈现；所述环境数据监测监控模块通过在所述基站中设置的传感器模块对井下各区域环境进行监测并将数据传至所述平台，所述平台可根据基站采集的定位标识卡的位置数据，所述云台摄像头采集的图像数据将巷道内设备视频和线路位置可视化模拟，同时进行位置和视频关联并进行联动。

进一步地，所述基站内设有无线网络模块，所述无线网络模块能够提供井下大面积无线网络覆盖，为无线终端提供网络接入通道，矿井内人员可通过将手机与所述基站交互，以实现矿井中人员与外界或者井下巷道的人员之间进行通讯，实现文字、语音和视频的多媒体通讯。

进一步地，所述平台还具有系统管理配置模块，所述系统管理配置模块通过将所述视频监控模块及所述调度系统接入所述平台，通过平台整合的数据，掌握人员位置信息、关键设备状态、视频实时监控、巷道内环境参数，以及电话广播及无线终端系统设备和数据关联并有序地呈现在所述平台中。

进一步地，所述基站具有功能底板，所述功能底板上承载有ARM核心板、AP模块；所述定位标签卡连接有UWB天线，用于收发UWB信号；所述AP模块连接有WIFI天线，用于收发WIFI信号；所述定位标签卡具有功率放大模块，所述AP模块通过所述功能底板与所述ARM核心板、所述功率放大模块一起实现有线网络和无线网络的大范围覆盖。

进一步地，所述监测传感器可检测的数据包括风速、风压、一氧化碳含量、风机开停。

进一步地，所述WIFI终端APP接口模块可实现将手机通过无线AP接入网络并在手机端APP访问所述平台的所有监测数据及人员设备定位情况，同时可以与井下和地面人员的固定电话和移动设备进行移动通讯。

本发明的有益效果为：

1、该平台可通过人脸识别闸机，对矿井出入人员做数据采集，掌握矿井内人员信息；该平台可通过基站和定位标签卡的交互，对人员的位置信息进行采集，通过将云台摄像头安置于各个基站设备箱位置，实现矿井的实时影像监测，并在平台实时动态地三维方式呈现井下所有设备安装位置、运行状态及所有人员和设备的实时动态图；通过在基站接入传感器模块，对矿井内环境数据监测监控并将数据传至平台；人员移动终端可以接入基站的WiFi实现网络交互，并可进行语音视频通讯；可通过平台查看系统线路架构、设备属性及网络配置等所有信息；可查询人员及设备的历史活动轨迹，还可实时关联安装在基站附近的云台摄像头进行人员及设备的随动转向，查看视频实况录像等功能；同时支持设备的异常故障报警及重大异常事故的邮件、短信和电话报警等平台功能。

2.该平台中的定位标签卡采用UWB无线通信技术与基站通信并定位，兼有事故报警和低电量报警功能，在保证低功耗设计的前提下，接收和发射信号的距离要尽可能远，以保证远距离的定位效果。

3.该平台中的基站采用UWB定位技术，将人员及设备(移动)定位精度达到50cm以内，同时覆盖范围应尽可能大(至少300米)；同时集成采样频率可配置的多通道(包括数字和模拟信号)信息采集；将高速率无线AP网络功能集成到基站内部，采用专用功放电路让无线覆盖井下大部分区域(至少150米)，井下无线终端(手机)可以通过接入无线网与外界互连互通的目标，可以进行文字、语音和视频的交互。

附图说明

图1为一种适应矿山的数据采集及人员设备定位的信息化平台结构示意图；

图2为一种定位标签卡的工作原理图；

图3为一种定位标签卡中电源变换及管理模块工作原理图；

图4为一种集定位、通信及数据采集的多功能基站的结构原理图；

图5为一种集定位、通信及数据采集的多功能基站的功能底板的电气原理图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，本发明提出一种适应矿山的数据采集及人员设备定位的信息化平台，平台包括定位子系统、监测监控子系统、通讯联络子系统，并通过工业级冗余光纤环网进行系统连接；

定位子系统包括人员考勤模块、跟踪定位模块、呼救报警模块、灾后急救模块、日常管理模块、人员轨迹回放模块；

监测监控子系统包括视频监控模块、定位视频联动模块、环境数据监测监控模块；

通讯联络子系统包括语音通讯模块、WIFI终端APP接口模块和IP广播集成模块；

其中，平台通过网络与人脸识别闸机、云台摄像头、多功能基站、调度系统、显示终端相互连接，并且将采集的数据分别解析后送至各子系统并在显示终端呈现出来。

具体地，人员考勤模块通过人脸识别闸机与平台相连，记录人员进出矿井的数据并通过网络上传至平台；跟踪定位模块通过设置于矿井内的基站与平台相连，基站通过定位标签卡实现彼此交互，携带定位标签卡的人员通过基站与定位标签卡之间的交互实现位置和距离的测算并将数据传至平台；

呼救报警模块通过触发定位标签卡的报警按键触发报警信号并通过UWB无线向基站上传报警控制信号，进而向平台上传报警信号，在危急情况下可第一时间向调度中心平台触发报警急救信号；灾后救急模块和人员轨迹模块均通过系统采集的人员位置在平台内通过平面图或三维立体图可视化地呈现并储存相应的定位数据得以实现。

具体地，视频监控模块和定位视频联动模块通过在基站安装位置安置云台摄像头，并将云台摄像头数据与基站数据共同传输，将摄像数据传至平台记录并可通过显示终端显示，同时针对井下任何人员的实时定位位置可关联最近的云台摄像头并控制其云台转向对人员位置方向进行实时的视频动态影像呈现；环境数据监测监控模块通过在基站中设置的传感器模块对井下各区域环境进行监测并将数据传至平台，平台可根据基站采集的定位标识卡的位置数据，云台摄像头采集的图像数据将巷道内设备视频和线路位置可视化模拟，同时进行位置和视频关联并进行联动。

