CN101505546A - 基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统，包括多种类型的智能无线传感器网络节点、多个井下无线网络骨干路由节点、井下无线传感器网络网关、光纤调制解调器、考勤阅读器、IP网络交换机、网络服务器，数据库中心和监控中心，具有事故发生前的环境监控功能、矿工作业时的定位跟踪功能、对作业矿工的电子考勤功能，以及事故发生后的动态补网功能、井上井下的无线语音呼叫功能、视频监控搜救功能。本发明可以提高煤矿安全生产管理水平、推进煤矿信息化建设、减少煤矿事故发生、加快矿难发生时的搜救进程等，提供了重要的信息化平台，具有极大的应用价值。

Description

基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统

技术领域

本发明涉及煤矿井下安全生产与矿难紧急搜救应用领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统。

背景技术

目前我国是世界最大的产煤国，煤炭资源十分丰富。由于我国矿井自然条件差，生产技术落后，灾害事故频繁，人员伤亡惨重。目前我国煤矿事故死亡人数约占世界矿难总数的80％，百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30倍。当前，我国的煤矿安全形势依然十分严峻，已引起了国家的高度重视。解决各种安全隐患，对事故发生后井下被困人员实施快速搜救，是实现煤矿安全生产状况根本好转，建设和谐社会，减少社会群体性事件的关键一环。除强化制度建设，提高安全生产管理水平以外，将以信息技术为代表的高新技术用于传统煤矿生产的技术改造和提升，是促进煤矿安全生产可持续发展的重要技术保障。

煤矿地理位置偏僻，地质条件复杂，存在瓦斯、火灾、水灾等主要事故源。采用有线网络，不仅布线困难，且投资较大。采用微波等方式，则有覆盖率低，传输距离有限等缺点。在井下利用GPRS/CDMA等无线通信，需要布置相当多的固定基站或无线路由，造价过高且防爆设计不易实现。在矿井出现瓦斯爆炸后，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能，救援人员可能暂时无法直接进入，急需了解井下被困人员的情况，并进行紧急的生命支持与救援。

无线传感器网络具有自组织、高可靠、低功耗的特点，基于无线传感器网络实现对矿井的安全监控和矿难时的紧急搜救是当前矿井应用中的研究热点。2006年11月，英国Exeter大学Camborne矿业学院在英国贸易与工业部的资助下，开展了无线传感器网络技术在矿井中应用课题研究。美国Ohio州立大学也开展了基于无线传感器网络的井下矿工定位跟踪和危险条件监控课题的研究。美国CarnegieMellon大学设立了煤矿定位跟踪系统和基于无线传感器网络的通信系统”研究课题。2006年澳大利亚联邦技术和工业研究机构CSIRO开发了井下实时风险管理系统Nexsys^TM，实现了传感器信息自动捕获、融合和规则分析等功能。加拿大的QuadTech国际有限公司针对采矿业的安全问题，研发了一种双向无线矿山跟踪监控和通讯管理系统iPMine。

在国内，关于煤矿安全生产监控系统的研究正在由原来的有线连接、单一装置的简单系统向无线网络化、实时智能的集成系统发展。中国煤炭科学研究院、中科院等研究机构和有关企业单位相继推出了基于无线射频识别技术RFID、通用分组无线业务GPRS和无线传感器网络等技术的煤矿安全监控系统并进行了相关课题的研究。其中已公开的相关文献如下：

1)中国专利(申请号：200510071144.7)公开了一个基于无线传感器网络的井下定位系统、装置和方法的专利。该系统包括内置于矿灯内的带定位的移动节点、连接有线和无线网络的网关、系统管理中心。涉及的方法有基于射频信号强度的移动节点相对位置定位方法；移动节点和网关结合的精确定位方法；连接井上和井下的有线通信系统，实现移动人员和设备的精确定位方法。

2)中国专利(申请号为02133023.9)公开了一个矿山井下无线感应通讯系统。该系统由主机、中转台和分机组成。中转台与分机之间是无线联络，主机与中转台之间是无线联络。系统的主机安置在调度室、通风科或者值班矿长室，中转台固定在巷道内的适当位置，分机由工作人员携带。矿山井下无线感应通讯系的主机是由发送部分和接收部分组成。中转台是由两个中转机和其中间的一个中继盒组成。分机是由发送部分和接收部分组成。

3)中国专利(申请号为200510043666.6)公开了一个全自动煤矿瓦斯预警防爆系统。该系统是在井下主要巷道和采掘工作面中设置有温度报警器、瓦斯报警器、监视器、灭火器、消防主水管、喷水管和线缆，温度报警器、瓦斯报警器、监视器和灭火器通过控制线与地面监控计算机连接组成预警防爆系统，消防主水管通过磁控阀与喷水管连接，消防主水管与地面高压泵站连接。

4)中国专利(申请号为200510011740.6)公开了一种基于传感器网络的井下语音通信系统、装置及方法。该发明涉及矿井井下通信领域，一种基于无线传感器网络的井下人员移动通信系统、装置和方法。该系统由支持语音通信的移动节点、网关、有线网络以及管理中心组成。方法包括：置于矿灯内的带语音通信的移动节点；移动节点通过网关与地面网络中心通信、移动节点之间相互通信。

