CN101070763A - 矿山救援可视化无线指挥装置 - Google Patents

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一种矿山救援可视化无线指挥装置,包括前端设备、中继设备、地面接收设备,前端设备可在非常低照度的情况下,捕获现场图像,实时地将视音频信号及井下参数数据经中继设备传送至地面接收设备,地面业务平台中心下载并存储井下视频、音频和井下参数数据,实现对井下现场的动态监视和指挥。本发明前端设备是个独立、功能全面、外观小巧的微型设备,采用最先进的无线Mesh宽带网络技术,利用防爆智能AP设备进行数据传输,本发明具有实时、准确、多方位、多功能快速高效的优点。

Description

矿山救援可视化无线指挥装置
技术领域
本发明涉及一种无线指挥装置,特别涉及一种矿山救援可视化无线指挥装置。
背景技术
当矿井发生灾害时,救护人员在井下救援一般使用有线声能电话或者使用国外引进的专用救灾电话,由于特殊的灾害环境,存在着对人体有害的瓦斯,煤气等易燃易爆气体的干扰,救护人员须装备自保设备。现有的自保设备一般采用负压呼吸器或者正压呼吸器,采用负压呼吸器,队员因鼻夹脱落或者张口说话呼入气体环境,所以只能靠声能电话传递约定的信息;采用正压呼吸器虽然改善了呼吸的舒适性和安全性,可以讲话,但是由于面罩的阻隔影响也难以讲清楚。因此,无论使用有线声能电话或者无线电话,都无法清晰、准确地传递灾区的声音、图像等各种信息,反映灾区的实际情况。同时,由于发生灾害时矿井环境气体易燃易爆,具有良好性能的现有通讯设备无法正常使用,使得井下救灾语音通讯准确性、实时性差,信息量有限,没有记忆、存储及图像传输功能。发生事故时,煤矿现有的通讯、监视系统无法安全使用,基本处于瘫痪状态。目前存在的一些视频图像装置需要使用有线网络进行传输,但是井下网络的铺设往往需要浪费大量的时间。这些问题直接导致现有的矿山救灾设备存在着救护队员和上级指挥、协调人员之间的信息反馈不畅,井下救护人员和地面救灾指挥部无法及时、准确掌握灾区真实情况,救灾过程中指挥系统不能做出科学的调度和快速反应,使其救援工作受到制约,贻误了可能的救援机会,甚至发生更大的灾害,造成更大的人员伤亡和财产损失。因此快速、安全、准确的救援系统是有重大的社会意义和经济价值。
发明内容
本发明的技术问题是要提供一种可实时监测和直接联络事故现场的矿山救援可视化无线指挥装置。采用无线Mesh网络和集视频、语音实时通讯的前端设备,能够准确及时全面地反映井下状况,便于全面综合的做出合理快速的救援计划,大大增加涉难人员的生还机会;该装置可迅速、清晰、准确地将现场图像、声音和数据通过无线智能接入点AP进行双向的网络的实时传输到井下救护中心及地面救援指挥中心,实现事故现场视频图像的多点监视以及灾后现场、井下基地和地面救援中心的多方双向通话。
为了解决以上的技术问题,本发明提供了一种矿山救援可视化无线指挥装置,包括前端设备、中继设备、地面接收设备,其中前端设备电路板的输入端与矿用摄像头、多功能传感器、矿用耳麦、无线网卡、存储设备的输出端相连,电路板的输出端与报警装置、矿用耳麦的输入端连接,前端设备的视音频信号及井下参数数据经中继设备传送至地面接收设备,地面业务平台中心下载并存储井下视频、音频和井下参数数据,实现对井下现场的动态监视和指挥。
所述前端设备的电路板,其CPU控制井下的视频采集模块、音频采集模块、多功能传感器模块的输入,控制井下数据实时存储于存储模块,CPU还控制报警模块的输出、USB驱动模块、电源模块,CPU控制无线传输模块传送井下视频、音频和参数经中继设备至地面接收设备。
