专利名称：井下作业人员定位跟踪系统及其方法
技术领域：
本发明与一种井下作业人员定位跟踪系统及其方法有关。
背景技术：
井下作业人员的在线定位跟踪，对井下作业的调度、井下作业的安全生产监督控制、事故发生后的施救、降低事故带来的损失等，具有十分重要的意义。
针对地面移动目标定位跟踪的系统产品已经有许多，如全球卫星定位系统GPS、雷达系统、基于视频技术的应用系统等，但是，由于地下坑道的特殊性和环境的恶劣，这些产品均无法在井下的环境中得到应用。
发明的内容本发明的目的是提供一种基于电子身份牌的井下作业人员定位跟踪系统及其方法。
本发明是这样实现的本发明井下作业人员定位跟踪系统，电子身份牌1由井下作业人员随身携带，由天线10、与其连接的接收询问信号5和发射编码信号6的装置构成，节点收发装置2位于坑道沿线上，由天线25、接收编码信号6的装置和发射询问信号5的装置构成，接收编码信号6的装置通过传输系统3将编码信号6输送到位于监测中心的系统主机4。
电子身份牌1的壳体内有电源电路11和与内置式全向天线10连接的收发模式开关切换电路18，切换电路输出与信号收发模块13的输入端RXIN连接，切换电路输入端通过功率放大器与收发模块13的输出端TXOUT连接，信号收发模块13的输出端RXOUT依次通过信号比较电路14、触发电路15、编码信号发生电路16、信号串行输出处理电路17与收发模块l3的输入端DATSIN连接。
信号比较电路14由串入并出移位处理电路54、比较电路55和系统标识码产生电路56组成，处理电路54的寄存器组的1D端接收发模块13的RXOUT端，寄存器组的输出端1D按位接比较电路55的相应的级联式数码比较器的对应的输入端口P0、P1、P2、P3脚，比较器的输入端Q0、Q1、Q2、Q3脚分别接电路56的各编码器的输出，编码器输入接设置钮组和触发脉冲，比较器的输出端接触发电路15的交叉耦合的两个或非门或两个与非门的输入端RD，门电路的输出接编码信号发生电路16的编码器的输入端，编码器的输出接信号串行输出处理电路17的CT74LS199芯片的输入，芯片的输出接信号收发模块13的DATAIN脚，芯片的SH、CD脚接门电路G2，QA，Q7-Q。脚接门电路G1，G1，G2的输出端连接发出并串完成标志信号。
节点收发装置2有电源电路27和与天线25连接的收发模式开关切换电路31，切换电路31RXOUT端与信号收发模块30的RXIN端连接，切换电路31TXIN端经一功率放大器与收发模块30的TXOUT端连接，收发模块30的RXOUT端与应答信号转发模块32的RXIN端连接，转发模块32的RXOUT端通过传输系统3与系统主机4连接，节点询问信号生成电路28的输出与串行输出处理电路29连接，电路29的输出与收发模块30的DATAIN端连接。
收发模块30为集成块LMX3162，信号转发模块13为集成块89C51，收发模式开关切换电路31为集成块2436400。
节点询问信号生成电路28有若干并联的8421BCD编码器，其输入端接设置钮组和触发脉冲，其输出端接串行输出处理电路29和CT74LS199芯片的D0-D7端，芯片的QA，Q7-Q。脚接门电路G7，SH，CD脚接门电路G2，G2的一端输入负脉冲启动信号，G1和G2的输出端输出并一串转换完成标志信号S，CT74LS199芯片输出串行数据到收发模块30的DATAIN端。
主机4包括微波接收主机37、网络交换机38和中央处理主机39，其中的中央处理主机39的壳体40内有处理主板41，主板41上有中央处理器50与存储器51、52、网卡47、显卡48，外接键盘/鼠标数据接口电路49连接，网卡47通过接口43与网络交换机38连接，网络交换机38与微波接收主机37或/和转发模块32连接。
本发明方法包括如下步骤(1)电子身份牌装置预设系统标识码，统一发放给井下作业人员或补发给临时下井作业人员，要求井下作业人员下井时随身携带，该电子身份牌编号在电子身份牌发放时录入到主机系统的人员登记表，系统主机将该人员所配电子身份牌的编码、进入时间和节点号登记到在线检测人员登记表，使携牌人员进入被检测人员队列，(2)沿坑道沿线按一定的间距设置节点收发装置，节点收发装置的询问信号生成电路在时钟信号作用下，其数字编码信号发生电路产生一组编码信号，该信号采用系统标识码，在串行输出处理电路的控制下依次输出到信号收发模块完成信号调制，形成可供发射的节点询问信号，通过天线发射到设定的由微波信号覆盖形成的节点询问信号触发区，(3)电子身份牌在未接收到询问信号前处于待接收工作状态，当人员进入节点询问触发区，电子身份牌接收到节点收发装置发出的系统标