基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法及系统

摘要

一种基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法，超声波定位节点通过监测频段超声波信号实现对人员的目标发现，目标发现后，超声波定位节点通过通信频段的超声波信号实现与移动终端之间的通信，移动终端在应答操作过程中将对应的识别代码发送给超声波定位节点，超声波定位节点接收到识别代码后，将识别代码发送至上位机，上位机根据超声波定位节点的既定位置和识别代码完成对井下人员的定位和识别。本发明的有益技术效果是：利用超声波信号实现对井下人员的监测、定位和识别，避免了基于电磁波的定位系统存在的定位精度不高的问题，同时整合了结构形变在线监测功能，支持对多点人员和结构的同步定位及实时监测。

主权项

一种基于超声波的井下人员定位和结构监测一体化方法，其特征在于：所涉及的硬件有：多个超声波定位节点（1）、多个移动终端（2）和上位机（3）；所述超声波定位节点（1）呈单列形式设置于井道的顶壁上，超声波定位节点（1）与上位机（3）之间通过线缆通信连接；移动终端（2）由井下作业人员携带，每个移动终端（2）都分配有唯一的识别代码；超声波定位节点（1）通过发射监测频段的超声波信号来实现对井下人员的目标发现，目标发现后，超声波定位节点（1）通过发射通信频段的超声波信号来实现与移动终端（2）之间的通信，移动终端（2）接收到通信频段的超声波信号后，移动终端（2）和超声波定位节点（1）之间进行应答操作，在应答操作过程中，移动终端（2）将对应的识别代码发送给超声波定位节点（1），超声波定位节点（1）接收到识别代码后，将识别代码发送至上位机（3），上位机（3）根据超声波定位节点（1）的既定位置和识别代码完成对井下人员的定位和识别；所述超声波定位节点（1）上集成有收发一体式的超声波换能器和处理模块，处理模块控制超声波换能器的动作：当某一超声波定位节点（1）的监测区域内无人员经过时，处理模块控制超声波换能器发射监测频段的超声波信号，以对监测区域内的情况进行实时监测；当某一超声波定位节点（1）通过超声波换能器感应到其监测区域内有人员经过时，处理模块立即控制超声波换能器切换发射频率并发射通信频段的超声波信号；当移动终端（2）未接收到通信频段的超声波信号时，移动终端（2）处于休眠状态；当移动终端（2）接收到通信频段的超声波信号后，移动终端（2）才进行应答操作；超声波定位节点（1）接收到识别代码后，由处理模块从应答操作的信号中解析出识别代码的信息，然后将识别代码发送至上位机（3），同时，处理模块控制超声波换能器继续发射监测频段的超声波信号；所述超声波定位节点（1）和移动终端（2）之间的应答操作包括：超声波定位节点（1）内预设有查询优先级和扫描层次，移动终端（2）内预设有应答优先级和应答层次；查询优先级和应答优先级的级数相同且均用1、2、3…n的数字序号顺次编号，数字序号相同的查询优先级和应答优先级互相对应，查询优先级中某一具体的级数定义为查询级数，应答优先级中某一具体的级数定义为应答级数；扫描层次初值为0，应答操作过程中，超声波定位节点（1）每发出一次分配优先级命令，扫描层次就加1；应答层次初值为0，应答操作过程中，移动终端（2）每收到一次分配优先级命令，应答层次就加1；查询级数和扫描层次的信息定义为握手信息，应答级数和应答层次的信息定义为识别信息；应答操作开始后，超声波定位节点（1）先向外发射激活信号；收到激活信号的移动终端（2）结束休眠状态，然后移动终端（2）向外发送应答信号，应答信号中不带任何信息，仅用于超声波定位节点（1）判断移动终端（2）的数量是否为复数；超声波定位节点（1）收到应答信号后，先对应答信号是否为混叠信号进行判断：若应答信号为单一信号，则超声波定位节点（1）向外发出读取身份命令，读取身份命令中包含有握手信息；移动终端（2）收到读取身份命令后，移动终端（2）将读取身份命令中的握手信息与自己的识别信息进行匹配，若匹配成功，则移动终端（2）向外发送自己的识别代码，发送了识别代码的移动终端（2）将应答层次置为初值后进入休眠状态，直至再次被激活信号唤醒，应答操作结束；若应答信号为混叠信号，则采用方法Ⅰ继续进行处理；移动终端（2）将握手信息与识别信息进行匹配的处理过程简称握手操作；移动终端（2）向外发送自己的识别代码并将应答层次置为初值后进入休眠状态的处理过程简称休眠操作；移动终端（2）被激活信号唤醒后，除非再次进入休眠状态，否则就处于待命状态；应答操作结束后，超声波定位节点（1）将扫描层次置为初值后切换至监测模式；所述方法Ⅰ包括：1）超声波定位节点（1）向外发射分配优先级命令，同时，超声波定位节点（1）对扫描层次进行加1；接收到分配优先级命令的移动终端（2）从应答优先级中随机选择某一具体的级数作为自己的应答级数，同时，移动终端（2）对应答层次进行加1；2）超声波定位节点（1）向外发送包含握手信息的查询信号，对当前扫描层次内的某一查询级数进行查询；3）收到查询信号的移动终端（2）进行握手操作，若握手操作成功，则移动终端（2）向外发送应答信号；若握手操作不成功，则移动终端（2）继续待命；4）超声波定位节点（1）发出查询信号后，等待一定时间，然后超声波定位节点（1）判断是否收到应答信号：若没有收到应答信号，则超声波定位节点（1）将握手信息中的查询级数修改为下一查询优先级对应的查询级数，然后重新发送查询信号；超声波定位节点（1）对查询级数进行修改并重新发送查询信号的处理过程简称轮询操作；若收到了应答信号，则超声波定位节点（1）对应答信号是否为混叠信号进行判断：若应答信号为单一信号，则超声波定位节点（1）向外发出包含当前握手信息的读取身份命令，对应的移动终端（2）进行握手操作和休眠操作；然后超声波定位节点（1）继续进行轮询操作；若应答信号为混叠信号，则返回步骤1）；在轮询操作过程中，将最初扫描的查询级数定义为初始级数；最后扫描的查询级数定义为终结级数；若某一查询级数的扫描过程中，出现应答信号为混叠信号的情况，则将当前查询级数记为中断级数，中断级数之后的那一级查询级数记为中断后级数；若在某一扫描层次的轮询操作过程中，超声波定位节点（1）已经轮询至终结级数且未出现应答信号为混叠信号的情况，则超声波定位节点（1）结束当前扫描层次的轮询操作，返回上一扫描层次，继续从对应上一扫描层次的中断后级数开始进行轮询操作，直至返回至第1扫描层次；当在第1扫描层次的轮询操作过程中，超声波定位节点（1）已经轮询至终结级数且未出现应答信号为混叠信号的情况，应答操作结束；当出现中断层次后，超声波定位节点（1）对后一扫描层次的轮询操作重新从初始级数开始。