蓝牙井下无线定位系统

1.蓝牙井下无线定位系统，其特征在于包括蓝牙基站(1)、蓝牙移动站(2)、监控主机(5)；若干个蓝牙基站(1)固定布置于矿井内，蓝牙基站(1)之间通过有线和/或无线网络连接；蓝牙移动站(2)为带蓝牙芯片的模块，与蓝牙基站(1)无线连接；蓝牙基站(1)与监控主机(5)之间通过有线网络(4)连接；
所述蓝牙基站(1)，由蓝牙模块(10)、单片机(11)、ARM微处理器芯片(12)和调制解调器模块(13)构成；蓝牙模块(10)通过UART接口与ARM微处理器芯片(12)相连；蓝牙模块(10)的PCM接口连接到单片机(11)的I/O 口，单片机(11)与ARM微处理器芯片(12)通过UART接口相连；ARM微处理器芯片(12)的CAN接口通过调制解调模块(13)与CAN总线相连。
2.根据权利要求1所述蓝牙井下无线定位系统，其特征在于：所述采掘面附近的蓝牙基站(1)之间通过蓝牙无线连接。
3.根据权利要求2所述蓝牙井下无线定位系统，其特征在于：所述有线网络是基于CAN的有线网络，蓝牙基站(1)中的ARM微处理器芯片(12)自带CAN接口，通过调制解调模块(13)与CAN总线相连；监控主机(5)通过串口与有线网络的CAN转换器(7)相连；有线网络中有若干CAN中继器(6)，用于延长网络距离。
4.根据权利要求1、2或3所述蓝牙井下无线定位系统，其特征在于：所述矿井内两个
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蓝牙基站(1)之间还设有红外传感器(3)，通过IC接口与附近的蓝牙基站(1)中的ARM微处理器芯片(12)相连。

蓝牙井下无线定位系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种无线定位系统，具体涉及一种利用蓝牙技术对矿井等地下作业环境内人员进行无线定位跟踪并实时显示的蓝牙井下定位系统。
背景技术
[0002] 在矿井日常管理中，管理人员需要掌握各个岗位的在岗情况，一方面了解工作进展，另一方面对救灾工作提供便利。但是由于矿井等地下作业人员流动性大，一旦下井后，很难准确地知道其所处的位置，特别是一些关键的安全监察岗位。当矿井发生透水、火灾，爆炸等事故，人员被困井下时，地面矿山救援指挥中心无法准确知道井下被困人员数量和位置，也使救灾工作面临极大的困难，影响救援工作的开展，因此存在严重的安全隐患。
[0003] 现有技术中，有关井下定位系统大都存在精度差、成本高等问题。如采用RFID有源感应卡方式的技术，人员佩戴RFID卡下井，在井下适当位置设置读卡器，人员通过时读取信息以定位。此方案定位精度取决于读卡器间的距离，而一般读卡器的距离为几十米，所以该方案的定位精度也为几十米。此外RFID卡一般是被动卡，只能在固定位置刷卡定位，不能进行双向通信，在发生事故的情况下，只能通过该系统确定员工在事故发生前的大概位置。
[0004] 又如中国专利200510071144.7公开的“一种基于无线传感器网络的井下定位系统、装置及方法”，其系统包括置于矿灯内的移动节点、连接有线和无线网络的网关、系统管理中心。此系统采用传统无线电技术，它存在功耗大，抗干扰能力差，成本高等缺陷，不能满足矿井等地下人员定位的需要。
发明内容
[0005] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种用于矿井等地下工作场所，精度高、成本低、抗干扰能力强、功耗低，且定位准确的蓝牙井下无线定位系统。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：蓝牙井下无线定位系统，其特征在于包括蓝牙基站、蓝牙移动站和监控主机；若干个蓝牙基站固定布置于矿井内，蓝牙基站之间通过有线和/或无线网络连接；蓝牙移动站采用现有带蓝牙芯片的模块即可，由下井人员佩戴，与蓝牙基站无线连接；蓝牙基站与监控主机之间通过有线网络连接；
[0007] 所述蓝牙基站由蓝牙模块、单片机、ARM微处理器芯片和调制解调器模块构成；蓝牙模块通过UART接口与ARM微处理器芯片相连；蓝牙模块的PCM接口连接到单片机的I/O口，单片机与ARM微处理器芯片通过UART接口相连；ARM微处理器芯片的CAN接口通过调制解调模块与CAN总线相连。所述矿井内两个蓝牙基站之间通过有线网络相互连接，采掘面附近的蓝牙基站间通过蓝牙无线连接。