识码后，首先通过信号收发模块解调处理，再经编码比较电路判断该询问信号的有效性，如与电子身份牌的系统标识码相符，则比较电路输出高电平，触发电路的SD端接收此电平信号后导致触发器的输出端Q产生一个触发信号，触发其编码生成电路工作一次，编码生成电路将生成一串具有唯一性的定长编码表示人员到达该节点，编码字符串在串行输出电路控制下，按顺序逐字符传入信号收发模块完成信号调制处理，并送发射天线向外发射，由此完成人员向当前监测节点收发装置的应答登记工作，一旦完成信号发射，收发模式开关电路状态翻转使电子身份牌处于询问信号接收工作状态，(4)节点收发装置接收到人员携带的电子身份牌应答信号后，经信号收发模块将电子身份牌应答信号解调处理后的编码数据与本节点编号一起合成为转发数据向监测中心主机系统传送，(5)主机系统安装于监测中心，通过网络线缆与井下各节点收发装置连接，节点信号经过网络传输线路和网络交换机传入主机，(6)监测中心主机系统从网络交换机不断采集到各井下作业人员所携的电子身份牌行经各个节点时的应答登记信息，了解何人到达何节点，经处理后存入内存装置和硬盘存储装置；读取主机系统硬盘存储的监测节点描述信息表中的地理位置描述信息，得到各监测对象的当前位置，(7)当井下作业人员返回地面经出口节点时，工作人员从系统主机人员登记表中调出该人员的登记数据，并将该人员从主机的在线监测人员登记表中予以删除。
在线监测人员登记表包括电子身份牌号，人员姓名，到达节点时间，人员登记信息表包括人员姓名，电子身份牌号，节点描述信息表包括节点编号，节点地理位置描述字段。
本发明的方法及装置的定位跟踪作业不受坑道光线和地理条件影响，系统结构简单，系统建设成本低。


图1为本发明系统框图。
图2为电子身份牌装置结构图。
图3为节点收发装置结构图。
图4为主机结构图。
图5为收发模式开关切换电路原理图。
图6为收发模块电路原理图。
图7为节点询问信号比较电路原理图。
图8为一位数字比较器逻辑图。
图9为触发电路原理图。
图10为编码信号发生电路原理图。
图11为编码信号发生电路组示意图。
图12为信号串行输出处理电路原理图。
图13为信号收发模块图。
图14为电子身份牌装置电路原理图。
图15为节点收发装置电路原理图。
图16为在线监测人员登记处理流程图。
图17为在线监测人员数据采集流程图。
图18为井下作业人员定位处理流程图。
图19为系统数据结构说明表。
图20为电子身份牌编号生成例的2进制说明表。
图21为编码生成电路依次输出数字信号波形说明表
具体实施例方式本发明的系统采用一种特制的电子身份牌装置1、一种节点收发装置2、相应的传输系统3和主机系统4构成完整的处理系统。其中节点收发装置2向电子身份牌装置1发射节点询问(微波)信号5，电子身份牌装置1在接收到节点询问信号后向节点收发装置2发射电子身份牌编号(微波)信号6作为应答信号。
本发明的系统结构参见附图1。其中1＝电子身份牌装置。是本专利系统与被监测人员使用的前端信号发生器。在人员经过监测节点时受节点询问信号触发向系统发出应答信号，系统以此判定人员的当前位置。
2＝节点收发装置。用于产生系统询问信号以触发进入监测节点的电子身份牌完成一次应答，并接收电子身份牌应答时发射出的电子身份牌编号信息。
3＝信号传输网络。可用于将节点所接收到的电子身份牌应答信息传输到监测中心主机系统。
4＝主机系统。完成网络信号接收转换存储，人员定位跟踪和管理。
5＝节点询问信号。由节点收发装置发出的经调制成微波信号后发射的系统标识代码，用以触发进入信号区内人员中的电子身份牌使其产生应答信号。
6＝电子身份牌编码信号。在人员经过监测节点时受节点询问信号触发后向系统发出的应答信号，该信号为电子身份牌自身的唯一编号。
电子身份牌装置1有一个防震防尘的壳体7，壳体上有一个指示电源状态的小灯8和一个指示信号发射状态的小灯9；壳体中有一个电池11和相应的电源线路12为整个电子身份牌提供所需的工作电源；一个内置式全向天线10，该天线的发射和接收功率被设定在50米半径以内，工作于2.4G频点，该天线与收发模式开关切换电路18的ANT I/O口相连，受收发模式开关切换电路18控制按半双工工作并交叉工作于节点询问信号5的接收状态或电子身份牌编码信号6的发射状态；收发模式开关切换电路[18]的RXOUT线与信号收发模块13的RXIN引脚相连用于将接收到的节点询问信号5传入电子身份牌、TXIN线经一功率放大器与信号收发模块13的TXOUT引脚相连用于将电子身份牌编号信号6向外发射，由此组成工作模式转换部件；一节点询问信号比较电路14、触发电路15组成的触发部件；一组受触发部件触发后进入工作状态的数字式编码信号发生电路16和一个由信号串行输出处理电路17组成的信号生成部件，该生成部件提供本电子身份牌的编号信号送入收发模块13的DATAIN引脚并经收发模块13处理后向天线发送电子身份牌编号信号6。
