CN105101411B - 自愈式精确定位分站、系统及链路自愈方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种自愈式精确定位分站、系统及链路自愈方法，解决了现有人员定位分站无线连接断开之后失去通信能力的问题，应用于煤矿、工厂等固定环境、高人员密度场景内。自愈式精确定位分站，包括电源模块、主板、定位核心、接口板、以太网接口、RS485接口、CAN接口和天线，电源模块通过电源线路连接主板、定位核心、接口板、以太网、CAN接口和RS485接口，主板为具有链路监测功能的处理核心；定位核心为具有提供无线通道及精确测距功能的无线收发器；接口板包括以太网、RS485和CAN2.0B现场总线核心。本发明可以快速判断定位分站有线链路连接状态，并在有线链路失去连接时启动无线通信通道，使定位分站恢复工作。
Description
技术领域
本发明涉及人员定位技术领域，尤其涉及一种应用于煤矿、工厂等固定环境、高人员密度场景内的安全监控设备，具体为自愈式精确定位分站、系统及链路自愈方法。
背景技术
目前人员定位系统，定位分站与定位终端之间大都是采用基于2.4G频段的ZigBee技术，定位分站与定位分站之间采用以太网、CAN或者RS485等通信方式进行手拉手式有线连接，然而使用这种通信结构的定位分站存在着严重的缺陷：当人员定位系统应用于复杂恶劣环境时，例如井下，容易发生人员定位系统有线连接中断的事故，当某一定位分站的有线连接断开，其有线链路之后的所有定位分站都会失去通信能力，所有失去连接的定位分站将无法再进行人员定位，直接造成人员定位系统瘫痪。尤其是当发生严重事故时，人员定位系统无法正常工作，救援队伍无法准确定位事发时工作人员的准确位置，无法及时救援造成人员损伤的严重后果。
针对这一缺陷，提供一种自愈式精确定位分站及链路自愈方法，能够实现快速恢复定位分站之间的连接、执行精确定位功能。有线连接断开后，仍能迅速获得感知区域内的人员信息并及时上报的定位分站，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明为了解决现有人员定位分站无线连接断开之后失去通信能力的的问题，提供一种自愈式精确定位分站、系统及链路自愈方法，主要应用于煤矿、工厂等固定环境、高人员密度场景内。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
自愈式精确定位分站，包括电源模块、主板、定位核心、接口板、以太网接口、RS485接口、CAN接口和天线，电源模块通过电源线路连接主板、定位核心、接口板、以太网、CAN接口和RS485接口。
所述主板，为具有链路监测功能的处理核心,采用基于高性能ARM Cortex-M4内核的MCU为处理核心，内置链路监测算法和测距算法, 链路监测算法具有监测有线链路状态、确认链路状态和利用无线通道修复链路的功能。
所述定位核心，采用基于线性调频（Chirp Spread Spectrum，CSS）的无线收发器芯片NLSG0501A（nanoLOC TRX Transceiver），经过2.4G的低噪声放大处理后，为定位分站提供功率连续可调的无线通道。同时，定位核心还具有利用电磁波飞行时间差进行精确定位的测距方式，增加2.4G信号放大处理模块和基于狭长巷道优化的测距算法，从而保证在距离分站前后2公里范围内实现误差小于1米的精确定位。
所述接口板，集成以太网、RS485和CAN2.0B现场总线核心，通过具有2000VAC光电隔离的接口保护模块，为定位分站提供以太网、CAN和RS485的综合数据传输通道。
根据本发明的一个方面，提供了两路以太网、两路RS485、两路CAN总线和2路天线。
一种自愈式精确人员定位系统：包括服务器即管理PC机、交换机、多个定位分站和多个定位终端，所述定位分站，包括电源模块、主板、定位核心、接口板、以太网接口、RS485接口、CAN接口和天线，电源模块通过电源线路分别连接主板、定位核心、接口板、以太网、CAN接口和RS485接口；所述主板为具有链路监测功能的处理核心，内置链路监测算法和测距算法，链路监测算法具有监测有线链路状态、确认链路状态和利用无线通道修复链路的功能；所述定位核心为具有提供无线通道及精确测距功能的无线收发器；所述接口板包括以太网、RS485和CAN2.0B现场总线核心；所述以太网、所述RS485和所述CAN2.0B现场总线分别至少包括两个接口；接口板上的以太网、RS485和CAN2.0B现场总线具有2000VAC光电隔离的接口保护模块；所述主板分别与所述定位核心、所述接口板电连接；
