[发明专利]基于UWB的井下定位及生命体征监测系统

说明书

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。

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：