CN102183930B - 一种化工场景下人员定位监测系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化工场景下人员定位监测系统及定位方法。现有的定位设备成本高、定位精度低。本发明包括RS-485总线、无线传感器网络、数据转换装置和分布在各车间的分站网关。RS-485总线网络中的数据按照RS-485总线通讯协议进行通讯；无线传感器网络中的数据按照串行通讯协议通过RS-232串口进行通讯；RS-485总线网络与无线传感器通过数据转换装置和各车间分站网关连接，用于将指令和参数传输给无线传感器网络。本发明能够精确获得工作人员在车间中的位置，并提供实时动态定位数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种化工场景下人员定位监测系统，尤其是涉及一种使用无线传感器网络技术实现人员定位监测功能，该系统的另一个特点是将人员定位监测功能合并在一套总线网络中，从而实现化工场景下人员监测和营救。
背景技术
在移动通信技术的迅猛发展和信息技术的普及下，衍生出此类技术的各种应用服务。其中基于定位服务(LBS)的应用集成了信息技术，无线技术，Internet技术等，正处于快速发展中。LBS(Location-Based Service)的主要概念是通过整合各项信息提供个人的位置信息，用户能够通过接收该位置信息，即能判断其所在地点的具体位置。
化工冶炼设备一般被安放在工作车间内，由有关工作人员轮岗，对其工作的各项参数进行实时监控，以提高整个冶炼过程中的安全性能。但一些难以预料的例如有毒气体泄漏，区域燃烧爆炸等突发事件常常威胁着现场工作人员的生命安全。除了从化工设备、化学反映本身的特点着手，从根源上降低这些事故的发生概率之外，紧急高效援救机制的建立，能够在事故发生之后，迅速做出反应。据调查，目前运用较为成熟的人员定位系统为GPS其定位精度在10米左右，只适用于室外的场景，这个事实对室内人员定位的研究提出了更急迫的要求。
化工场景下的人员无线定位系统能够帮助救援人员准确判断受困人员的具体位置信息，结合厂房、车间的设备分布图，能够快速找出一条最近解救路线，避免我们的救援人员进入事故现场后，因寻找受困人员而浪费宝贵的时间。目前通用的室内定位技术包括RFID，Bluetooth，ZigBee和Wi-Fi AP等。Bluetooth技术适用于小范围的定位服务，而且节点能耗较大。ZigBee是一种基于无线传感器网络的用于中距离定位的技术，而Wi-Fi AP则可提供大范围的定位服务。根据其不同的特点，其适用条件各有不同。目前为止，还没有单一种技术能够适合各类应用场景。使用Wi-Fi技术实现化工场景下的室内定位，则需要复杂的软硬件来支持，各种设备的成本也比较高，定位精度仍然是一个很大的问题。RFID技术在小范围内可进行短距离固定点的定位，其主要特点是设备成本比较低，区域限制比较严重，只能在阅读器可识别范围内工作，此外RFID技术只能实现知道在监控阅读器附近，并不能解决人员确切定位的问题，而这也正是目前化工厂主要使用，且面临的一大问题。比较各种室内定位技术，分析其在解决化工场景下实现人员定位的问题，使用无线传感器网络技术比较合适。
发明内容
本发明的目的是要提供基于无线传感器网络技术的面向化工场景下人员安全生产的监控系统，其中的便携式移动节点具备化工场景下人员实时定位等功能，监控人员通过上位机监控软件可实时获取现场人员的位置信息。本发明提供一种化工场景下人员定位监测系统及方法。
为实现上述目的，本发明的第一方面，提供一种化工场景下人员定位监测的系统包括：
RS-485总线网络中的数据按照RS-485总线通讯协议进行通讯；
无线传感器网络中的数据按照串行通讯协议通过RS-232串口进行通讯；
RS-485总线网络与无线传感器通过数据转换装置和各车间分站网关连接，用于将指令和参数传输给无线传感器网络。