所述的多功能传感器模块,其检测井下的甲烷、一氧化碳、温度、湿度、风速参数,控制模拟信号转换为数字信号存储于本地SD存储卡中,并根据监测数据进行计算,超出临界点时会自动报警,保证救援人员的安全,同时,对这些数据进行打包,通过无线网卡传输至最近的中继设备,实时传送至地面接收设备。
前端设备包括矿用摄像头,矿用耳麦、无线网卡、多功能传感器、SD存储卡、矿用电源,前端设备的电路板采用专用ASIC处理芯片,用自带的矿用摄像头采集视频数据,矿用耳麦采集音频数据,专用的多功能传感器采集甲烷、一氧化碳、温度、湿度、风速等重要井下模拟数据。ASIC处理芯片采用业内最先进的H.264视频编码算法对视频和音频数据进行压缩,存储于本地SD存储卡中。前端设备同时也可以通过矿用耳麦接收井上指挥救援中心传达的救援指令,根据命令及时做出正确的救援行动。
所述的前端设备性能稳定,外观小巧,可放置于矿工帽中,前端设备的IC均选用高级程度芯片,功耗低,自带防爆锂电池可以长时间的进行工作,具备矿用设备所要求的高可靠性、EMC、防火、防暴、防电火花的性能要求。
所述的中继设备,其包括无线智能接入点AP(Access Point),无线智能接入点AP采用自带防爆电源,保证了无线传输的安全性和高可靠性。在传统的无线局域网中,用户如果要进行相互通讯的话,那么首先会访问一个固定的接入点AP,这种访问的方式被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中,任何无线设备节点都可以同时作为接入点AP和路由器,这样设计的优点在于如果最近的接入点AP由于流量大而拥塞的话,那么数据可以重新选择一个小流量路径进行传输,数据包根据网络的情况,从一个节点依次传送到多个节点,最终到达目的地。采用最先进的无线Mesh宽带网络技术,利用防爆智能AP等设备进行数据传输。
所述的地面接收设备,其包括业务平台中心、电视墙、存储器、救援专家知识管理系统,业务平台中心下载井下视频、音频数据传输至电视墙,保存井下数据于存储器中,根据救援专家知识管理系统的信息,业务平台中心输出救援命令依次经耳麦、中继设备传送输入至前端设备的矿用耳麦,井下人员根据救援命令及时作出正确的救援行动。
本发明的优越功效在于:前端设备是一个独立、功能全面、外观小巧的微型设备,它采用自备电源、便携式矿用摄像头、便携式矿用耳麦,采用最先进的无线Mesh宽带网络技术,利用防爆智能AP设备进行数据传输,将灾后现场的视频、声音和数据通过无线网络实时传输至井下救护基地、地面救援指挥中心、国家矿山救援指挥中心,实现事故现场的动态多点监视,以及灾后现场、井下基地和地面救援中心的多方双向无线通讯,实现救灾全过程的实时记录和回放;本发明的前端设备体积小,性能强,本发明具有实时、准确、多方位、多功能快速高效的特点;本发明采用最先进的无线Mesh宽带网络技术,无线Mesh网络具有强壮性、高带宽和高利用率;本发明通过对网络的合理架设,以及对智能接入点AP的设计,有效地提高了无线网络的性能,满足了高吞吐量、低延迟等实时视音频通讯的要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;图2为本发明的前端设备的电路原理框图;图3为本发明的前端设备的软件架构图。
图中标号说明1-前端设备;11-电路板;    12-矿用摄像头;13-矿用耳麦    14-多功能传感器;15-存储设备    16-报警装置;