所述定位分站通过以太网以手拉手的方式通过交换机连接至管理PC机上，所述定位核心以线性调频的方式与所述定位终端建立无线连接；
本发明还提供了一种链路自愈方法，包括如下步骤：
自愈式精确人员定位系统上电后，定位分站正常工作启动链路监测：主板通过以太网同服务器建立TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）连接，开始定时间隔发送链路心跳数据包，服务器收到定位分站发出的心跳包后回复心跳回应数据包，定位分站接收到正确的心跳回应数据包即可判断TCP连接和物理链路连接畅通，一旦定位分站超过定时间隔时间没有接收到心跳包，主板读取以太网物理层链路状态寄存器标识位，来判断传输介质的连接状态，如果在设定时间内物理层内部都显示物理链路已断开，则判断定位分站失去以太网连接。此时，定位分站启动无线通道发现和建立流程：定位分站定时通过天线向四周广播无线链路发现数据包，当收到临近定位分站回应的无线链路OK数据包后，将书包缓存并解析，选取其中无线信号最强的临近定位分站，与之建立无线应急通道，恢复人员定位系统功能。
与现有技术相比，本发明可以快速判断定位分站有线链路连接状态，并在有线链路失去连接时启动无线通信通道，使突发事故发生时定位分站仍然可以正常工作。同时，本发明的定位模块具有精确定位功能，可以快速定位人员准确位置，为及时救助提供帮助。
附图说明
结合随后的附图，从下面的详细说明中可显而易见的得出本发明的上述及其它目的、特征及优点。在附图中：
图1为本发明自愈式精确定位系统结构示意图。
图2为本发明自愈式精确定位分站的结构示意图。
图3为本发明链路自愈方法的逻辑示意。
图4为本发明链路自愈方法的链路监测算法流程图。
图5为本发明链路自愈方法的无线链路建立流程图。
具体实时方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种自愈式精确定位分站，包括电源模块、主板、定位核心、接口板、以太网接口、RS485接口、CAN接口和天线，电源模块通过电源线路连接主板、定位核心、接口板、以太网、CAN接口和RS485接口。
所述主板，为具有链路监测功能的处理核心,采用基于高性能ARM Cortex-M4内核的MCU为处理核心，内置链路监测算法和测距算法, 链路监测算法具有监测有线链路状态、确认链路状态和利用无线通道修复链路的功能。
所述定位核心，采用基于线性调频（Chirp Spread Spectrum，CSS）的无线收发器芯片NLSG0501A（nanoLOC TRX Transceiver），经过2.4G的低噪声放大处理后，为定位分站提供功率连续可调的无线通道。同时，定位核心还具有利用电磁波飞行时间差进行精确定位的测距功能，从而保证在距离分站前后2公里范围内实现误差小于1米的精确定位。
NLSG0501A内置信号强度检测电路，支持无线功率从-40dBm~0dBm自由调整，经过射频放大器的二级处理，信号强度最高可达25dBm。
所述接口板，集成以太网、RS485和CAN2.0B现场总线核心，通过具有2000VAC光电隔离的接口保护模块，为定位分站提供以太网、CAN和RS485的综合数据传输通道。
如图2所示，根据本发明的一个方面，提供了两路以太网、两路RS485、两路CAN总线和2路天线。两路以太网接口作为主干有线链路连接通道，两路CAN总线接口、两路RS485接口作为现场设备拓展接入通道，两个2.4G无线接口，作为定位及无线数据传输通道。
如图3所示，本发明的一个方面，定位分站的以太网功能模块同主板上的MCU采用IO总线方式连接，无线功能模块同主板上的MCU采用SPI总线的方式连接。