具体地，基站内设有无线网络模块，无线网络模块能够提供井下大面积无线网络覆盖，为无线终端提供网络接入通道，矿道内人员可通过将手机与基站交互，以实现矿道中人员与外界或者井下巷道的人员之间进行通讯，实现文字、语音和视频的多媒体通讯。

具体地，平台还具有系统管理配置模块，系统管理配置模块通过将视频监控模块及调度系统接入平台，通过平台整合的数据，掌握人员位置信息、关键设备状态、视频实时监控、巷道内环境参数，以及电话广播及无线终端系统设备和数据关联并有序地呈现在平台中。

具体地，基站具有功能底板，功能底板上承载有ARM核心板、AP模块；定位标签卡连接有UWB天线，用于收发UWB信号；AP模块连接有WIFI天线，用于收发WIFI信号；定位标签卡具有功率放大模块，AP模块通过功能底板与ARM核心板、功率放大模块一起实现有线网络和无线网络的大范围覆盖。

具体地，所述监测传感器可检测的数据包括风速、风压、一氧化碳含量、风机开停。

具体地，所述WIFI终端APP接口模块可实现将手机通过无线AP接入网络并在手机端APP访问所述平台的所有监测数据及人员设备定位情况，同时可以与井下和地面人员的固定电话和移动设备进行移动通讯。

更加具体地说，定位标签卡主要用于接收基站发送的询问信号并进行应答，多个基站即可根据测算的距离实现对标签卡的精确定位功能。该定位标签卡主要通过UWB无线通信技术与基站通信并定位，在通过天线收发信号时，在接收通道增加了LNA电路，在发射通道增加了PA电路，使得在可视状态下，通信距离达到600米左右，提高了标签的定位距离。该定位标签卡选择ARM芯片使用在处理板中，具有低功耗的作用，并且通过电源变换及管理模块连接于电池和ARM模块之间，对电路的供电进行控制，对功率放大器、低噪级和部分控制电路的供电都进行了控制，尽量增加标签卡的待机时间，使得在保证低功耗设计的前提下，接收和发射信号的距离要尽可能远，以保证远距离的定位效果。该定位标签卡采用全密封设计，在充电接口处用硅胶帽进行了处理，有效解决了在矿井中使用的环境恶劣问题。

基站与定位卡标签进行交互，将测量的距离数据通过网络发送至平台，由平台最终完成标签卡在矿井中的定位。而定位卡标签可以安装在改基站上，也可以由工作人员随身携带，安装在基站内的定位标签卡可以与人员随身携带的定位标签卡进行信号交互，从而测量距离并将数据通过网络发送至信息化平台。通过UWB定位技术，将人员及设备(移动)定位精度达到50cm以内，同时覆盖范围应尽可能大(至少300米)。定位标签卡具有UWB信号的收发功能，定位卡标签在接收通道增加了LNA电路，在发射通道增加了PA电路，使得在可视状态下，通信距离达到600米左右，提高了标签的定位距离；定位标签卡具有功率放大模块，所述AP模块通过所述功能底板与所述ARM核心板、所述功率放大模块一起实现有线网络和无线网络的大范围覆盖，无线覆盖井下大部分区域(至少150米)。该基站的功能底板上具有板载SD卡，可完成核心模块的软件升级，且可通过远程无线网升级，定位标签卡也可进行远程无线升级，在后续使用过程中，增加新应用及调整修改产品参数可以通过远程网络进行无线升级。该基站所有对外的接口，如电源、RS485、网口等均增加了保护电路，能大大提高产品的环境可靠性；该基站的功能底板具有电源重启保护电路，当监测到系统有异常状况是，可通过IO脚控制基站供电部分先断电再自动上电，完成基站的断电重启；该基站的功能底板具有VGA扩展接口，外接工业显示屏可实现相关监测数据的显示。井下无线终端(手机)可以通过接入该基站与外界互连互通的目标，可以进行文字、语音和视频的交互，同时无线终端的定制APP可通过接入网络与井下和地面的固定电话和移动电话进行语音通讯。该基站集多功能于一身且小型化，安装和维修非常方便。

此外，基站还设有传感器模块和报警模块，通过在矿井内分散设置的基站，让传感器模块同样检测到大范围矿井内的环境并将检测到的环境数据反馈至平台。与平台通过工业互联网连接的还有云台摄像头、调度台、大屏显示屏、人员识别闸机，平台将各个设备及模块所采集的数据进行整合，能够能够掌握矿井人员的进出信息和位置信息，并且将矿井中的情况实时呈现在显示屏中。

定位子系统能够及时、准确的将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。当事故发生或出现紧急情况时，系统将在井下通过分站所接报警器发出声光报警，提醒所有人员及时撤离到地面；另外救援人员也可根据井下人员定位考勤系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

该平台可以实现矿山的井上和井下的语音视频通讯、人员、设备跟踪定位、井下关键设备(如风机、水泵等)的远程监控、井下关键位置的图像视频监测监控、以及各种通风效果及环境参数(如风速、风压、CO、NO2等)的监测监控等。在此基础上实现统一生产指挥调度。即：管理和指挥调度人员可以无需下井，根据井下反馈到主控室的实时数据，统一进行生产调度指挥，提高生产效率，及时排除安全隐患。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。