5)中国专利(申请号为200410022364.6)公开了一个井下作业人员定位跟踪系统及其方法。该发明为井下作业人员定位跟踪系统及其方法，由井下作业人员随身携带的电子身份牌，是由天线与其连接的接收询问信号和发射编码信号的装置构成，节点收发装置位于坑道沿线上，由天线、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将编码信号输送到位于监测中心的系统主机。

综上所述，对于煤矿井下环境探测与搜救、人员定位与跟踪等问题的研究，在国内外已有部分产品雏形并有部分专利授权，但近几年煤矿事故频发的事实证明，已有的研究成果只是解决了部分问题，还存在很多问题，具体体现在：(1)现有产品所选用的技术手段相对落后；(2)系统涵盖的内容较少，多从个别角度解决煤矿问题，没有一个行之有效的整体解决方案；(3)系统响应实时性不够。(4)对于有些问题的研究有待于进一步深入和发展，如人员定位的精度不够，井下网络的可靠性差等。本发明针对以上问题，从多种功能实现上提出了一种系统解决方案，并借鉴了当前最新的技术手段和科研成果，来解决矿井环境监控和人员搜救问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于矿井环境监控和人员搜救的基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统，该系统为提高煤矿安全生产管理水平、推进煤矿信息化建设、减少煤矿事故发生、加快矿难发生时的搜救进程等，提供了重要的信息化平台，具有极大的应用价值。

为实现上述目的，本发明采样如下技术方案：

基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统，该系统包括：

由网关、路由节点和传感器节点组成的无线传感器网络；

用于接收来自无线传感器网络所传输数据的网络服务器；

用于存储监控中心监控时所需数据的数据库中心；

用于根据网络服务器及数据库中心的数据实时监控、并通过无线传感器网络发送各种指令到传感器节点的监控中心；

所述网关通过光纤调制解调器接入井上的网络交换机，由网络交换机分别接入网络服务器、数据库中心和监控中心；

传感器节点包括：环境传感器节点，用于采集矿井内的环境传感数据，超过阈值时通过无线传感器网络向监控中心发出报警信息；音频传感器节点，用于通过无线传感器网络与监控中心双向语音通信；视频传感器节点，用于采集视频图像数据并通过无线传感器网络传输到监控中心；

定位节点，用于向已知坐标参数的路由节点发出信号，接收路由节点反馈的接收信号强度指示值并通过无线传感网络将其发送到监控中心；

所述监控中心基于接收信号强度指示值实现定位节点的定位；

所述音频传感器节点与定位节点集成到电子标签内由矿工携带。

优选地，该系统还包括考勤单元，所述考勤单元包括考勤阅读器和考勤节点，所述考勤节点被集成到所述电子标签，用于与考勤阅读器基于无线传感器网络进行通信，进行矿工身份验证和考勤。

优选地，该系统还包括抛射节点单元，用于通过机器人动态抛洒传感器节点，重建井下无线传感器网络。

优选地，网关节点包括：

射频单元，用于与路由节点、光纤调制解调器进行射频信号通信；

微控制器单元，用于创建ZigBee协议标准的无线传感器网络，将通过射频单元接收的信号处理后发送到射频单元。

优选地，所述音频传感器节点包括：

无线通信单元，实现微控制器单元与监控中心之间的数据传输；

微处理器单元，用于接收监控中心发送的音频采集、播放或停止指令及音频数据，将从监控中心接收的音频数据发送到音频压缩/解压缩单元，将从音频压缩/解压缩单元接收的音频数据发到监控中心；

音频压缩/解压缩单元，将从AD/DA转换单元接收到的数字信号进行音频压缩，得到压缩后的音频数据并将其发送到微处理器单元，将从微处理器单元接收到的音频数据进行音频解压缩，得到解压缩后的数字信号并发送到AD/DA转换单元；

AD/DA转换单元，将从语音信号单元接收到的音频信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送到音频压缩/解压缩单元，将从音频压缩/解压缩单元接收到的数字信号转换为音频信号，并将所述音频信号发送到所述语音信号单元；

语音信号单元，用于采集音频信号并将其发送AD/DA转换单元，接收AD/DA转换单元发送的音频信号并进行播放；

电源板，用于为音频传感器节点供电。

优选地，所述视频传感器节点包括：

无线通信单元，实现微控制器单元与监控中心之间的数据传输；

微处理器单元，用于接收监控中心发送的视频采集指令，将视频编码单元发送的视频图像数据发送到监控中心；

视频采集单元，用于在微处理器单元接收到视频采集指令后进行视频图像数据采集；

视频编码单元，用于将视频采集单元采集的视频图像数据编码后发送到微处理器单元。

优选地，所述环境传感器包括传感器探头、及通过无线传感器网络与监控中心通信的无线通信单元，所述环境传感器为温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器中的一种或任几种，所述环境传感器节点检测到数据超过阈值时加快上报频率。

优选地，考勤单元还包括：

认证请求单元，用于由所述考勤考阅读器建立无线传感网络并循环广播认证请求；

接收单元，用于将考勤节点加入无线传感器网络并接收考勤阅读器发送的认证请求；

响应单元，用于在考勤节点为未认证成功状态时响应该认证请求，将考勤节点内存储的认证信息按照协议格式发送给考勤阅读器；

转发单元，用于将考勤阅读器收到认证信息转发给监控中心；

认证单元，用于由监控中心判断认证信息是否是合法信息，若合法，则将认证成功的信息通过无线传感器网络发送给考勤节点；

状态设置单元，用于在考勤节点收到认证成功的信息后，将其状态设置成认证成功状态。

优选地，该系统还包括：

区域划分参数获取单元，用于通过由已知坐标参数的路由节点广播请求报文到其它已知坐标参数的路由节点，将其它已知坐标参数的路由节点反馈的接收信号强度作为区域划分参数并通过无线传感器网络发送到监控中心；