以太网功能模块采用DM9006为处理核心，100BaseFX单模光纤作为通信介质，其物理层实现通信介质和物理链路状态的管理以及逻辑链路层数据的编解码等；逻辑链路层处理设备寻址和数据封拆包等；TCP/IP在逻辑链路层基础之上，为应用层提供可靠和不可靠连接的数据通道；应用层承载系统的各种应用功能。
无线功能模块采用NLSG0501A为射频核心，内置信号强度检测电路，支持无线功率从-40dBm ~ 0dBm自由调整，经过射频放大器的二级处理，信号强度最高可达25dBm。
具体的，由本发明组成的自愈式精确人员定位系统，包括服务器即管理PC机、交换机、定位分站和定位终端，系统工作时采用100BaseFX单模光纤作为通信介质，定位分站通过以太网以手拉手的方式通过交换机上连接至服务器上。定位分站通过定位核心线性调频的方式和定位终端建立无线连接，利用电磁波飞行时间差的原理，精确地测量定位终端到定位分站的距离h，再经过定位分站内置的算法进行优化处理，从而获得定位终端的精确位置信息，并将位置信息经链路发送至服务器，由服务器做进一步处理。
具体定位方法为利用电磁波飞行时间差进行精确定位，是现有技术比较成熟的精确定位方法：定位终端向定位节点发送第一次定位数据包，定位分站收到第一次定位数据包后，立即发出第一次应答消息，并且定位分站记录下收到第一次定位数据包到发出第一次应答消息的时间段，记录为T2，定位终端收到定位分站发出的第一次应答消息，记录下定位终端从发送第一次定位数据包到接收到第一次应答消息的时间段，记录为T1；定位分站向定位终端发出第二次定位数据包，第二次定位数据包包含了T2时间信息，并接收定位终端发回的应答消息，记录定位分站从发出第二次定位数据包到接收应答消息的时间段记录为T3，定位终端收到第二次定位数据包后向定位分站发出应答消息，定位终端记录从接收到发送的时间段为T4，定位分站收到定位终端的应答消息后将记录有T3信息的数据包发送给定位终端。
定位终端根据T1，T2，T2，T4时间信息带入以下公式进行计算定位终端和定位分站的距离h：
h=（T1-T2+T3-T4）/4*C
其中C为光速。
本发明还提供了一种链路自愈方法，包括如下步骤：
自愈式精确人员定位系统上电后，定位分站正常工作启动链路监测：定位分站通过以太网同服务器建立TCP连接，开始定时间隔发送链路心跳数据包，服务器收到定位分站发出的心跳包后回复心跳回应数据包，定位分站接收到正确的心跳回应数据包即可判断TCP连接和物理链路连接畅通，一旦定位分站超过定时间隔时间没有接收到心跳包，主板读取以太网物理层链路状态寄存器标识位，来判断传输介质的连接状态，如果在设定时间内物理层内部都显示物理链路已断开，则判断定位分站失去以太网连接。此时，定位分站启动无线通道发现和建立流程：定位分站定时通过天线向四周广播无线链路发现数据包，当收到临近定位分站回应的无线链路OK数据包后，将书包缓存并解析，选取其中无线信号最强的临近定位分站，与之建立无线应急通道，恢复人员定位系统功能。
当发生意外事故至以太网连接断开时，本发明内置的链路监测算法监测到有线连接已经断开，在经过干扰滤波处理后，最终确认链路状态，一旦确认有线链路断开，定位分站立即开始建立无线通道，定位分站开始调整自身的无线链路发射和接收功率，搜索并选取链路信号最强的临近定位分站建立无线的应急通道，恢复数据通信。
链路监测算法流程如图4所示，自愈式精确人员定位系统上电开始工作，定位分站发送心跳包至服务器，进行心跳包接收滤波，若接收到服务器发出的TCP心跳回应数据包，则判定定位分站以太网连接正常，定位分站等待发送时间间隔定时发送心跳包；若没有接收到服务器发出的TCP心跳回应数据包，则进行链路状态滤波判断以太网物理链路是否断开；若判断以太网物理链路没有断开则等待检测链路状态的时间间隔，重置TCP连接，恢复定时发送心跳包；若判断以太网物理链路断开则进行以太网物理链路状态修复，以太网物理链路状态修复过程完成之后，判断以太网物理链路是否修复；若判断以太网物理链路已修复，则进一步判断无线链路是否已启动，若无线链路已启动则关闭无线链路，等待检测链路状态的时间间隔后重置TCP连接，恢复定时发送心跳包；若判断以太网物理链路未修复，则进一步无线链路是否已启动，若无线链路未启动则启动无线链路通道建立无线连接，若无线链路已启动则等待检测链路状态的时间间隔，重复修复链路状态工作。