电子身份牌装置1结构参见附图2。其中5＝节点询问信号。
6＝电子身份牌编号信号。
7＝电子身份牌外壳。
8＝电源状态指示灯。与电源相接，指示电源供电正常与否。
9＝发射状态指示灯。与收发模块13的RSSI引脚相接，指示信号接收和发射工作状态。
10＝天线。完成信号全方向的发射。
11＝电池。
12＝电源线路。用于将市电或电池供电转换为装置所有电路部件所需的稳定电源。本专利采用普通的电源线路。
13＝无线收发模块。完成射频信号的接收和发射处理。其中TXOUT引脚经功率放大器与收发模式开关切换电路18的TXIN引脚相连、RXIN引脚与收发模式开关切换电路18的RXOUT引脚相连完成信号从天线接收和信号发送到天线的工作，RSSI引脚与发射状态指示灯[9]接以提供信号状态显示电平，GND引脚接地，VDD引脚接电源输入，RXOUT引脚作为接收信号的输出与节点询问信号比较电路14连接以输出从天线接收并经混频、中频放大等信号解调处理后的基带信号，DATAIN引脚作为电子身份牌编码信号的输入与信号串行输出处理电路17连接接收电子身份牌编码信号。收发模块的电路原理图参见附图6。
14＝节点询问信号比较电路。完成询问信号编码与电子身份牌设定的系统标识码之间的比较。电路原理参见附图7。电路由串入并出移位寄存器组、比较电路组和系统标识码产生电路组三部分构成。其中串入并出移位寄存器组在移位指令(CP脉冲)作用下，将询问信号收发模块13RXOUT引脚输出的数字编码的基带信号(串行信号)逐位移动分别存入各单个寄存器，通过各寄存器的输出端口，这些信号按位送入相应的级联式数码比较器对应的输入端口的P0P1P2P3脚；同时，系统标识码产生电路组在触发脉冲信号的作用下按照S0S1S2S3所设定的值并行产生系统标识码的2进制码，并按位输出，该编码器组的各编码器输出Y0Y1Y2Y3分别接入级联式数码比较器对应的输入端口的Q0Q1Q2Q3脚；比较电路组中每个独立的比较器采用4位比较器，承担一个字符(4位2进制码)的比较，相符则P＝Q输出端将产生一个高电平(“1”)，否则产生低电平(“0”)，由于是级联，当任何一位比较器输出低电平(不相符)时，整个比较器级联组的最终输出将为低电平(“0”)。当比较结果完全相符，比较器级联组的最终输出(高电平)将形成一个与之相连的触发器电路15的RD端输入信号。
15＝触发电路。用于产生一个触发信号。电路是由两个或非门或两个与非门交叉耦合构成。触发器电路原理参见附图9。图中，RDSD为触发器的两个输入端，其中RD为直接置0端，SD为直接置1端QQ是两个互补输出端，当Q＝1时Q＝0；Q＝1时触发器处于1状态，Q＝0时触发器处于0状态。触发器的RD直接与前述系统标识码比较电路16的输出端相接。当系统标识码比较电路不工作或比较结果“不相符”时(该电路输出低电平)，触发器保持常态，不产生触发信号；当系统标识码比较电路输出高电平时，RD高电平导致触发器发出触发脉冲，该脉冲将触发编码信号发生电路组16产生一组电子身份牌编码信号。
16＝编码信号发生电路组。完成电子身份牌或节点转发器系统识别码的生成。电路原理参见附图10。原理图中采用8421BCD码编码原理，将’0’～’9’数字信号转换为对应的2进制代码信号，由Y3Y2Y1Y0表示。电路的输出将作为下一级的信号串行输出处理电路17的D端输入。所采用的编码逻辑可表达为下列表达式Y3=D‾8·D‾9‾=D8+D9]]>Y2=D‾4·D‾5·D‾6·D‾7‾=D4+D5+D6+D7]]>Y1=D‾2·D‾3·D‾6·D‾7‾=D2+D3+D6+D7]]>Y0=D‾1·D‾3·D‾5·D‾7·D‾9‾=D1+D3+D5+D7+D9]]>17＝信号串行输出处理电路。用于将并行输入的数字编码序列信号变为串行输出信号。信号串行输出处理电路原理参见附图12。其中的CT74LS199芯片在门电路G1和G2控制作用下，将D7D6D5D4D3D2D1D0转换为串行输出信号，送入信号收发模块13的DATA IN引脚并经其信号调制放大处理后作为本电子身份牌的应答信号向节点转发装置发送。
18＝收发模式开关切换电路。控制电子身份牌装置信号接收和信号发射两种工作模式的转换。电路原理参见附图5。电路采用《2436400-》开关芯片。其中芯片ANTI/O引脚与天线连接；TX/RX引脚做为收/发模式切换开关，当该脚输入高电平时，芯片处于发送模式，电子身份牌发射电路的射频信号从TXIN引脚引入并发送至天线；当TX/RX引脚输入低电平时，芯片为接收模式，天线接收的射频信号从RXOUT引出到接收电路。VDD为芯片电源输入。