所述数据转换装置包括：
RS-232/RS-485转换器，用于将标准RS-232串行数据转换为RS-485串行数据；
RS-485集线器，用于将安装在不同车间的分站网关连接至RS-485总线上；
平衡电阻，用于匹配RS-485传输电缆的特性阻抗，可根据挂载设备数进行选择安装。
所述RS-485总线网络的硬件包括：监控计算机、化工车间分站、RS-485总线和控制设备组成，其中：
监控计算机，用于对总线数据传输的调度、传感器节点的数据采集以及现场人员的定位显示；
化工车间分站、RS-485总线分别通过电缆与数据转换装置连接，数据转换装置与监控计算机连接，用于监控端数据采集和命令发送，在监控端存储获得的无线网络采样点地址信息；
控制设备，控制设备通过电缆直接连接在RS-485总线上，构成RS-485总线网络的终端被控制设备。
所述无线传感器网络由无线网关节点模块、参考节点和移动节点组成，无线网关包括无线通讯模块和底座模块，参考节点模块包括无线通讯模块，移动节点模块包括无线通讯模块和片上定位引擎，其中参考节点模块和移动节点模块结构相同，移动节点上包含片上定位引擎单元；网关节点底座模块包括串行通讯接口单元，通过电缆直接连接在数据转换装置和RS-485总线上；
网关节点模块在接收范围内，通过无线链路与参考节点模块、移动节点模块交换数据和信息；参考节点模块与接收范围内的移动节点模块进行无线通讯和数据交换；
参考节点模块，用于对移动节点模块发射信号的强度测量采集；
移动节点模块，用于向区域内参考节点模块发射包含自身唯一ID特征的无线信号，并采集各个参考节点模块返回的信号强度测量值和由监控计算机端设定经由无线网关节点模块发送的定位功能参数，启动片上定位引擎后，计算出自身位置坐标，经由网关节点模块向上传递至RS-485总线；
监控计算机，实时采集移动节点模块上传的定位数据并显示具体位置信息，用于发生化工事故后，了解受困人员的在现场的精确分布，以便及时设定救援方案。
所述网关节点模块、参考节点模块安装位置是按照化工车间地理位置设定，可参考选择天花板的四个角落等位置。
所述监控计算机中存储着各个车间内网关节点模块、参考节点模块所在的位置和每个移动节点模块绑定人的信息，根据这些信息，监控计算机上运行的监控软件，实时采集移动节点模块上传的定位数据并显示具体位置信息，用于发生化工事故后，了解受困人员的在现场的精确分布，以便及时设定救援方案。
所述网关节点模块的通讯通过RS-232串口连接在数据转换装置上，通过RS-232/RS485串口转换器和RS-485集线器将RS-232接口转换为RS-485接口，再连接到RS-485总线上。最后通过相同的串口转换器将RS-485接口转变成RS-232接口，实现与监控计算机的通讯。
为实现上述目的，本发明的第二方面，提供一种化工场景下人员的定位监控方法，监控步骤如下：
步骤1. 监控计算机端系统启动，监控计算机发出数据请求命令和定位参数后，监控软件单元，网关节点单元，参考节点单元，移动节点单元进入运行状态；
步骤2. 网关节点单元组建区域内的无线网络，保存定位参数，并向周围广播参考节点配置请求命令，并进入接收状态；
步骤3. 参考节点单元接收到网关节点模块的配置请求命令后，将自身配置信息应答给网关节点单元，并进入接收状态。准备接收移动节点单元发送来的信号；
步骤4. 网关节点单元收到参考节点的应答信息后，广播移动节点配置请求命令，并进入接收状态；
步骤5. 移动节点单元接收到网关节点单元的配置请求命令后，将自身配置信息应答给网关节点单元，并向接收范围内的参考节点单元发送自身ID信息和信号强度测量请求，并进入接收状态；
步骤6. 参考节点单元接收到移动节点单元的信号强度测量请求后，启动信号测量单元对信号进行采集和测量，并将测量结果发回至相应移动节点单元；
步骤7. 移动节点单元接收到区域内各个参考节点单元发送的测量结果后，向网关节点单元请求定位参数；