无线链路建立流程如图5所示，定位分站启动无线通道之后，向四周广播链路发现数据包，若没有收到回应无线链路OK数据包，则间隔一定时间后重复广播；若收到无线链路OK数据包则缓存并分析回应数据包，当发现临近有合适的定位分站则建立无线应急通道，当没有发现临近有合适的定位分站建立连接则继续定时间隔广播链路发现数据包，直到发现合适的临近分站建立连接。
虽然已在具体实施方案中描述了本发明的实施方案及其各种功能组件，但是应当理解，可以用硬件、软件、固件、中间件或它们的组合来实现本发明的实施方案，并且本发明的实施方案可以用在多种系统、子系统、组件或其子组件中。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。
此外，对于本领域的普通技术人员来说可显而易见的得出其他优点和修改。因此，具有更广方面的本发明并不局限于这里所示出的并且所描述的具体说明及示例性实施例。
Claims (5)
1.自愈式精确定位分站，包括电源模块、主板、定位核心、接口板、以太网接口、RS485接口、CAN 接口和天线，电源模块通过电源线路连接主板、定位核心、接口板、以太网、CAN 接口和RS485接口，其特征在于： 所述主板，为具有链路监测功能的处理核心，内置链路监测算法和测距算法，链路监测算法具有监测有线链路状态、确认链路状态和利用无线通道修复链路的功能； 所述定位核心，为具有提供无线通道及精确测距功能的无线收发器； 所述接口板，包括以太网、RS485和CAN2.0B现场总线核心；
所述以太网、所述RS485和所述CAN2.0B现场总线分别至少包括两个接口；
接口板上的以太网、RS485和CAN2.0B现场总线具有2000VAC光电隔离的接口保护模块；所述主板分别与所述定位核心、所述接口板电连接。
2.如权利要求1所述的自愈式精确定位分站，其特征在于：定位核心采用NLSG0501A芯片。
3.如权利要求1所述的自愈式精确定位分站，其特征在于：所述处理核心为ARMCortex-M4处理器。
4.一种自愈式精确人员定位系统，包括服务器、交换机、多个定位分站和多个定位终端，其特征在于： 所述定位分站，包括电源模块、主板、定位核心、接口板、以太网接口、RS485 接口、CAN接口和天线，电源模块通过电源线路分别连接主板、定位核心、接口板、以太网、CAN接口和RS485接口；所述主板为具有链路监测功能的处理核心，内置链路监测算法和测距算法，链路监测算法具有监测有线链路状态、确认链路状态和利用无线通道修复链路的功能；所述定位核心为具有提供无线通道及精确测距功能的无线收发器；所述接口板包括以太网、RS485和CAN2.0B现场总线核心；所述以太网、所述RS485和所述CAN2.0B现场总线分别至少包括两个接口；接口板上的以太网、RS485和CAN2.0B现场总线具有2000VAC光电隔离的接口保护模块；所述主板分别与所述定位核心、所述接口板电连接；所述定位分站通过以太网以手拉手的方式通过交换机连接至管理PC机上，所述定位核心以线性调频的方式与所述定位终端建立无线连接。
5.一种链路自愈方法，包括如下步骤： S1：自愈式精确人员定位系统上电后，定位分站正常工作，定位分站主板启动链路监测，定位分站通过以太网同服务器建立TCP连接，开始定时间隔发送链路心跳数据包，服务器收到所述心跳数据包后，回复心跳回应数据包； S2：所述主板接收到正确的心跳回应数据包即可判断TCP连接和物理链路连接畅通； S3：当所述主板超过定时间隔时间没有接收到心跳回应数据包，主板读取以太网物理层链路状态寄存器标识位，来判断传输介质的连接状态，如果在设定时间内物理层内部都显示物理链路已断开，则判断定位分站失去以太网连接； S4：当定位分站失去以太网连接后，定位分站启动无线通道发现和建立流程：定位分站定时通过天线向四周广播无线链路发现数据包，当收到临近定位分站回应的无线链路数据包后，将数据包缓存并解析，选取其中无线信号最强的临近定位分站，与之建立无线应急通道，恢复人员定位系统功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181009 Termination date: 20210907 |