CN101221689A - 基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统。该系统由移动节点、固定节点、网关节点、传输节点、地面主机构成。移动节点主要由矿工携带，带有传感器，可以监测矿工体温脉搏。固定节点放置于煤矿巷道内，带有传感器，可以实时监测周围的瓦斯浓度。地面主机接收井下采集的数据，实时显示人员定位信息和人员生理参数信息，实时显示瓦斯浓度曲线，并能设置超限报警和向井下发布紧急避险信息。

Description

基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统

技术领域

本发明涉及煤矿安全与传感器网络领域，是一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统。

背景技术

长期以来，煤矿行业就是高危行业，工业事故率高，煤矿瓦斯爆炸、矿井坍塌时有发生，对井下工作人员的生命构成严重威胁。如何在事故前发出预警，并告知井下工作人员，实施人员紧急疏散；如何在矿难发生后进行及时有效的救援，是井下安全监测系统研究的重点。

现有的井下安全监测系统，一般以传感器、分站、传输系统和监控中心组成，采用有线传输。这些系统的应用对井下安全监控起到了一些作用，但是也存在一些问题，由于采用有线传输，这就导致设备移动不方便，维护困难，且功能少。随着传感器网络技术的发展，各种基于传感器网络的井下无线系统方案陆续提出，但这些系统都是通过有线与无线相结合的方式，并不是一个全无线的系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统。本系统能实时监测井下瓦斯浓度与温度、对人员进行定位及生理参数采集，经数据融合以后，向地面主机传输数据，地面主机分析井下数据，若有异常，发出声光报警，并向井下发布紧急疏散命令，以达到预防危险的目的。若发生矿难，则根据人员历史位置信息，进行及时有效的救援。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统，由移动节点、固定节点、网关节点、传输节点、地面主机构成的传感器网络，特征在于：移动节点采集计算的矿工位置信息、监测的生理参数信息，固定节点采集的瓦斯浓度与温度信息，采用树型路由算法，传输给网关节点，然后经传输节点，通过多跳方式传输给地面主机；由多个移动节点与固定节点组成2.4GHz频段网络由多个传输节点组成433MHz频段网络；在2.4GHz和433MHz频段混合无线自组网络的架构上，实时采集井下环境信息(瓦斯、温度)和井下人员生理信息(脉搏、体温)，能及时向井下人员发布紧急避险信息，并能对井下人员进行区域位置的实时跟踪；地面主机收集井下采集的数据，显示实时数据与历史数据，实施危险信息声光报警，并能向井下发布紧急避险信息。

上述的2.4GHz频段网络的路由协议采用树型路由协议，传输数据至网关节点。

上述的433MHz频段网络通过多跳方式把数据传输至地面主机。

上述的网关节点通过串口传输的方式连接2.4GHz网络与433MHz网络。

上述的移动节点由矿工携带，带有体温传感器，脉搏传感器，负责监测矿工体温和脉搏信息，并根据固定节点位置计算出矿工的位置，不负责转发任务。

上述的固定节点以固定位置放置于煤矿巷道内，带有瓦斯传感器，温度传感器，负责采集周围的瓦斯浓度和温度信息，并充当信标作用，以便移动节点完成定位，自身承担转发任务。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点是显著优点：本发明含有2.4GHz与433MHz频段混合组网，能将数据通过串口，传输于地面主机，从而能通过预警软件可以实时查看员工区域位置、员工生理参数信息、煤矿瓦斯浓度和温度信息，并且把数据存入数据库中。一旦数据异常，预警软件就发出声光报警，并提示危险原因及危险位置，井上监控人员可以立即发布紧急命令至井下，以达到预防危险目的。若发生矿难，则能根据井下人员历史位置信息，进行及时有效救援。