步骤8. 网关节点单元发送定位参数给移动节点单元，进入接收状态；
步骤9. 移动节点单元启动片上定位引擎，结合各信号强度测量值和定位参数，计算出自身的位置坐标值，并将计算结果连同自身ID信息打包，每隔一定周期发送给网关节点单元；
步骤10. 网关节点单元将收到的定位坐标数据包通过标准RS-232串口发送，经由数据转换设备和RS-485总线，传输至远端监控计算机；
步骤11. 监控计算机收到定位坐标数据包后，对其进行解码，并将获得的原始坐标数据与移动节点相关人员信息进行绑定，实时显示在监控软件的区域地图上，通过该界面，可实时查询各化工车间内人员的位置，并且实时更新。
本发明的积极效果：
本发明中数据转换装置的设计，克服了传统布线中RS-232通讯距离受限的弱点，并且实现了点对多点的监控功能，使得化工车间到监控室之间的布线成本和布线时间大大减少。参考节点的配置能够工作在两种模式下，即唤醒模式和工作模式，可大大缩短能耗，增加电池使用寿命。相比传统RFID监控设备，该发明更能提供精确的人员位置信息。
本发明系统将人员定位及实时监控有机的结合在一个系统中，监控计算机负责定位参数的发送和对移动节点定位数据的采集和处理，形成整个化工厂工作车间各个人员分布情况实时显示，能够精确获得工作人员在车间中的位置，并提供实时动态定位数据。定位数据在化工安全生产中必不可少，一旦发生化工安全事故，通过车间内人员定位区域定位数据，能够迅速找到受困人员所处位置，提高营救队员制定营救方案的效率，大大提高了受困人员的生还几率。
附图说明
图1是本发明监控系统整体结构框架图；
图2是本发明实施例监控系统结构示意图；
图3是本发明实施例监控系统化工车间内工作示意图；
图4是本发明实施例监控系统软件结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明是利用无线传感器网络的低功耗、自组织的特性，设计了一个适合在化工场景下实现人员定位跟踪，并能实现实时监控的系统。为化工安全生产提供车间内实时动态数据。定位数据在化工安全生产中必不可少，一旦发生化工安全事故，通过车间内人员定位区域定位数据，能够迅速找到受困人员所处位置，提高营救队员制定营救方案的效率，大大提高了受困人员的生还几率。
本发明的系统采用RS-485总线网络结合无线传感器网络两种技术。根据系如下系统，图1是本发明监控系统整体结构框图，如图2是本发明实施例监控系统结构示意图，对本发明进行进一步的描述，其中包括：RS-485总线网络1和无线传感网络2，串口转换装置3和分站网关节点14。
RS-485总线网络1中的数据时按照标准RS-485通讯协议进行通讯，无线传感器网络2中的数据通过RS-232数据，按照串口通讯协进行通讯，不同通讯协议的网络之间进行数据交换，需要串口转换装置3，在本发明中，数据转换装置3有两种设备组成：RS-232/485串口转换器11和RS-485集线器16。RS-232/485转换器11可使用任意一种可将标准RS-232电平信号转换成RS-485差分信号的产品，RS-485集线器16可采用符合国家电气标准的、可在高危环境下使用的任意一种RS-485集线器产品。无线传感器网络2中的无线模块可使用符合ZigBee标准协议的无线模块。
RS-485总线网络1主要包括监控计算机10、RS-232/485串口转换器11、RS-485总线15。
RS-485总线网络1与串口转换装置3构成的总线网络与无线传感器网络2之间的连接主要通过分站网关14上的RS-232标准接口，RS-485总线网络1通过与RS-485集线器16和RS-232/485串口转换器11连接后，传输信号变成标准差分RS-485电平信号，经由RS-485总线12，连接至RS-232/485串口转换器13，再通过标准串行通讯电缆，与分站网关14上的RS-232标准接口连接。