17-无线网卡;21-CPU                22-视频采集模块;23-电源模块;         24-多功能传感器模块;25-音频采集模块       26-报警模块;27-无线传输模块       28-存储模块;29-USB驱动模块;3-中继设备;31-无线Mesh网络;4-地面接收设备;41-业务平台中心        42-电视墙;43-存储器;            44-救援专家知识管理系统;45-耳麦;5-固件层;51-音频编解码算法库    52-视频编解码算法库;6-驱动层;7-操作系统             8-中间件层;9-应用程序层。
具体实施方式
请参阅附图所示,对本发明作进一步的描述。
如图1本发明的结构示意图所示,本发明提供了一种矿山救援可视化无线指挥装置,包括前端设备1、中继设备3、地面接收设备4,其中前端设备1电路板11的输入端与矿用摄像头12、多功能传感器14、矿用耳麦13、无线网卡17、存储设备15的输出端相连,电路板11的输出端与报警装置16、矿用耳麦13的输入端连接,前端设备1的视音频信号及井下参数数据经中继设备3传送至地面接收设备4,地面业务平台中心41下载并存储井下视频、音频和井下参数数据,实现对井下现场的动态监视和指挥。
如图2本发明的前端设备1的电路原理框图所示,所述前端设备1的电路板11,其21-CPU控制井下的视频采集模块22、音频采集模块25、多功能传感器模块24的输入,控制井下数据实时存储于存储模块28,存储模块28采用SD存储卡进行实时存储,21--CPU还控制报警模块26的输出、USB驱动模块29、电源模块23,21-CPU控制无线传输模块27传送井下视频、音频和参数经中继设备3至地面接收设备4。
所述的多功能传感器模块24,其检测井下的甲烷、一氧化碳、温度、湿度、风速参数,控制模拟信号转换为数字信号存储于本地SD存储卡中,并根据监测数据进行计算,超出临界点时会自动报警,保证救援人员的安全,同时,对这些数据进行打包,通过无线网卡传输至最近的中继设备3,实时传送至地面接收设备4。
前端设备1包括矿用摄像头12,矿用耳麦13、无线网卡17、多功能传感器14、SD存储卡、矿用电源23,前端设备1的电路板11采用专用ASIC处理芯片,用自带的矿用摄像头12采集视频数据,矿用耳麦13采集音频数据,专用的多功能传感器14采集甲烷、一氧化碳、温度、湿度、风速等重要井下模拟数据。ASIC处理芯片采用业内最先进的H.264视频编码算法对视频和音频数据进行压缩,存储于本地SD存储卡中。前端设备1同时也可以通过矿用耳麦13接收井上指挥救援中心传达的救援指令,根据命令及时做出正确的救援行动。
21-CPU采用了高集成度多媒体处理芯片,该芯片是集成了ARM926EJS控制芯片和多媒体处理DSP芯片,主要用来多媒体音视频压缩和系统外围接口的控制;视频采集模块22采用了MICRON的控制芯片i--MT9V012,是单块的1/6英寸成像传感器,采用了高级的集成技术,该图像传感器超低功耗,高分辨率,可捕获高质量的逐行扫描的视频图像,特别是在低照度的情况下获取优良的图像信息,配合ASIC处理芯片完成自动曝光、自动白平衡、自动聚焦等功能,为视频处理提供良好的图像数据;无线传输模块27采用目前在节能方面表现最突出的Marvell超低功耗90nm WLAN单芯片解决方案88W8686ii,提供低于400mW的最低总体系统功耗及55mm2的最小系统尺寸,Marvell 88W8686集成了一片ARM兼容的CPU、包含SDIO和SPI以确保与多种主机系统互用的高速串行主机接口,以及802.11a/b/g RF收发器,完全与蜂窝网络相容,从而能够满足苛刻的体积要求和功耗要求。
瓦斯爆炸等灾害事故发生后,井下的气体成份也发生了变化,产生了有毒有害气体和爆炸性气体,为保护救护队员的人身安全,对气体成份的监测就显得十分重要。通过采用三角形判断法对可燃性混合气体爆炸进行了研究,编制了爆炸危险性分析软件,可对监测的数据进行分析和处理。前端设备1自带的多功能传感器模块24能同时连续检测甲烷、氧气、一氧化碳、温度等多种参数,并对爆炸危险性给出预报,采用SD存储卡进行实时存储。