附图说明

附图1为总体结构示意图；

附图2为无线传感器节点基本构成图；

附图3为树形路由示意图；

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

参见图1，本基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统，系统网络由多个移动节点1与固定节点2组成的2.4GHz频段网络、多个传输节点4组成的433MHz频段网络、连接2.4GHz频段网络与433MHz频段网络的网关节点3和井上主机5组成。移动节点1安装于矿工矿帽内，带有体温传感器、脉搏传感器和警报蜂鸣器。移动节点1每隔一段时间向周围固定节点2发送定位信息，固定节点2收到移动节点信息以后，首先判断是何种信息类型，如果是定位信息，则返回一信息，移动节点1收到周围固定节点2返回的信息计算出自己的位置，并把计算出的自身位置信息与监测的体温和脉搏信息一起，上传至井上主机。固定节点2布置于煤矿巷道内，每隔15米-20米放置，带有瓦斯传感器、温度传感器和警报蜂鸣器，负责煤矿环境参数的监测、充当2.4GHz频段网络的传输节点、充当定位信标点。移动节点1和固定节点2共同组成2.4GHz频段网络，完成了对巷道区域人员定位、区域环境参数的监测的任务。考虑到2.4GHz网络传输距离较短，而井下巷道和主井狭长的特点，采用传输距离较远的433MHz频段节点来完成对数据的传输任务。传输节点4布置于不考虑定位的狭长巷道与主井内，每隔100米-200米放置，不带有传感器，只负责数据的传输。网关节点3为双频节点，用于连接2.4GHz频段网络与433MHz频段网络。为减小通信数据量，网关节点3对2.4GHz频段网络的传输数据，经过数据融合后，再发送至433MHz网络。井上主机5收到数据以后，实时显示并存储，对数据进行分析，发现数据异常，则发送避险信息，避险信息通过无线传输至对应的节点，对应的节点通过警报蜂鸣器，通知井下人员紧急撤离。

参见图2，无线传感器网络基本构成模块为：电源模块、处理器模块、无线收发模块和传感器模块。其中，电源模块都是采用干电池。移动节点1和固定节点2的处理器模块采用ATmega128单片机，它是一款基于AVR内核，采用先进的RISC结构，低功耗COMS单片机。无线收发模块采用CC2420无线收发芯片，它是Chipon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器，工作于ISM免费频带上，符合欧洲EIEN 300 328、EN 300 440class2，美国FCC CFR47 15部分标准和日本ARIB SD--T66标准。它具有良好的性能，满足传感器节点功耗低、成本低、体积小等硬件条件，应用非常广泛。本发明中CC2420芯片主要用于收发无线数据，形成网络拓扑结构；提供节点物理层、MAC层的网络协议栈，维护不同节点之间的通信；为井下无线定位提供RSSI测距基础等。移动节点1带有体温传感器和脉搏传感器，固定节点2带有瓦斯传感器和温度传感器。传输节点3的处理器模块采用LPC2214芯片，它是一种基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并带有256KB嵌入的高速片内Flash存储器。无线收发模块采用CC1100无线收发芯片，它是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计，电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM和SRD频率波段。网关节点3为双频节点，它为以上两种频段网络节点的结合，通过串口线连接，以完成两种不同频段网络的连接。

图3为树形路由示意图，1号节点为根节点，2号节点为1号节点子节点，同时2号节点又是3号节点和4号节点的上级节点，3号节点又有5号节点和6号节点2个子节点，以此类推。节点只能与自己的直接上级或直接下级节点进行数据通信，而与其它节点不进行通信。本发明中采用的路由协议，是一种先应式路由，每个节点通过周期性广播HELLO分组，来维护一个路由表，该路由表中含自己的上级节点(只有一个)和所有的下级节点，使网络拓扑为树形结构。

当要发送或转发点到点分组时，如果在路由表中有该节点路由，则发给路由表中相应下一跳节点，如果没有，则发给自己的上级节点。

以下为路由建立过程：

(1)根节点1定时发送跳数为0的广播HELLO包

(2)节点2收到后，与节点1建立上下级路由关系

(3)节点2定时发送跳数为1的广播HELLO包

(4)节点3和4与节点2建立上下级路由关系

(5)同样，节点5和6与节点3建立上下级路由关系

上下级路由建立按跳数最小原则，每个节点只和自己邻居节点中跳数标记最小的设为自己的上级。

节点的几种状态：

□DISCONNECTION，断网状态，节点不发消息，可接收其它节点消息，以更新邻居列表

□CONNECTION，正常连接状态，定时发HELLO

□RELOAD，如果和上级节点失去联系或发现环路，同进入重启路由状态

□SILENCE，节点不再发HELLO，只接收其它节点HELLO

关键问题：

□上级节点切换(按距根节点跳数最近原则)