节点收发装置2有一个坚固壳体21，壳体上连接有一个可同时接收和发射信号的定向天线25，该天线25在工作时，投射在路面上的信号覆盖区形成一个设定大小呈椭圆形状的节点触发询问区；壳体21背板有一个有线传输接口插槽22和一个无线传输接口插槽23，以及一个外接电源插口24；壳体内有一组电源线路27为装置提供稳定的电源；以及一个完成询问信号5发射处理和一个电子身份牌编号信号6接收处理的信号收发模块30和收发模式开关切换电路31完成发射信号的调制和接收信号的解调处理，其中信号收发模块30的TXOUT线经一功率放大器与收发模式开关切换电路31的TXIN引脚相连用于将节点询问信号5向外发射，RXIN引脚与收发模式开关切换电路31的RXOUT引脚相连用于将接收电子身份牌应答信号6，由此组成信号收发部件；一组数字式编码信号发生电路28和信号串行输出处理电路29组成的节点询问信号发生部件完成询问信号的发生并输出到信号收发模块30的DATAIN引脚；以及一个与信号收发模块30RXOUT引脚相连的电子身份牌编号信号转发处理模块32完成接收电子身份牌编码信号并与该节点编号信号进行组合后将信号输出到有线传输接口22或无线传输接口23插槽以供外传。
节点收发装置2结构参见附图3其中5＝节点询问信号6＝电子身份牌编号信号21＝节点收发装置外壳22＝有线传输输出接口23＝无线传输输出接口24＝外接电源接口。为标准电源接口。
25＝天线26＝电池。为普通电池。容量大小取决于系统微波发射功率要求。
27＝电源线路。为标准电源线路。
28＝节点询问信号生成电路组。电路原理参见附图11。
29＝节点询问信号信号串行输出处理电路。电路原理参见附图12。
30＝无线收发模块。完成射频信号的接收和发射处理。其中TXOUT引脚经功率放大器与收发模式开关切换电路31的TXIN引脚相连、RXIN引脚与收发模式开关切换电路31的RXOUT引脚相连完成信号从天线接收和信号发送到天线的工作，GND引脚接地，VDD引脚接电源输入，RXOUT引脚作为接收信号的输出与应答信号转发模块32RXIN引脚连接以输出从天线接收并经混频、中频放大等信号解调处理后的基带信号，DATAIN引脚作为节点询问信号的输入与信号串行输出处理电路[29]连接接收节点询问信号。收发模块的电路原理图参见附图6。
31＝应答信号转发模块。采用可编程单片机芯片89C51。完成电子身份牌应答信号的接入并与该节点编号信号进行组合后将信号通过RXOUT引脚输出到有线传输接口[22]和无线传输接口23插槽以供外传的工作。电路原理参见附图13。
主机系统4包括一套网络交换机38和一台中央处理主机39。网络交换机38可采用普通的交换机产品，如美国CISCO公司的WS-C3750G-24T-E，最后接入中央处理主机39。传输线路直接接入网络交换机38。中央处理主机39采用普通的PC计算机结构，有一个坚固壳体40，壳体上有一个用于连接网络交换机的接口43，一个外接电源接口42、一个外接显示装置的接口46、一个外接键盘接口44、一个鼠标接口45，壳体内包括一块计算机主板41、主板41上插有一块用于连接交换机的网卡47用于采集并转换网络传输数据、一块显卡48用于主机信息输出到外接显示器、一个键盘接口处理部件和鼠标接口处理部件49、一个中央处理器(CPU)50用于系统管理和运行程序、一组用于存放处理信息的可读写存储部件(RAM)51用于存放前端采集进入的监测数据和软件运行使用的临时数据、一个与主板41连接的用于长期存放数据的硬盘部件(HD)52保存所有采集数据和经专用软件加工处理的结果数据、硬盘部件(HD)52中安装有一个定位分析专用软件53，完成进入监测网人员信息登记、数据采集、人员定位等功能。
主机系统结构参见附图4。其中38＝网络交换机39＝中央处理主机40＝主机外壳41＝主板。为普通计算机主板。
42＝外接电源接口。为普通计算机电源接口。
43＝网络接口。为普通计算机网卡接口。
44＝外接键盘接口。为普通计算机键盘接口45＝外接鼠标接口。为普通计算机鼠标接口。
46＝外接显示设备接口。为普通计算机显卡接口。
47＝网卡。为普通计算机网卡。
48＝显卡。为普通计算机显卡。
49＝外接键盘/鼠标数据接口电路。为普通计算机键盘/鼠标接口电路。
50＝中央处理器CPU。为普通计算机CPU，如美国INTEL公司的奔腾4芯片。