区域划分单元，用于通过监控中心接收的各已知坐标参数的路由节点发送的接收信号强度，进行井下区域划分；

区域定位单元，用于基于定位节点发送的接收信号强度指示值和已划分的井下区域，进行定位节点的区域定位；

精确定位单元，用于根据已知坐标参数的路由节点确定区域和位节点发送的接收信号强度指示值，利用等级序列平面分割方法计算所述定位的坐标参数。

优选地，所述精确定位单元包括：

边界构造单元，用于一个将所有已知坐标参数的路由节点都包括在内的外边界；

子区域划分单元，用于利用参考点间连线的垂直平分线，将外边界内的区域划分为点、边、面三种类型的子区域，并用各子区域几何重心的坐标表示相应子区域的位置；

阶次序列获取单元，用于计算每个子区域的几何重心到已知坐标参数的路由节点的距离，得到相应的阶次序列，所有这些阶次序列构成一个阶次序列表；

定位节点坐标获取单元，用于通过接收定位节点发送的其与已知坐标参数的路由节点的接收信号强度指示值，计算接收信号强度指示值与阶次序列表中每个阶次序列的相关度，并按相关度对阶次序列表中的阶次序列降序排序，选择排名前N位的阶次序列加权计算定位节点的坐标，N为设定的整数。

本发明提出的基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统，可以完成对矿井瓦斯、一氧化碳、氧气、烟雾、温/湿度等环境信息的监控；支持对矿工同时进行定位跟踪，具有较高的定位精度；是“数字化矿山”的一体化综合解决方案，为提高煤矿安全生产管理水平、推进煤矿信息化建设、减少煤矿事故发生、加快矿难发生时的搜救进程等，提供了重要的信息化平台，具有极大的应用价值

附图说明

图1为本发明基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统的架构图

图2为本发明实施例中音频传感器节点的结构图；

图3为本发明实施例中音频传感器节点中的微处理器单元的控制流程图；

图4为本发明实施例中音频传感器节点中的语音模块的控制流程图；

图5为本发明实施例中视频传感器节点的结构图；

图6为本发明实施例中的视频功能程序流程图

图7为本发明实施例中环境传感器节点的结构图；

图8为本发明实施例中环境传感器节点的程序流程图；

图9为本发明实施例中考勤单元进行考勤的流程图。

具体实施方式

本发明提出的基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统，结合附图和实施例说明如下。

本发明基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统包括：

由网关、路由节点和传感器节点组成的无线传感器网络；

用于接收来自无线传感器网络所传输数据的网络服务器；

用于存储监控中心监控时所需数据的数据库中心；

用于根据网络服务器及数据库中心的数据实时监控、并通过无线传感器网络发送各种指令到传感器节点的监控中心；

所述网关通过光纤调制解调器接入井上的网络交换机，由网络交换机分别接入网络服务器、数据库中心和监控中心；

传感器节点包括：环境传感器节点，用于采集矿井内的环境传感数据，超过阈值时通过无线传感器网络向监控中心发出报警信息；音频传感器节点，用于通过无线传感器网络与监控中心双向语音通信；视频传感器节点，用于采集视频图像数据并通过无线传感器网络传输到监控中心；

定位节点，用于向已知坐标参数的路由节点发出信号，接收路由节点反馈的接收信号强度指示值并通过无线传感网络将其发送到监控中心；

所述监控中心基于接收信号强度指示值实现定位节点的定位；

所述音频传感器节点与定位节点集成到电子标签内由矿工携带。

如图1所示，本实施例中，无线传感器网络的通信协议采用ZigBee无线标准，网关启动后创建ZigBee协议标准的无线传感器网络(后面简称ZigBee网络)，路由节点被布置到井下大巷或工作面中，构成井下数据传输的骨干网络。环境传感器节点主要用于探测瓦斯、一氧化碳、氧气、烟雾、温/湿度等矿井环境，被静态布置在骨干网络中，作为无线传感器网络的终端设备定时采样环境传感数据，上报至网关节点，最终到达网络服务器，监控中心通过读取网络服务器中数据与通过无线传感器网络接收的数据，实现环境探测功能。优选地，电子标签置于矿工帽内，由矿工随身携带，该电子标签可以同时实现考勤、定位和语音呼叫功能。矿工带有矿帽作业时，首先在井上通过电子考勤阅读器完成电子考勤功能。进入井下无线传感器网络后，矿帽内的电子标签自动切换并加入到由井下网关创建的ZigBee网络。此时，矿帽节点的定位节点和音频传感器节点启动，在骨干路由节点的辅助下完成定位功能，并支持网络服务器端的语音呼叫，完成和井上的双向语音通信。由于视频图像数据量较大，且ZigBee网络带宽有限，因此视频传感器节点被放置在少数作业人员的矿帽中。诸如在执行搜救任务时，可以将视频传感器节点放置在搜救机器人上，完成事故发生后的图像环境探测。抛射节点单元用于通过机器人动态抛洒传感器节点，重建井下无线传感器网络，探测与定位携带电子标签的幸存矿工，并与之通话和将灾难现场图像传回井上监控中心。井下无线传感器网络网关通过以太网口与光纤调制解调器相连。通过布设光纤完成将井下数据传送至井上的任务。光纤调制解调器通过以太网口接入井上IP网络，与井上IP网络交换机相连。井上监控中心与数据库中心、网络Socket服务器进行通信，用于数据处理、信息监控和指令发送。