[0008] 所述有线网络是基于CAN的有线网络，蓝牙基站中的ARM微处理器芯片自带CAN接口，通过调制解调模块与CAN总线相连；监控主机通过串口与有线网络的CAN转换器相连；有线网络中有若干CAN中继器，用于延长网络距离。
[0009] 所述矿井内两个蓝牙基站之间还设有红外传感器，通过I2C接口与附近的蓝牙基站中的ARM微处理器芯片相连。
[0010] 相比现有技术，本发明具有以下优点：
[0011] 1、该系统采用先进的蓝牙技术，克服无线电技术易受干扰、功耗大、成本高的缺点；使用方便，成本低廉；能满足矿井等地下人员定位的需要。
[0012] 2、蓝牙井下无线定位系统，定位精度高，并能将定位结果形象地实时显示在GIS地图上，为矿井救援和日常管理提供详细、准确、直观的井下人员信息。
[0013] 3、该系统支持异步数据信道和同步语音信道，可以用一个信道同时传送异步数据和同步语音，语音功能让发生事故后，救援人员能与井下人员通话，了解井下第一手资料，安抚井下人员；实现对井下人员的跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、双向通话、数据库存储、报表打印。
附图说明
[0014] 图1是本发明蓝牙井下定位系统结构示意图。
[0015] 图2是本发明蓝牙井下定位系统中蓝牙基站的结构图。
[0016] 图3是本发明蓝牙井下定位系统中蓝牙无线定位原理示意图。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
[0018] 如图1所示，本发明蓝牙井下无线定位系统，包括蓝牙基站1、蓝牙移动站2、红外传感器3、基于CAN的有线网络、监控主机5以及相应的管理软件。若干个蓝牙基站1固定布置于矿井内的侧壁上，矿井内的蓝牙基站1之间依次通过基于CAN的有线网络相互连接，采掘面的蓝牙基站1间通过蓝牙无线连接；蓝牙移动站2采用现有带蓝牙芯片的模块即可，由下井人员佩戴，蓝牙移动站2的蓝牙模块与蓝牙基站1无线连接；若干个红外传感器3布
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置于矿井内的蓝牙基站1之间，通过IC接口有线连接到附近的蓝牙基站1；监控主机5与蓝牙基站1之间通过基于CAN的有线网络连接。监控主机5上安装了管理软件，所述管理软件实现功能如下：接收基站发送过来的信息进行分析处理，确定蓝牙移动站所在位置，并实时显示在GIS地图上，同时具有数据储存和报表打印功能。本发明监控主机5基于信号强度和红外感应信息，实现对蓝牙移动站精确定位并实时显示。
[0019] 其中，基于CAN的有线网络，包括CAN总线4、CAN中继器6、CAN转换器7。监控主机5通过串口与网络中的CAN转换器7相连；有线网络中有若干CAN中继器6用于延长网络距离。
[0020] 如图2所示，蓝牙井下无线定位系统中的蓝牙基站，包括蓝牙模块10、单片机11、ARM微处理器芯片12、调制解调器模块13。蓝牙模块10通过UART接口与ARM微处理器芯片12相连，以便进行数据的双向传输；同时蓝牙模块10的PCM接口连接到单片机11的I/O口，单片机11与ARM微处理器芯片12通过UART口相连，这样蓝牙模块10收到语音信息之后，就可以通过单片机11传输给ARM微处理器芯片12，再由ARM微处理器芯片12传输到CAN总线4上；反之，ARM微处理器芯片12接收到语音信息之后通过单片机11传输给蓝牙模块10，这样就可以进行语音的双向传输。蓝牙基站1中的ARM微处理器芯片12自带CAN接口，通过调制解调模块13与CAN总线4相连。
[0021] 蓝牙模块10的射频接口接收来自外部天线的数据，把数据通过UART接口传输给ARM微处理器芯片12，话音则通过单片机11的UART接口传输给ARM微处理器芯片12。ARM微处理器芯片12再通过VPB内部总线和CAN接口把语音和数据传到调制解调模块13，经过调制解调后最终把数据和语音传到CAN总线上。来自CAN总线4上的语音及数据可以通过反方向传输给蓝牙模块10，蓝牙模块10再通过天线发射给其他蓝牙基站或蓝牙移动站的蓝牙模块。