监控计算机10与化工车间之间间隔一定距离，通过RS-485总线15连接至车间电缆入口处，RS-485集线器16固定安装在化工车间一端支架上，RS-485总线15网络布置在化工车间厂房门口过道处，各个单独的分站网关14通过RS-232/485串口转换器13挂载在RS-485总线网络上。
无线传感器网络2由无线网关节点14、参考节点17和移动节点18组成，无线网关节点14包括无线通讯模块和底座模块，参考节点17包括无线通讯模块，移动节点18包括无线通讯模块和片上定位引擎，其中；
参考节点17和移动节点18结构相同，移动节点18上包含片上定位引擎单元；网关节点14底座包括串行通讯接口单元，通过电缆直接连接在串口转换装置和RS-485总线上，具体的如下：
网关节点模块14的作用是收集监控计算机10发送的控制命令和定位参数等数据，广播至无线通讯范围内的相关节点；采集区域内各个参考节点模块17和移动节点模块18的配置信息和地址信息，并采集移动节点模块18的定位结果信息打包后传输至RS-485总线网络，因此，需带有一个标准RS-232接口。参考节点模块17的作用是接收无线通讯范围内移动节点模块18的信号，并对信号的强度进行测量，并将计算结果发送回移动节点模块18，网关节点模块14和参考节点模块17可以采用任何一种符合ZigBee协议标准的无线传感器节点，其区别是节点模块上运行的软件不同，网关节点单元和参考节点单元均采用C语言编写软件。网关节点单元多起着不同网络之间通讯的桥梁作用，参考节点单元则负责测量移动节点单元18定位时需要的信号强度值。
移动节点单元18根据参考节点单元17测量的信号强度值和网关节点单元14转发的定位用参数启动片上定位引擎，计算自身坐标，因此移动节点模块可采用任何一种符合ZigBee协议标准、包含片上定位引擎功能单元的无线传感器节点。
如图3是本发明监控系统化工厂车间内工作示意图，图中标记为：
监控计算机10放置在距离化工生产车间一定距离的监控室中，监控计算机10上附有标准RS-232接口，使用RS-232电缆与安装在监控室内的RS-232/485串口转换器11连接。RS-485集线器16安装在化工车间内电缆入口处，一端连接RS-485总线15，另一端连接RS-485总线12。各个车间的分站网关节点14使用RS-232电缆连接至RS-232/485串口转换器13，转换器的另一端通过RS-485电缆连接至RS-485总线12上。网关节点模块14安装在车间入口旁，参考节点模块17如图示可选择安装在天花板的角落处。当携带移动节点模块18 的工作人员进入车间无线无线通讯范围内，移动节点模块的ID码将会通过无线链路，由网关节点模块14采集并传送至总线网络，并实时传送至到监控计算机10中。
采用一台高性能计算机作为监控计算机10，这台计算机CPU主频为P4-2.8G Hz，内存为504M，硬盘80G。主控计算机10的主板上，带有一个标准的RS-232接口，在接口上连接电缆，电缆另一端连接宇泰UT-201无源RS232/485串口转换器，转换器接口特性兼容EIA/TIA的RS-232、RS-485标准，电气特性符合RS-232端DB9型连接器，RS-485端DB9针连接器，并配接线柱。转接器的另一端连接标准RS-485电缆即RS-485总线15。电缆的另一端连接在CHISHENG ECS8201型集线器上，该集线器支持挂载128个设备节点，能在1.2千米范围内工作，RS-485信号每线带有400W防雷保护，可应对化工车间内的一般事故。集线器的另一端用标准RS-485电缆引出，用于挂载监控设备。无线网关节点14作为各个车间内无线网络与外界联系的分站，用RS-232标准电缆连接至宇泰UT-201无源RS232/485串口转换器，转换器的另一端使用RS-485电缆连接至RS-485总线12上，即由RS-485集线器引出的电缆上。在本实例中使用了8个无线参考节点模块17，布置在两个房间，5名工作人员佩戴有移动节点模块18。网关节点单元14、参考节点单元17和移动节点单元18无线发射接收频率为2.4GHz，无线传输距离为50米。