传感器数据通过井下无线传感器网络网关经调制解调器后，首先经命令解析软件中间件完成命令和应用层数据报文协议的解析与封装。解析的数据通过Socket网络服务器发送到监控中心。下面详述系统中的各部分结构和控制过程。

1)网关节点

网关节点负责井下系统和井上数据交换，任务繁重，需要功能强大的处理器支持。同时网关作为井下无线传感器网络的Sink节点，须符合ZigBee通信标准才能与路由节点及传感器节点通信，因此本发明的网关节点实现了符合ZigBee标准的软件协议。网关包括：射频单元，用于与路由节点、光纤调制解调器进行射频信号通信；微控制器单元，用于创建ZigBee协议标准的网络，将通过射频单元接收的信号处理后发送到射频单元。

本实施例中网关节点的微控制单元MCU选用的是Freescalei.MX310(ARM11)芯片，射频RF单元选用TI公司推出的一款符合IEEE 802.15.4规范的2.4GHz射频芯片CC2420。CC2420芯片基于SmartRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成，性能稳定且功耗极低，可确保短距离通信的有效性和可靠性。i.MX310通过4线串行外围设备接口SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)接口与CC2420连接，实现读/写缓存数据读/写状态寄存器等。

2)音频传感器节点

本发明中音频传感器节点包括：无线通信单元，用于通过无线传感器网络实现微控制器单元与监控中心之间的数据传输；微处理器单元，用于接收监控中心发送的音频采集、播放或停止指令及音频数据，将从监控中心接收的音频数据发送到音频压缩/解压缩单元，将从音频压缩/解压缩单元接收的音频数据发到监控中心；音频压缩/解压缩单元，将从AD/DA转换单元接收到的数字信号进行音频压缩，得到压缩后的音频数据并将其发送到微处理器单元，将从微处理器单元接收到的音频数据进行音频解压缩，得到解压缩后的数字信号并发送到AD/DA转换单元；AD/DA转换单元，将从语音信号单元接收到的音频信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送到音频压缩/解压缩单元，将从音频压缩/解压缩单元接收到的数字信号转换为音频信号，并将所述音频信号发送到所述语音信号单元；语音信号单元，用于采集音频信号并发送AD/DA转换单元，接收AD/DA转换单元发送的音频信号并进行播放；电源板，用于通过通用接口单元为音频传感器节点供电。

如图2所示，本实施例中音频传感器节点中的微处理器单元选用具有32KB可编程Flash的8位Atmegal128芯片。音频压缩/解压缩单元选用美国“语音系统公司”DVSI的AMBE-2000语音压缩解压缩芯片。该音频芯片是一种运用多带激励语音编码方案进行编码解码的高性能、低功耗的实时语音压缩解压芯片，其压缩率可在2～9.6Kb/s内调节，具有前向纠错FEC、语音激活检测VAD功能和双音多频信号检测功能。AD/DA转换单元的选择对于设计出具有优良语音质量的系统非常关键，本发明AD/DA转换单元选用美国模拟器件公司(ADI)的AD73311芯片，该芯片具有64KHz、32KHz、16KHz等采样频率可选、可变的增益输入以及利用串口传递数据等特性。由于音频压缩/解压缩芯片AMBE-2000和AD/DA转换芯片AD73311的主时钟都为16.384MHz，并且通过配置可以将AMBE2000的语音接口设置成专门与AD73311通信，因此选用AMBE2000和AD73311通信芯片可以方便地完成语音压缩与解压缩的硬件设计，该模块可以兼容多种调制方式与多种数据速率，为实现模块化的多媒体无线传感器网络音频板提供了高度的灵活性。本实施例中，无线通信单元(ZigBee核心板)选用TI CC2430芯片，微处理器单元与ZigBee核心板的芯片采用了通用异步接收/发送装置UART通信方式，波特率采用38400bit/s，8个数据位，1个起始位，1个停止位，停止位为高电平，无奇偶校验。

音频通话功能实现的是井下工作人员与井上监控中心的双向对话。为保证通话质量，本实施例中系统采用点播的方式实现和井下作业人员的通话。具体地，音频通话的软件主要包括两部分，一部分是在微处理器单元Atmegal128上的音频采样和播放程序；另一部分是在无线通信单元CC2430上的通信程序。ATmega128主要负责控制音频压缩解压缩单元芯片的采样与播放，无线通信单元CC2430的主要功能是接收和发送音频数据。

图3所示为本实施例中音频采样和播放程序流程图。微处理器单元ATmega128的主要功能是控制音频压缩/解压缩芯片AMBE2000和AD/DA转换单元AD73311，包括初始化AMBE2000和AD73311的工作状态，控制AMBE2000采集压缩音频数据，控制AMBE2000播放音频数据，控制AMBE2000休眠及唤醒。ATmega128还负责和无线通信单元CC2430交互信息，包括接收语音控制命令，将压缩后的音频数据传递给CC2430等。音频控制命令包括：