□单向路由判别

□环路判别

□HELLO包中同时含本节点及下级节点采集的数据信息

□HELLO时间自动调整

本网络中的2.4GHz频段网络，采用此树形路由协议，其中固定节点2可以有上级节点和下级节点，移动节点1只有上级节点，而没有下级节点，为树的叶子，只完成人员生理参数的监测和人员定位并向上级传输数据的功能。

本网络定位方案为分布式定位，即每个待测节点收到信标点发来的信息之后，自己计算自己的位置坐标，将这些信息通过Hello包(路由维护包)，经无线信道发给信标点，再由信标点传至上层网关节点，最后在井上的监测系统中实时显示。

利用分布式方案无疑增加了每个待测节点的运算量和能耗，但是相对于集中式方案在定位数据传输上的开销来说就小得多。因为集中式是将每个节点的邻居信息向上层发送，最终由网关节点3甚至是井上的监控中心软件来计算，尽管这样计算精度能够提高，但是通信开销颇大，并且网关节点3会因为传送数据过多，负荷过大，缩短了其生存时间，从而导致整个网络发生瘫痪，而与网关节点3位置较近的节点也会因为通信开销大而过早地消耗完电能，导致整个网络与网关节点3信息交流的中断，无法进行实时定位。在分布式定位方案中，由于待测节点只发送自己的位置，并不将自己周围的信标点的情况进行发送，因此理论上用于定位的通信开销基本是集中式的一半左右。

基于传感器节点功耗低、运算能力不强等硬件限制条件，在实际运用中，考虑到节点的生存时间和定位有效性，势必在算法设计上不能太复杂，应该以满足定位精度要求、简单、快速为前提。很多高精度的迭代运算，矩阵乘，求逆等运算很难在实际节点上进行。

再者，井下煤矿具有其特殊的地形特点：掘进面主要是呈“U”字形，如图1所示，距地表深度也有几十米至上百米，两边的运煤通道长可达几公里，而中间的挖煤坑道实际长度从200～500m不等，宽度则相对比较窄，只有几米。对井下监测而言，容易发生矿难、塌方的地方也就是实际需要定位的区域。因此本发明设计的定位方案是一种一维的区域定位。

Claims (6)

1.一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统，由移动节点(1)、固定节点(2)、网关节点(3)、传输节点(4)、地面主机(5)构成的传感器网络，特征在于：移动节点(1)采集计算的矿工位置信息、监测的生理参数信息，固定节点(2)采集的瓦斯浓度与温度信息，采用树型路由算法，传输给网关节点(3)，然后经传输节点(4)，通过多跳方式传输给地面主机(5)；由多个移动节点(1)与固定节点(2)组成2.4GHz频段网络由多个传输节点(4)组成433MHz频段网络；在2.4GHz和433MHz频段混合无线自组网络的架构上，实时采集井下环境信息(瓦斯、温度)和井下人员生理信息(脉搏、体温)，能及时向井下人员发布紧急避险信息，并能对井下人员进行区域位置的实时跟踪；地面主机(5)收集井下采集的数据，显示实时数据与历史数据，实施危险信息声光报警，并能向井下发布紧急避险信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统，其特征在于：2.4GHz频段网络的路由协议采用树型路由协议，传输数据至网关节点(3)。

3.根据权利要求1所述的一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统，其特征在于：433MHz频段网络通过多跳方式把数据传输至地面主机(5)。

4.根据权利要求1所述的一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统，其特征在于：网关节点(3)通过串口传输的方式连接2.4GHz网络与433MHz网络。

5.根据权利要求1所述的一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统，其特征在于：移动节点(1)由矿工携带，带有体温传感器，脉搏传感器，负责监测矿工体温和脉搏信息，并根据固定节点(2)位置计算出矿工的位置，不负责转发任务。

6.根据权利要求1所述的一种基于2.4GHz与433MHz频段混合组网的井下无线安全监测系统，其特征在于：固定节点(2)以固定位置放置于煤矿巷道内，带有瓦斯传感器，温度传感器，负责采集周围的瓦斯浓度和温度信息，并充当信标作用，以便移动节点完成定位，自身承担转发任务。

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