51＝随机访问存储器RAM。为普通计算机内存条。
52＝硬盘存储器HD。为普通计算机硬盘。
53＝专用处理软件本发明的方法流程如下1、电子身份牌装置统一发放给井下作业人员或补发给临时下井作业人员，要求井下作业人员下井时随身携带，该电子身份牌编号在电子身份牌发放时录入到本主机系统的人员登记表。当人员进入检测区途径监测节点时，系统主机将该人员所配电子身份牌的编码、进入时间和节点号登记到在线检测人员信息表，以进入被检测人员队列，当井下作业人员返回地面经过边界节点时，系统主机中调出该人员的登记数据，将该人员从在线监测人员登记表中予以删除。
2、本发明系统的所有节点收发装置根据监测需要沿坑道所有人流方向按一定的间距布局并固定安装在各监测节点以形成监测网。节点收发装置的询问信号发射处理部件在时钟信号作用下使数字编码信号发生电路不断产生一组编码信号，该信号可采用系统标识码并在系统安装前设定，信号在串行输出处理电路的控制下依次输出到信号收发模块完成信号调制，以形成可供发射的节点询问信号，该询问信号通过天线发射到设定的信号区，该信号区由微波信号的覆盖形成一个呈椭圆形状的节点询问触发区。
3、电子身份牌装置在未接收到询问信号前处于待接收工作状态。当人员进入节点询问区，电子身份牌装置接收到节点询问信号后，将首先通过信号收发模块解调处理，再经编码比较电路判断该询问信号的有效性，如与本系统设定码相符，则比较电路输出高电平，触发电路的SD端接收此电平信号后导致触发器的输出端Q产生一个触发信号，触发其编码生成电路工作一次，编码生成电路将生成一串具有唯一性的定长编码字符，编码字符串在串行输出电路控制下，按由高位字节到低位字节的顺序逐字符传入信号收发模块完成信号调制处理，并送发射天线向外发射，由此完成人员向当前监测节点的应答登记工作。一旦完成信号发射，收发模式开关电路状态翻转使电子身份牌处于询问信号接收工作状态。
4、节点收发装置接收到电子身份牌的应答信号后，经信号收发模块将电子身份牌应答信号解调处理后的编码数据与本节点编号一起合成为转发数据主机系统传送。
5、主机系统安装于监控中心。节点信号经过网络传输线路和网络交换机传入主机系统。
6、监测中心主机系统从网络交换机不断采集到各人员行经各个节点时的应答登记信息，经处理后存入内存装置和硬盘存储装置；经计算、分析模块处理，得到各监测人员的当前位置。
系统的专用软件处理是系统的后台处理中心，安装并运行检测中心主机系统中。专用软件主要有人员进入/退出监测区时电子身份牌信息登记、人员经过各监测节点时向系统发出应答信息的数据自动采集处理模块、对人员当前位置分析处理模块等。为更好理解本专利系统的工作细节，将各模块的处理逻辑说明如下。
其中的在线监测信息登记模块包括在人员进入监测区时登记处理和人员退出监测区时撤销监测状态登记处理两部分。当人员进入监测区入口监测节点时，登记处理逻辑为系统主机将该人员所配电子身份牌的编码、时间和节点号登记到在线检测人员信息表。人员退出监测区时的处理逻辑为当井下作业人员返回地面经过出口节点时，系统主机中调出该人员的登记数据，将该人员本次进入监测区后所产生的检测数据全部转入历史数据文件，然后将该人员相关监测信息从在线监测人员信息表中予以删除。本专利的主机系统在线检测信息登记模块处理逻辑参见附图16。
其中的数据采集模块的处理逻辑为在接收到从网络传输来自某个非出/入口节点收发装置的一条电子身份牌编号数据时，则取得主机系统当前时间，与电子身份牌应答信号、和节点编号一起记录到在线检测信息登记表文件中。本专利的主机系统的数据采集处理逻辑参见附图17。
其中的人员定位分析处理模块的处理逻辑为当用户需要查询人员的当前位置时，系统从在线监测人员登记表中检索到该人员的最新记录，结合人员所在节点的描述信息一起显示出来。本发明的主机系统人员定位分析处理逻辑参见附图18。
其中的主机系统专用软件的数据结构参见附图19。
系统信号的流动及状态转换说明如下系统在节点收发装置产生的询问信号和电子身份牌装置中产生的应答信号的状态转换均具有下列特点的规律数字编码信号→基带信号→频带信号→射频信号…(天线)…射频信号→频带信号→基带信号→数字编码信号系统询问信号由节点收发装置产生，经天线发射，由电子身份牌接收。状态转换过程为●由节点收发装置内部设定的编码开关组的状态值决定系统标识码，经其编码生成电路处理输出为一组(4个字符)并行输出的8进制基带信号；如数字‘9’被转换为2进制‘1001’的信号；●该信号在时序电路控制下，由并行输入变换为串行输出的基带信号；●串行输出的基带信号经节点信号收发模块调制处理，输出为射频信号并被送入天线向外发射；●电子身份牌装置经天线接收到以上描述的射频信号(系统询问信号)，经信号收发模块解调处理为基带信号；●基带信号经电子身份牌装置比较电路的比较运算，以判断询问信号的有效性并在有效时形成一个高电平脉冲波，该脉冲波将作用于触发电路的输入端并使触发电路发出一个触发信号。至此，系统询问信号状态转换周期结束。