AUDIO_START：启动命令，音频模块开始采样音频信息；

AUDIO_STOP：停止命令，音频模块停止采样，进入休眠；

AUDIO_DATA：请求播放命令，音频模块准备播放随后到来的音频信息。

上述音频模块是指本实施例中的微处理器单元、音频压缩/解压缩单元、AD/DA转换单元和语音信号单元。

ATmega128交给CC2430的音频数据按照协议要求，首先要通知CC2430准备接收音频数据，然后再把准备好的音频数据发送给CC2430。

图4为无线通信单元音频呼叫通信程序流程图。CC2430的主要功能是接收来自监控中心的指令，并解析指令报文，然后根据指令完成相应的操作。这些指令包括启动音频模块、停止音频模块以及播放音频信息。在CC2430的音频程序中，CC2430首先是等待命令，当命令到来后，对命令进行解析，根据命令采取相应的操作，如启动或停止音频模块。

为解决可能存在的无线通信数据包乱序和数据丢失问题，本实施例中首先将音频数据进行缓存，以保证播放顺序的正确性。缓冲区采用双链表的结构，每一链表中包含了音频数据，以及数据包的顺序，当来了一包序号为N的音频数据时，将其插入缓冲区，插入的原则为：如果小于链表头顺序，直接抛弃；如果大于链表尾顺序，直接插入链表的尾；如果在头尾之间，从尾搜索(一般来说新来的报文应该更应该排在链表的尾部)直到发现有大于某个顺序的一链，则插入在其后。音频数据是分包到达的，在CC2430上完成数据包的缓冲和顺序调整后才会通知ATmega128准备接收音频数据，然后将链表缓冲区的第一包数据发送给ATmega128。当ATmega128从CC2430接收到一包音频数据后，交给AMBE2000解压并由语音信号单元播放，当这一包数据播放完成后，ATmega128会通知CC2430已经播放完毕，并请求CC2430发送下一包数据。

3)视频传感器节点

本发明中视频传感器节点包括：无线通信单元，经通用接口单元连接微控制器单元，实现微控制器单元与监控中心之间的数据传输；微处理器单元，用于接收监控中心发送的视频采集指令，将视频编码单元发送的视频图像数据发送到监控中心；视频采集单元，用于在微处理器单元接收到视频采集指令后进行视频图像数据采集；视频编码单元，用于将视频采集单元采集的视频图像数据编码后发送到微处理器单元；电源板，通过通用接口单元为视频传感器节点供电。

图5为本实施例中视频传感器节点结构图。节点由无线通信单元(ZigBee核心板)，微处理器单元、视频编解码单元、外扩RAM、摄像镜头、电源板及通用接口单元组成。其中ZigBee核心板中选用CC2430芯片，微处理器单元选用ATmega128单片机，ATmega128的主要功能包括初始化压缩芯片ML86410和摄像镜头以及和CC2430通信，进行命令以及数据的传输。视频编码芯片选用ML86410，ML86410是一款能实时的将YUV格式的视频数信号编码成MPEG-4-ASP格式的大规模集成电路(LSI)。ML86410通过独特的高速、高质量运动寻找方法和编码率控制方法，能够获得很高的图片质量。摄像镜头选用OV7660，OV7660是一款低电压的CMOS图像传感器，该芯片可以在很小的封装下提供一个单芯片的VGA照相机和图像处理器的全部功能。OV7660可以提供三种图像格式，通过SCCB接口控制输出方式。OV7660的在VGA格式下最高帧速率可达30帧每秒。包括曝光控制、灰度系数、白平衡、颜色饱和度和色调等在内的所有图像处理功能都可以通过SCCB接口进行编程控制，在光线不足情况下具有较高灵敏度。外扩RAM选用的是MD56V62320芯片。MD56V62320是4-Bank×522，288-Word×32-bit同步动态RAM，工作在3.3V电压下，输入与输出和LVTTL兼容。

视频传输功能实现软件分为ATmega128部分和CC2430部分，其分工和音频通信类似，不同的是音频呼叫功能还需要井下系统播放音频，而视频传输不需要。视频传输只要将井下的情况传输给监控中心，在监控中心通过解码软件播放即可。图6为视频传感器节点的视频功能流程图。ATmega128主要负责初始化OV7660和ML86410，OV7660的初始化包括初始化摄像头的工作状态、图像输出格式、拍摄速度(帧/每秒)、工作模式等；ML86410的初始化包括压缩率、输出格式等。同时，ATmega128还要将压缩的视频流缓冲起来，因为即使是最小的一帧的压缩数据，其数据量也要超过300个字节以上，这些数据是不能一次通过ZigBee网络发送出去的，ZigBee网络允许的最大应用支持APS层传输量为80个字节，这其中还要包括协议部分，所以在本发明中，一次发送的APS层数据为70字节，其中包括10个字节的协议，最终每次发送的压缩视频流数据为60个字节。当CC2430处理完一包视频数据后会通知ATmega128数据处理完毕，请求发送下一包数据(如果还有数据)，直到从监控中心接收到停止视频传输的命令，然后通知ATmega128停止摄像、停止数据传输，直到下次监控中心发出再次启动数据传输的命令。