所述的前端设备1性能稳定,外观小巧,可放置于矿工帽中,前端设备1的IC均选用高级程度芯片,功耗低,自带防爆锂电池可以长时间的进行工作,具备矿用设备所要求的高可靠性、EMC、防火、防暴、防电火花的性能要求。
所述的前端设备1还具有良好的软件架构,如图3本发明的前端设备1的软件架构图所示,整个系统平台分为固件层5、操作系统7、驱动层6、中间件层8和应用程序层9组成,其中固件层5包括音频编解码算法库51和视频编解码算法库52,这些算法针对硬件平台的特点进行了处理,优化了H.264编解码,提高了视音频处理的能力并进一步降低了处理时CPU的运行速率,进一步节省能耗。
采用了工业级嵌入式Linux操作系统7作为内核,针对Linux内核的网络协议进行了精简,对文件系统进行了优化,特别是对文件的读写和传送速度进行了优化,加快了系统视频数据高速传送和文件读写速度,前端设备1的软件架构清晰,功能明确,可以根据以后功能的改进并进行在线升级。
应用程序层9主要由下面几个线程构成,视频语音管理,VoIP模块和动态电源管理。在正常工作状态下,视频语音管理线程用于语音和视频数据的传送,紧急情况下,VoIP模块启动并关闭视频语音进程,仅仅保留语音通讯,减小对带宽和电源的使用,延长终端使用时间。动态电源管理线程进一步对系统能耗进行总体控制。
通过软硬件的合理优化,前端设备1性能可靠,功耗低,实时地将各种信息经中继设备3传送至地面接收设备4。
所述的中继设备3,其包括无线智能接入点AP(Access Point),无线智能接入点AP采用自带防爆电源,保证了无线传输的安全性和高可靠性。在传统的无线局域网中,用户如果要进行相互通讯的话,那么首先会访问一个固定的接入点AP,这种访问的方式被称为单跳网络。而在无线Mesh网络31中,任何无线设备节点都可以同时作为接入点AP和路由器,这样设计的优点在于如果最近的接入点AP由于流量大而拥塞的话,那么数据可以重新选择一个小流量路径进行传输,数据包根据网络的情况,从一个节点依次传送到多个节点,最终到达目的地。采用最先进的无线Mesh宽带网络技术,利用防爆智能AP等设备进行数据传输。
无线Mesh网络31有三点明显的优势:强壮性、高带宽和高利用率:1)强壮性:在传统的单跳无线网络中,如果固定的接入点AP发生故障,那么该网络中所有的无线设备都不能进行通讯,而在无线Mesh网络31中,如果某个节点的AP发生故障,它可以重新再选择一个AP进行通讯,数据仍然可以高速地到达目的地;2)高带宽:从物理的角度而言,无线通讯意味着通讯距离越短,那么通讯的效果会越好,因为随着通讯距离的增长,无线信号不但会衰弱而且会相互干扰,从而降低数据通讯的效率,而在无线Mesh网络31中,是以一条条较短的无线网络连接代替了以往长距离的连接,从而保证数据以高速率在节点之间快速传递。由于是在短距离的节点之间进行传输,电源的功耗也会相应地减少,这对于前端设备1来言是非常突出的一个优点;3)高利用率:在无线Mesh网络31中,由于每个节点都是AP,根本不会发生此类问题;一旦某个AP可用率下降,数据会自动重新选择一个AP进行传输。
所有的无线智能AP均采用自带防爆电源设计,保证了无线传输的安全性和高可靠性。
为了满足视频和语音实时通信应用的要求,必须对架设的无线Mesh网络进行优化,以满足下列要求:1)经过多跳的高吞吐量;2)经过多跳的低时延;3)端到端QoS为语音分组包的设置优先级;因此网络架构设计了具有多模块、多射频和多信道的体系架构。多模架构通过为终端接入、ingress回程、egress回程分别设置专门模块的方法,可以非常经济地提供经过多跳后高吞吐量、低时延和为语音流量设置高优先级所要求的容量和覆盖。