电子身份牌应答信号由电子身份牌装置产生，经天线发射，由节点收发装置接收。状态转换过程与节点收发装置产生的系统询问信号相似，只是方向相反。
简单描述如下●由电子身份牌装置内部设定的编码开关组的状态开关值决定本电子身份牌的编码值，经其编码生成电路处理输出为一组(8个字符)并行输出的2进制基带信号；●该信号在电子身份牌装置时序电路控制下，由并行输入变为串行输出的基带信号；●串行输出的基带信号经信号收发模块调制处理，输出为射频信号并被送入天线向外发射；●节点收发装置经其天线接收到以上描述的电子身份牌射频信号(电子身份牌应答信号)，经节点信号收发模块解调处理为基带信号；●基带信号经节点转发部件向网络传输。至此，电子身份牌应答信号状态转换周期结束。
节点收发装置向网络各主机系统转发的信号简单描述如下●节点收发装置的转发部件将接收到的电子身份牌应答信号与本节点编号一起合成为转发数据发送到网络输出接口，经网络传输线路传输到网络交换机接收端口；●本发明主机从交换机接收端口取得信号，或放入内存或存入硬盘。
为进一步说明本发明，特举实例如下。但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。
本实施例中电子身份牌装置1采用National公司的LMX3162集成芯片，该电子身份牌装置1工作频率为2.4GHz。基本电路结构参见附图12。电路工作原理为节点询问信号5通过LMX3162信号收发器模块的RXIN引脚进入，经解调处理后通过RXOUT引脚输出到编码比较电路，在移位脉冲作用下，信号波形被逐个送入移位寄存器组的各寄存器内，该寄存器中的数据与事先设定的系统标识编码电路输出的编码数据在CT7485比较器级联组合中按每4位一组进行分组并逐位比较，当所有数据均相符，比较电路最后一级的P＝Q端将输出‘1’电平，该电平将作为触发器RD输入导致触发器输出端Q输出一个触发脉冲，该脉冲将触发设定码编码电路的编码生成作业，同时该脉冲将送到信号开关电路的RX/TX引脚，以驱动该电路从“接收状态”翻转到“发射状态”。由此完成节点询问信号的接收、转换和比较处理；在触发脉冲作用下，一组代表本电子身份牌编号的编码信号在由8个8421编码器组成的设定码生成电路中产生，该设定码按每两字符一组共分4组，与级联的CT744LS199并-串转换器组合的并行数据输入端D分别连接，每组编码信号将输入到一个对应的CT744LS199并-串转换器的引脚D0D1D2D3D4D5D6D7，完成并行数据的串行输出变换处理，并从其Q0引脚逐一将数据送入信号收发器的DATAIN引脚，当本组数据处理完毕，并-串处理电路的门电路G1将输出一个负脉冲触发下一个CT744LS199并-串转换器工作，直至所有数据转换完毕。当最后一级CT744LS199并-串转换器工作完毕，其门电路G1将输出一个负脉冲到信号开关电路的RX/TX引脚，以作为‘发送结束’的标志信号。
从电子身份牌装置LMX3612芯片DATAIN引脚串行输入的数据，经电子身份牌装置的信号调制处理，从TXOUT引脚输出，经开关电路到天线发射出去。
本实施例中节点收发装置2采用National公司的LXM3162集成芯片，该节点收发装置2工作频率为2.4GHz；信号转发模块采用89C51单片机。基本电路结构参见附图13。电路工作原理为在装置内时钟脉冲作用下，一组系统标识码信号在由4个8421编码器组成的设定码生成电路中产生，该设定码按每两字符一组共分2组，与级联的CT744LS199并-串转换器组合的并行数据输入端D分别连接，每组编码信号将输入到一个对应的CT744LS199并-串转换器的引脚D0D1D2D3D4D5D6D7，完成并行数据的串行输出变换处理，并从其Q0引脚逐一将数据送入信号收发器的DATAIN引脚，当本组数据处理完毕，并-串处理电路的门电路G1将输出一个负脉冲触发下一个CT744LS199并-串转换器工作，直至两组代表系统标识码的数据转换完毕。当第二级CT744LS199并-串转换器工作完毕，其门电路G1将输出一个负脉冲到信号开关电路的RX/TX引脚，以作为‘发送结束’的标志信号。
从节点收发装置LMX3612芯片DATAIN引脚串行输入的数据，经节点收发装置的信号调制处理，从TXOUT引脚输出，经开关电路到天线发射出去。