4)环境传感器节点

图7为本实施例中环境传感器节点的硬件构成框图。传感器节点主要包括传感器探头和与通过无线传感器网络与监控中心通信的无线通信单元。此类型传感器包括温度传感器和湿度传感器(以下称温湿传感器)、烟雾传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器和氧气传感器。传感器板包括传感器探头和相应的放大、滤波电路(不同的传感器板对应的电路不同)，传感器板依据传感器最后的输出信号类型不同分别以模拟量，数字量等接口类型与无线通信单元(ZigBee核心板)的MC13213的IO相连。MC13213实现对传感器信息的采样控制和ZigBee通信。电源板为传感器板和核心板提供电源供应。电源板包括稳压电路、充电电路和电源切换电路。ZigBee核心板芯片选用Freescale公司的MC13213处理器。MC13213在9 x 9 x 1mm71引脚LGA封装中集成了低功耗的2.4GHzRF收发器和8位微控制器。其RF收发器工作在2.4GHz ISM频段，与802.15.4标准兼容。收发器包括低噪音放大器，1mW输出功率，带VCO的功率放大器(PA)，集成的发送/接收开关，板内的电源稳压器以及完全的扩展频谱的编码和译码。MC13213中的微控制器是基于HCS08系列微控制器单元(MCU)，具有高达60KB的闪存和4KB的RAM，该芯片支持Freescale公司BeeStack协议栈。

本实施例中温湿度传感器选用SHT11型号，SHT11温湿度传感器具有完全校准的数字输出、低功耗、体积小巧、不需要外部器件、长期稳定等优点，非常适合于在煤矿井下使用。烟雾传感器采用的是型号为TPM-4的空气污染物传感器，其输入电压为DC6V±0.15V；准备状态输入电流为<240mA、正常工作电流<60mA；输入输出端口为TTL电平；输出高低电平最大驱动电流为±15mA；外形尺寸为26.5×12×9.3mm；接口管脚间距为2mm。TPM-4的输出为四个烟雾污染等级，表示四种空气污染度的级别。一氧化碳传感器采用的是型号为NAP-505的气体传感器。NAP-505是一种新的低成本的三电极电化学传感器，测量范围为0～1000ppm。相对于其他的常规传感器，NAP-505具有如下优点：线性输出气体浓度的比例；高重复性；高气体针对性；不受湿度影响；长期稳定输出；低功耗。在20℃、洁净的大气中，NAP-505的基准输出是250nA，但是当环境温度上升时，这个值又变大的趋势。甲烷传感器采用的是型号为TGS2611-B00的传感器，有对甲烷的高选择性，低功耗，体积小，寿命长、成本低，应用电路简单等优点。氧气传感器采用的是型号为O2-A2的氧气传感器。氧气传感器的放大电路采用的是型号为OP-97的高速运算放大器。OP-97仅使用600μA供应电流就能维持型号为OP-07的高速运算放大器的性能，仅是OP-07的1/6。补偿电压是超低的25μV，温度漂移值小于0.6μV/℃。在大部分电路中基本不需要外部补偿修正。

相对于传统的传感器，本发明的环境传感器具有自主数据采集、自主数据处理、自主判断以及自主处理紧急事件的能力，基于事件驱动模型实现对井下紧急事件感知和报警。

以上多种类型的环境传感器，实现了本发明的矿井环境监控功能。图8为本发明的传感器程序的主流程图。传感器节点上电以后首先寻找附近的ZigBee网络，方法就是广播信标帧寻找附近的具有携带ZigBee终端节点能力的、已经处在ZigBee网络中的ZigBee设备，这个设备可以是ZigBee协调器也可路由节点，但不能是其他的ZigBee终端节点。当周围的还具有能允许ZigBee设备加入能力的ZigBee设备收到信标帧请求后会回复给请求设备一些自已的ZigBee网络信息，包括PANID、自己的网络地址、自己在网络中的深度等。当发出请求的ZigBee终端节点收到这些返回信息后会根据一些因素选择加入哪个ZigBee设备并向该设备发出加入请求，报告该设备自已的一些信息，包括自己的IEEE地址以及属于何种设备等。被请求加入的ZigBee设备为其分配一个网络地址，并通知该设备，该设备收到后会通过加入成功报文通知父设备自己收到地址，至此，该设备加入ZigBee网络完成。当ZigBee终端节点加入网路后会上报自己的一些信息，包括自己的IEEE地址和网络地址，通知数据中心更新自已的网络信息，并请求数据监控中心初始化自己的传感器信息。初始化信息包括该ZigBee节点所接入的传感器类型、启动的传感器类型、报警的上限和下限、环境变化率上限、采样周期以及上报周期。这些初始化信息的含义如下：

接入的传感器类型：该信息报告该ZigBee节点所携带的所有传感器类型，因为每个ZigBee节点可携带多种传感器，所以需要告其携带了何种类型的传感器；

启动的传感器类型：该信息报告该ZigBee节点当前需要启动的传感器类型；

报警的阈值：该信息通知的是该ZigBee节点如何处理采集到的环境数据，由上限和下限确定的一个范围成为安全阈值，即环境信息数据在这个范围之外时一定要发出警报。ZigBee节点采集到环境信息时会和这个安全阈值比较，当不在安全阈值之内时，该ZigBee节点会进入紧急状态，通知监控中心发生了何种危险信息；