采用最新的智能AP技术,如:1)集中管理,为用户节省WLAN部署和管理的成本;2)协作安全,监测非法接入,添加了新的安全管理机制;3)自动调整信道分配,如无线AP及移动用户终端的接入部分及无线AP之间的中继部分从空间和频率上分开,在无线AP与移动用户终端间采用基于2.4GHz的802.11b/g,而在无线AP之间则采用基于5GHz的802.11a,从而避免了两者间的射频干扰;
4)信号强度,采用智能天线阵列,改善了信号强度,加大了传输距离;5)集成路由器功能,采用最新的自适应路由选择算法,减少了网络延迟;通过对网络的合理架设,以及对智能AP高效的设计,有效地提高了无线网络的性能,满足了高吞吐量、低延迟等实时视音频通讯的要求。
所述的地面接收设备4,其包括业务平台中心41、电视墙42、存储器43、救援专家知识管理系统44,业务平台中心41下载井下视频、音频数据传输至电视墙42,保存井下数据于存储器43中,根据救援专家知识管理系统44的信息,业务平台中心41输出救援命令依次经耳麦45、中继设备3传送输入至前端设备1的矿用耳麦13,井下人员根据救援命令及时作出正确的救援行动。
救援专家知识管理系统44实现了应急救援信息的录入、修改、查询、信息的统计等功能,应急救援信息主要包括学习训练、出去管理、装备管理、人员管理、培训管理,如:1)工作计划、总结、规章制度、技术文件、会议纪要等信息的发布;2)应急救援考试题库的建立与命题;3)即时信息的制定发送;4)报表图表的自动生成;救援专家知识管理系统44可以在日常状况下,对救援人员进行训练,提高救援人员工作效率。

Claims (6)

1.一种矿山救援可视化无线指挥装置,包括前端设备、中继设备、地面接收设备,其特征在于:所述的前端设备,其电路板的输入端与矿用摄像头、多功能传感器、矿用耳麦、无线网卡、存储设备的输出端相连,电路板的输出端与报警装置、矿用耳麦的输入端连接,前端设备的视音频信号及井下参数数据经中继设备传送至地面接收设备,地面业务平台中心下载并存储井下视频、音频和井下参数数据,实现对井下现场的动态监视和指挥。
2.根据权利要求1所述的一种矿山救援可视化无线指挥装置,其特征在于:所述前端设备的电路板,其CPU控制井下的视频采集模块、音频采集模块、多功能传感器模块的输入,控制井下数据实时存储于存储模块,CPU还控制报警模块的输出、USB驱动模块、电源模块,CPU控制无线传输模块传送井下视频、音频和参数经中继设备至地面接收设备。
3.根据权利要求2所述的一种矿山救援可视化无线指挥装置,其特征在于:所述的多功能传感器模块,其检测井下的甲烷、一氧化碳、温度、湿度、风速参数,控制模拟信号转换为数字信号存储于存储器中,并实时传送至地面接收设备。
4.根据权利要求1所述的一种矿山救援可视化无线指挥装置,其特征在于:所述的中继设备,其包括无线智能接入点AP,无线智能接入点AP采用自带防爆电源。
5.根据权利要求1所述的矿山救援可视化无线指挥装置,其特征在于:所述的地面接收设备,其包括业务平台中心、电视墙、存储器、救援专家知识管理系统,业务平台中心下载井下视频、音频数据传输至电视墙,保存井下数据于存储器中,根据救援专家知识管理系统的信息,业务平台中心输出救援命令依次经耳麦、中继设备传送输入至前端设备的矿用耳麦,根据救援命令作出救援行动。
6.根据权利要求1所述的矿山救援可视化无线指挥装置,其特征在于:所述的前端设备,其可放置于矿工帽中。
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