电子身份牌应答信号6通过LMX3162信号收发器模块的RXIN引脚进入，经解调处理后通过RXOUT引脚输出到89C51单片机芯片，该芯片在完成信号解调处理后，自动将预先写入CMOS中的本节点编号数据与接收到的电子身份牌编号数据组合一起，从RXOUT引脚输出到输出接口。数据经输出接口将传输到网络。
系统编码体系设计例。
本发明的系统编码体系包括系统标识码、电子身份牌编号、节点编码和主机系统编码。作为本发明的一个实施例，本发明系统的编码体系可采用以下规则1、预设系统标识码＝’6789’。
2、电子身份牌编号互不相同，采用8个字符长，其内部产生并发射的编码采用与电子身份牌印刷编码相同的编码。如“98765432”等。该码录入到主机系统的人员登记表。
3、节点编码用以区别不同的监测节点，采用4位编码，如‘1006’、‘1032’等。系统安装时预设于节点收发装置并登录入主机系统的监测节点描述信息表。
在本实例的编码体系下，各节点收发装置所产生的节点询问信号为’6789’，该标识码将被节点收发装置的信号收发模块调制处理后经天线发射出去。
在本实例的编码体系下，一个编码为’98765432’的电子身份牌在节点应答时发射出的应答编码为‘98765432’。假定人员经过的节点编码为‘1033’，该节点收发装置接收到该编码后，合成本节点监测数据一串本节点编码+本电子身份牌编号信息‘103398765432’，该数据将向网络系统发出并传输到监测中心主机系统。同理，该人员到达‘1034’节点后，该节点所发出的数据为‘103498765432’。
权利要求
1.井下作业人员定位跟踪系统，其特征在于电子身份牌(1)由井下作业人员随身携带，由天线(10)、与其连接的接收询问信号(5)和发射编码信号(6)的装置构成，节点收发装置(2)位于坑道沿线上，由天线(25)、接收编码信号(6)的装置和发射询问信号(5)的装置构成，接收编码信号(6)的装置通过传输系统(3)将编码信号(6)输送到位于监测中心的系统主机(4)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于电子身份牌(1)的壳体内有电源电路(11)和与内置式全向天线(10)连接的收发模式开关切换电路(18)，切换电路输出与信号收发模块(13)的输入端(RXIN)连接，切换电路输入端通过功率放大器与收发模块(13)的输出端(TXOUT)连接，信号收发模块(13)的输出端RXOUT)依次通过信号比较电路(14)、触发电路(15)、编码信号发生电路(16)、信号串行输出处理电路(17)与收发模块(13)的输入端(DATAIN)连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于信号比较电路(14)由串入并出移位处理电路(54)、比较电路(55)和系统标识码产生电路(56)组成，处理电路(54)的寄存器组的1D端接收发模块(13)的RXOUT端，寄存器组的输出端(1D)按位接比较电路(55)的相应的级联式数码比较器的对应的输入端口(P0、P1、P2、P3)脚，比较器的输入端(Q0、Q1、Q2、Q3)脚分别接电路(56)的各编码器的输出，编码器输入接设置钮组和触发脉冲，比较器的输出端接触发电路(15)的交叉耦合的两个或非门或两个与非门的输入端RD，门电路的输出接编码信号发生电路(16)的编码器的输入端，编码器的输出接信号串行输出处理电路(17)的CT74LS199芯片的输入，芯片的输出接信号收发模块(13)的DATAIN脚，芯片的SH、CD脚接门电路(G2)，QA，Q7-Q。脚接门电路(G1)，G1，G2的输出端连接发出并串完成标志信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于节点收发装置(2)有电源电路(27)和与天线(25)连接的收发模式开关切换电路(31)，切换电路(31)RXOUT端与信号收发模块(30)的RXIN端连接，切换电路(31)TXIN端经一功率放大器与收发模块(30)的TXOUT端连接，收发模块(30)的RXOUT端与应答信号转发模块(32)的RXIN端连接，转发模块(32)的RXOUT端通过传输系统(3)与系统主机(4)连接，节点询问信号生成电路(28)的输出与串行输出处理电路(29)连接，电路(29)的输出与收发模块(30)的DATAIN端连接。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于收发模块(30)为集成块LMX3162，信号转发模块(13)为集成块89C51，收发模式开关切换电路(31)为集成块2436400。