环境变化率上限：该信息用于判断环境信息变化的速率是否在安全范围之内，以便最快的发现环境中潜在的危险，当环境变化的速率超过上限时，可以认定为矿井环境中已经发生了危险，造成的环境数据的变化率超过了正常的范围；

采样周期：ZigBee节点的采样周期，在该时间确定的范围内采集一次环境信息；

上报周期：ZigBee节点向数据中心报告环境信息的周期。一般来说，上报周期要远大于采样周期，因为采样周期要使智能节点能够快速、准确的了解环境信息。

当ZigBee节点发现采集到的环境数据已超出了正常的范围时，便会进入紧急事件处理状态。在这种状态下，智能节点会加快采样速率，同时加快上报速率，持续的快速的通知监控中心该地区有紧急情况发生。直到监控中心有新的命令到来，通知该ZigBee节点该如何处理。紧急状态的数据具有更高的优先级。本实施例中，发送队列采用的是双链表的结构，对于正常的传感器数据采用顺序发送的原则，而紧急数据应该插入队列的头，优先发送。而正常的传感器报文应该采用顺序发送的原则，每次发送进程都会从队列的头取数据发送。

5)考勤节点

考勤单元包括考勤阅读器和考勤节点，考勤节点被集成到电子标签，用于与考勤阅读器基于无线传感器网络进行通信，进行矿工身份验证和考勤，具体地，考勤单元还包括：认证请求单元，用于由考勤考阅读器建立无线传感网络并循环广播认证请求；接收单元，用于将考勤节点加入无线传感器网络并接收考勤阅读器发送的认证请求；响应单元，用于在考勤节点为未认证成功状态时响应该认证请求，将考勤节点内存储的认证信息按照协议格式发送给考勤阅读器；转发单元，用于将考勤阅读器收到认证信息转发给监控中心；认证单元，用于由监控中心判断认证信息是否是合法信息，若合法，则将认证成功的信息通过无线传感器网络发送给考勤节点；状态设置单元，用于在考勤节点收到认证成功的信息后，将其状态设置成认证成功状态

图9为本实施例考勤功能实现程序流程图。本发明的考勤功能由矿帽中的集成的电子标签中考勤节点和考勤阅读器完成。电子考勤基于ZigBee无线双向通信实现，是射频标签技术(RFID)的替代技术，其通信距离更远。考勤时通过电子考勤阅读器与矿帽上的考勤节点通讯，读取数据库中心的矿工信息，在入口终端显示该矿工的详细信息，具体包括照片、年龄、工作证号等。实现对矿工的作业记录认证。考勤作业在井上完成，带有ZigBee网络功能考勤节点的矿工经过考勤阅读器附近时，该节点会搜索附近的考勤阅读器建立的ZigBee网络。当加入网络后，会收到来自阅读器的循环广播的认证请求。当矿工携带的电子标签收到认证请求后判断自己的认证状态，如果是已经认证成功了，则不再响应该请求；如果认证没有成功，则响应该认证请求，并将自己的信息按照协议格式发送给阅读器，阅读器收到ZigBee设备发来的认证信息后，会将这些信息发送给监控中心，监控中心收到这些信息后会逐条分析，判断该信息是否是合法信息，如果成功，则将认证成功的信息发送给该设备，该设备收到认证成功的信息后，会将自己的状态设置成认证成功，以后不会再响应认证请求。为减少网络的流量，认证成功的ZigBee设备不再响应认证请求。当认证成功后，在一段时间内ZigBee设备的认证状态一直被置为成功。经过一段时间后，这个标志位会被置为未认证。这样当矿工在再经过阅读器时会重新响应认证请求，省去了人工控制，方便了操作。

6)定位节点

本发明的定位功能基于集成有定位节点的矿工电子标签节点和作为参考节点的骨干路由节点实现。在煤矿井下地质条件复杂，存在大量的水汽、粉尘等，实现对井下作业人员、机器人等移动目标的定位存在巨大的技术挑战。GPS定位在井下失效，RFID定位仅能被动地提供区域位置信息。基于作为参考节点的骨干路由节点、ZigBee网络和等级序列平面分割方法可以提高定位精度。

该系统是由以下单元实现定位功能：

区域划分参数获取单元，用于通过由已知坐标参数的路由节点广播请求报文到其它已知坐标参数的路由节点，将其它已知坐标参数的路由节点反馈的接收信号强度作为区域划分参数并通过无线传感器网络发送到监控中心；

区域划分单元，用于通过监控中心接收的各已知坐标参数的路由节点发送的接收信号强度，进行井下区域划分；

区域定位单元，用于基于定位节点发送的接收信号强度指示值和已划分的井下区域，进行定位节点的区域定位；

精确定位单元，用于根据已知坐标参数的路由节点确定区域和位节点发送的接收信号强度指示值，利用等级序列平面分割方法计算所述定位的坐标参数。

精确定位单元包括：边界构造单元，用于一个将所有已知坐标参数的路由节点都包括在内的外边界；子区域划分单元，用于利用参考点间连线的垂直平分线，将外边界内的区域划分为点、边、面三种类型的子区域，并用各子区域几何重心的坐标表示相应子区域的位置；阶次序列获取单元，用于计算每个子区域的几何重心到已知坐标参数的路由节点的距离，得到相应的阶次序列，所有这些阶次序列构成一个阶次序列表；定位节点坐标获取单元，用于通过接收定位节点发送的其与已知坐标参数的路由节点的接收信号强度指示值，计算接收信号强度指示值与阶次序列表中每个阶次序列的相关度，并按相关度对阶次序列表中的阶次序列降序排序，选择排名前N位的阶次序列加权计算定位节点的坐标，N为设定的整数