如图4发明监控系统软件结构框图所示，系统管理单元21、交互界面22、数据管理23、通讯单元24、分站网关25、参考节点单元26、移动节点单元27。这些单元中运行的软件包括系统管理软件、交互界面软件、数据管理软件、无线传感器网络软件。软件功能和硬件配置可根据系统具体使用环境来设计。
本实施例中，基于Windows XP操作系统，使用Visual C#编写的监控系统软件有系统管理单元21，其主要包括：交互界面22、数据管理23，通讯单元24。
交互界面22是监控人员与监控系统软件交互的主要接口，包括：参数设定、命令输入、数据显示、监控区域选择，其中：
参数设定的参数主要包括：串行通讯波特率、串口号、停止位、校验位等；离发射机一米内RSSI绝对值，离发射机一米后信号强度衰减值；
数据管理23单元包括：数据接收、数据处理、人员信息、定位信息管理等，其中：该单元是系统软件设计主体，负责车间内人员定位数据的分析和处理，相关人员信息存储，定位数据包的解压缩，定位数据的实时更新。
本发明实现的系统经过一段时间运行，效果达到了化工场景下车间内人员定位监控的目的。监控系统软件工作流程如下：
1. 启动系统，监控计算机10上的系统管理单元21进入运行状态：交互界面22，数据管理23单元，分站网关25单元组建无线网络，参考节点单元26，移动节点单元27。
2. 分站网关25广播参考节点单元26配置请求；
3. 参考节点单元26收到分站网关25配置请求命令后，将自身坐标和配置信息应答至分站网关25，进入接收状态。
4. 分站网关25广播移动节点27配置请求命令；
5. 移动节点单元27接收到分站网关配置请求后，将配置信息应答至分站网关25。
6. 分站网关25收到应答后，广播移动节点单元27数据请求。
7. 移动节点单元27向区域内各个参考节点单元26单播信号强度测量请求，并向分站网关25请求定位参数。
8. 各参考节点单元26接收到移动节点单元27的测量请求后，对其信号进行强度测量，并将结果反送至相应移动节点单元27。
9. 分站网关25将定位参数发送至移动节点单元27。
10. 移动节点单元27结合区域内各个参考节点单元26测量的信号强度值和定位参数，启动定位引擎，计算坐标，将结果通过无线链路发送至分站网关25。
11. 分站网关25接收到坐标数据包后，通过RS-232串口发送至监控计算机10。
12. 监控计算机10收到数据包后，有数据管理23中的数据处理部分对其数据包进行定位数据恢复，并由交换界面22的数据显示部分对其进行显示。
13.监控软件数据管理23的人员信息将相应人员信息调出，由数据显示模块显示。
Claims (2)
1.一种化工场景下人员定位监测系统，其特征在于，包括：
RS-485总线网络中的数据按照RS-485总线通讯协议进行通讯；
无线传感器网络中的数据按照串行通讯协议通过RS-232串口进行通讯；
RS-485总线网络与无线传感器通过数据转换装置和各车间分站网关连接，用于将指令和参数传输给无线传感器网络；
所述数据转换装置包括：
RS-232/RS-485转换器，用于将标准RS-232串行数据转换为RS-485串行数据；
RS-485集线器，用于将安装在不同车间的分站网关连接至RS-485总线上；
平衡电阻，用于匹配RS-485传输电缆的特性阻抗，可根据挂载设备数进行选择安装；
所述RS-485总线网络的硬件包括：监控计算机、化工车间分站、RS-485总线和控制设备组成，其中：
监控计算机，用于对总线数据传输的调度、传感器节点的数据采集以及现场人员的定位显示；
化工车间分站、RS-485总线分别通过电缆与数据转换装置连接，数据转换装置与监控计算机连接，用于监控端数据采集和命令发送，在监控端存储获得的无线网络采样点地址信息；
控制设备，控制设备通过电缆直接连接在RS-485总线上，构成RS-485总线网络的终端被控制设备；