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于节点询问信号生成电路(28)有若干并联的8421BCD编码器，其输入端接设置钮组和触发脉冲，其输出端接串行输出处理电路(29)和CT74LS199芯片的D0-D7端，芯片的QA，Q7-Q。脚接门电路(G7)，SH，CD脚接门电路(G2)，(G2)的一端输入负脉冲启动信号，G1和G2的输出端输出并一串转换完成标志信号S，CT74LS199芯片输出串行数据到收发模块(30)的DATAIN端。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于主机(4)包括微波接收主机(37)、网络交换机(38)和中央处理主机(39)，其中的中央处理主机(39)的壳体(40)内有处理主板(41)，主板(41)上有中央处理器(50)与存储器(51)、(52)、网卡(47)、显卡(48)，外接键盘/鼠标数据接口电路(49)连接，网卡(47)通过接口(43)与网络交换机(38)连接，网络交换机(38)与微波接收主机(37)或/和转发模块(32)连接。
8.井下作业人员定位跟踪的方法，包括如下步骤(1)电子身份牌装置预设系统标识码，统一发放给井下作业人员或补发给临时下井作业人员，要求井下作业人员下井时随身携带，该电子身份牌编号在电子身份牌发放时录入到主机系统的人员登记表，系统主机将该人员所配电子身份牌的编码、进入时间和节点号登记到在线检测人员登记表，使携牌人员进入被检测人员队列，(2)沿坑道沿线按一定的间距设置节点收发装置，节点收发装置的询问信号生成电路在时钟信号作用下，其数字编码信号发生电路产生一组编码信号，该信号采用系统标识码，在串行输出处理电路的控制下依次输出到信号收发模块完成信号调制，形成可供发射的节点询问信号，通过天线发射到设定的由微波信号覆盖形成的节点询问信号触发区，(3)电子身份牌在未接收到询问信号前处于待接收工作状态，当人员进入节点询问触发区，电子身份牌接收到节点收发装置发出的系统标识码后，首先通过信号收发模块解调处理，再经编码比较电路判断该询问信号的有效性，如与电子身份牌的系统标识码相符，则比较电路输出高电平，触发电路的SD端接收此电平信号后导致触发器的输出端Q产生一个触发信号，触发其编码生成电路工作一次，编码生成电路将生成一串具有唯一性的定长编码表示人员到达该节点，编码字符串在串行输出电路控制下，按顺序逐字符传入信号收发模块完成信号调制处理，并送发射天线向外发射，由此完成人员向当前监测节点收发装置的应答登记工作，一旦完成信号发射，收发模式开关电路状态翻转使电子身份牌处于询问信号接收工作状态，(4)节点收发装置接收到人员携带的电子身份牌应答信号后，经信号收发模块将电子身份牌应答信号解调处理后的编码数据与本节点编号一起合成为转发数据向监测中心主机系统传送，(5)主机系统安装于监测中心，通过网络线缆与井下各节点收发装置连接，节点信号经过网络传输线路和网络交换机传入主机，(6)监测中心主机系统从网络交换机不断采集到各井下作业人员所携的电子身份牌行经各个节点时的应答登记信息，了解何人到达何节点，经处理后存入内存装置和硬盘存储装置；读取主机系统硬盘存储的监测节点描述信息表中的地理位置描述信息，得到各监测对象的当前位置，(7)当井下作业人员返回地面经出口节点时，工作人员从系统主机人员登记表中调出该人员的登记数据，并将该人员从主机的在线监测人员登记表中予以删除。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于在线监测人员登记表包括电子身份牌号，人员姓名，到达节点时间，人员登记信息表包括人员姓名，电子身份牌号，节点描述信息表包括节点编号，节点地理位置描述字段。
全文摘要
本发明为井下作业人员定位跟踪系统及其方法，电子身份牌(1)由井下作业人员随身携带，由天线(10)与其连接的接收询问信号(5)和发射编码信号(6)的装置构成，节点收发装置(2)位于坑道沿线上，由天线(25)、接收编码信号装置和发射询问信号装置构成，接收编码信号装置通过传输系统(3)将编码信号(6)输送到位于监测中心的系统主机(4)。
文档编号G01S1/00GK1570663SQ20041002236
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月23日 优先权日2004年4月23日
发明者刘学明, 甘国工 申请人:刘学明, 甘国工