[0022] 本发明的工作原理是：蓝牙基站1定期搜索附近的蓝牙移动站2，而红外感应器3则在不停地探测有无蓝牙移动站2(人员)经过。在每个矿工身上都携带唯一蓝牙地址并使用电池供电的蓝牙移动站2，蓝牙移动站2开启时可以被蓝牙基站1查询及连接。当蓝牙移动站2经过蓝牙基站1附近时，蓝牙基站1就会搜索到蓝牙移动站2并且向蓝牙移动站
2发送带RSSI返回结果的查询命令HCI_Inquiry，当查询结果返回之后，蓝牙基站将获得的蓝牙移动站信息，信号强度与该蓝牙基站自身信息按照一定格式传输给监控主机，如(基站B1，移动站M1，强度-65)；同时，当红外感应器3感应到有人体(蓝牙移动站2)通过时，便通过电平的转换把信息上传给监控主机5。同理，当蓝牙移动站2继续前进时，就由其最接近的蓝牙基站以及红外感应器共同工作，完成对它的定位。最后监控主机5通过管理软件就可以将收到的数据进行计算并显示在GIS地图上。
[0023] 当有多个蓝牙基站1同时测试到同一个蓝牙移动站2时，利用信号的比例来确定蓝牙移动站的位置，这种方式比只有一个蓝牙基站测试得到的数据会更加精确。参见图3，如蓝牙移动站M2到蓝牙基站B3的信号强度为x，到蓝牙基站B4的信号强度为y，则利用预先测试到的数据，可以知道M2到B3的距离为x1，到蓝牙基站B4的距离y1，进一步可以确定M2到B3的距离与到B4的距离之比为x1比y1，而蓝牙移动站2只可能在坑道内移动，由于蓝牙基站1的位置是固定的，并且是预先知道的，所以利用两个固定点间的距离及移动点到两个固定点之间的距离比例就可以确定蓝牙移动站的位置，从而达到精确定位的目的。
[0024] 本发明具体实施方式中，蓝牙基站1中的蓝牙模块10可以采用CSR公司的BC04-Ext芯片；单片机11可以采用ST公司的STC12LE5412芯片；ARM微处理器芯片12可以采用PHLIPS公司的LPC2119芯片；红外模块3可以采用拓迪公司的TDL-718B芯片。蓝牙移动站2采用与蓝牙基站匹配的蓝牙模块即可。当然，本发明不限于所述实施例的选型。
[0025] 本发明利用一种短距离无线通讯的蓝牙技术，采用2.4GHz的ISM公共频段，提供语音及数据应用；蓝牙采用跳频技术，有很强的抗干扰能力。由于每个蓝牙设备都具有一个全球唯一的蓝牙地址，这一地址可用于标记某一蓝牙移动站和员工的对应关系，以及某一蓝牙基站与其固定的位置的对应关系；同时蓝牙协议要求蓝牙设备具有读取设备RSSI(接收信号强度值)的功能，这样就可以通过分析蓝牙移动站与蓝牙基站之间的信号强度，来估计出蓝牙移动站与某一个蓝牙基站之间的距离，通过多个蓝牙基站的测试，就可以测试出蓝牙移动站的位置，从而达到定位的目的。
[0026] 当一个蓝牙基站附近有多个蓝牙移动站时，可以利用蓝牙的跳频技术，一一查询到每个蓝牙移动站，不会因为干扰而一直查询不到某个蓝牙移动站。这是因为蓝牙基站在数据通讯时，每隔0.625us就要改变一个频点，蓝牙基站在查询时，每隔0.3125us就会改变一个频点，蓝牙总共有79个跳频点，蓝牙移动站在查询扫描时，会利用其中的32个跳频点，也就是说，在同一个时间段内，多个蓝牙在同一个频点扫描的概率非常的小，而且即使正好在同一个频点，同样的两个或多个设备也不会在下一个时间段又正好跳到同一个频点去，这是因为蓝牙的调频序列与蓝牙地址有关，而每个设备的蓝牙地址又不相同，这样就可以保证所有的设备都可以被查询到。
[0027] 本发明当中还采用了红外感应器，辅助蓝牙基站进行更准确地定位。红外感应器探头是靠探测人体发射的红外线进行工作的，它对人体的存在进行反应，不管人体是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应。当红外感应器感应到有人体通过时，便通过电平的转换把信息上传给主机，结合上述的蓝牙定位的结果，实现对井下工作人员的更精确的定位。红外感应器器件功耗小、价格低廉，而且应用在避光的矿井下，避免了受到光源的影响。
[0028] 采用本发明系统可以用来实现井下人员监控、调度、考勤，提高矿山管理水平；在发生意外事故时，能利用该系统对遇险人员进行精确定位，或利用主机中存储的最近记录，迅速开展救援工作，减少事故带来的损失。