所述无线传感器网络由无线网关节点模块、参考节点和移动节点组成，无线网关包括无线通讯模块和底座模块，参考节点模块包括无线通讯模块，移动节点模块包括无线通讯模块和片上定位引擎，其中参考节点模块和移动节点模块结构相同，移动节点上包含片上定位引擎单元；网关节点底座模块包括串行通讯接口单元，通过电缆直接连接在数据转换装置和RS-485总线上；
网关节点模块在接收范围内，通过无线链路与参考节点模块、移动节点模块交换数据和信息；参考节点模块与接收范围内的移动节点模块进行无线通讯和数据交换；
参考节点模块，用于对移动节点模块发射信号的强度测量采集；
移动节点模块，用于向区域内参考节点模块发射包含自身唯一ID特征的无线信号，并采集各个参考节点模块返回的信号强度测量值和由监控计算机端设定经由无线网关节点模块发送的定位功能参数，启动片上定位引擎后，计算出自身位置坐标，经由网关节点模块向上传递至RS-485总线；
监控计算机，实时采集移动节点模块上传的定位数据并显示具体位置信息，用于发生化工事故后，了解受困人员的在现场的精确分布，以便及时设定救援方案；
所述网关节点模块、参考节点模块安装位置是按照化工车间地理位置设定，可参考选择天花板的四个角落位置；
所述监控计算机中存储着各个车间内网关节点模块、参考节点模块所在的位置和每个移动节点模块绑定人的信息，根据这些信息，监控计算机上运行的监控软件，实时采集移动节点模块上传的定位数据并显示具体位置信息，用于发生化工事故后，了解受困人员的在现场的精确分布，以便及时设定救援方案；
所述网关节点模块的通讯通过RS-232串口连接在数据转换装置上，通过RS-232/RS485串口转换器和RS-485集线器将RS-232接口转换为RS-485接口，再连接到RS-485总线上，最后通过相同的串口转换器将RS-485接口转变成RS-232接口，实现与监控计算机的通讯。
2.一种利用权利要求1所述的定位监测系统进行人员定位的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤1. 监控计算机端系统启动，监控计算机发出数据请求命令和定位参数后，监控软件单元、网关节点单元、参考节点单元和移动节点单元进入运行状态；
步骤2. 网关节点单元组建区域内的无线网络，保存定位参数，并向周围广播参考节点配置请求命令，并进入接收状态；
步骤3. 参考节点单元接收到网关节点模块的配置请求命令后，将自身配置信息应答给网关节点单元，并进入接收状态，准备接收移动节点单元发送来的信号；
步骤4. 网关节点单元收到参考节点的应答信息后，广播移动节点配置请求命令，并进入接收状态；
步骤5. 移动节点单元接收到网关节点单元的配置请求命令后，将自身配置信息应答给网关节点单元，并向接收范围内的参考节点单元发送自身ID信息和信号强度测量请求，并进入接收状态；
步骤6. 参考节点单元接收到移动节点单元的信号强度测量请求后，启动信号测量单元对信号进行采集和测量，并将测量结果发回至相应移动节点单元；
步骤7. 移动节点单元接收到区域内各个参考节点单元发送的测量结果后，向网关节点单元请求定位参数；
步骤8. 网关节点单元发送定位参数给移动节点单元，进入接收状态；
步骤9. 移动节点单元启动片上定位引擎，结合各信号强度测量值和定位参数，计算出自身的位置坐标值，并将计算结果连同自身ID信息打包，每隔一定周期发送给网关节点单元；
步骤10. 网关节点单元将收到的定位坐标数据包通过标准RS-232串口发送，经由数据转换设备和RS-485总线，传输至远端监控计算机；
步骤11. 监控计算机收到定位坐标数据包后，对其进行解码，并将获得的原始坐标数据与移动节点相关人员信息进行绑定，实时显示在监控软件的区域地图上，通过交互界面，可实时查询各化工车间内人员的位置，并且实时更新。
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