在具体实施时，定位过程如下：

将骨干路由节点作为参考节点部署在大巷或工作面；

为骨干路由节点指定坐标参数；

作业矿工节点进入大巷或工作面，启动区域定位过程和精确定位过程。

在区域定位时，由固定好的参考节点发起，参考节点直接广播一跳的请求报文，其他参考节点收到后会检测两者之间的接收信号强度RSS，并把结果发送给请求定位的参考节点。请求定位的参考节点收到附近的反馈的接收信号强度后将结果发送到监控中心。监控中心根据这些信息将井下分成若干区域，以方便移动节点的定位。当参考节点的区域划分完成后，就开始等待移动点发出的定位请求。本发明中的定位算法，只有参考节点才会响应定位请求信息。对于移动节点，定时启动定位程序，完成定位功能。移动节点收到来自监控中心的启动定位的指令后，会周期性的广播单跳的请求报文，然后等待参考节点的反馈的接收信号强度指示值，并将收到的反馈信息按照协议格式发送给监控中心。发给监控中心的数据中要包括接收信号强度指示值RSSI，以及该RSSI是来自于哪个参考节点。

区域定位完成后，定位进入精确定位阶段。本发明的精确定位方法基于阶次序列实现，其基本思想是：首先构造一个外边界，将所有参考点都包括在内，然后利用参考点间连线的垂直平分线，将边界内的区域划分为三种类型的子区域，即点、边、面，并用各区域几何重心的坐标表示相应区域的位置。区域划分完成后，计算每个子区域的几何重心到参考点的距离，得到相应的阶次序列，所有这些序列构成一个阶次序列表。对于需要定位的节点，只需测量与参考点的RSSI值，然后计算与阶次序列表中每个序列的相关度，并按相关度对阶次序列表中的序列降序排序，选择排名前N位的序列加权计算定位节点的坐标。

综上所述，本发明实现了一种基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统。系统包括事故发生前的环境监控功能、矿工作业时的定位跟踪功能、对作业矿工的电子考勤功能，以及事故发生后的动态补网功能、井上井下的无线语音呼叫功能、视频监控搜救功能。其中环境监控功能完成了对矿井瓦斯、一氧化碳、氧气、烟雾、温/湿度等环境信息的监控；定位功能支持对矿工同时进行定位跟踪，具有较高的定位精度。本发明是“数字化矿山”的一体化综合解决方案，为提高煤矿安全生产管理水平、推进煤矿信息化建设、减少煤矿事故发生、加快矿难发生时的搜救进程等，提供了重要的信息化平台，具有极大的应用价值。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1、基于无线传感器网络的矿井环境探测与搜救应急响应系统，其特征在于，该系统包括：

由网关、路由节点和传感器节点组成的无线传感器网络；

用于接收来自无线传感器网络所传输数据的网络服务器；

用于存储监控中心监控时所需数据的数据库中心；

用于根据网络服务器及数据库中心的数据实时监控、并通过无线传感器网络发送各种指令到传感器节点的监控中心；

所述网关通过光纤调制解调器接入井上的网络交换机，由网络交换机分别接入网络服务器、数据库中心和监控中心；

传感器节点包括：环境传感器节点，用于采集矿井内的环境传感数据，超过阈值时通过无线传感器网络向监控中心发出报警信息；音频传感器节点，用于通过无线传感器网络与监控中心双向语音通信；视频传感器节点，用于采集视频图像数据并通过无线传感器网络传输到监控中心；

定位节点，用于向已知坐标参数的路由节点发出信号，接收路由节点反馈的接收信号强度指示值并通过无线传感网络将其发送到监控中心；

所述监控中心基于接收信号强度指示值实现定位节点的定位；

所述音频传感器节点与定位节点集成到电子标签内由矿工携带。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括考勤单元，所述考勤单元包括考勤阅读器和考勤节点，所述考勤节点被集成到所述电子标签，用于与考勤阅读器基于无线传感器网络进行通信，进行矿工身份验证和考勤。

3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括抛射节点单元，用于通过机器人动态抛洒传感器节点，重建井下无线传感器网络。

4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述网关节点还包括：

射频单元，用于与路由节点、光纤调制解调器进行射频信号通信；

微控制器单元，用于创建ZigBee协议标准的无线传感器网络，将通过射频单元接收的信号处理后发送到射频单元。

5、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述音频传感器节点包括：

无线通信单元，实现微控制器单元与监控中心之间的数据传输；

微处理器单元，用于接收监控中心发送的音频采集、播放或停止指令及音频数据，将从监控中心接收的音频数据发送到音频压缩/解压缩单元，将从音频压缩/解压缩单元接收的音频数据发到监控中心；

音频压缩/解压缩单元，将从AD/DA转换单元接收到的数字信号进行音频压缩，得到压缩后的音频数据并将其发送到微处理器单元，将从微处理器单元接收到的音频数据进行音频解压缩，得到解压缩后的数字信号并发送到AD/DA转换单元；

AD/DA转换单元，将从语音信号单元接收到的音频信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送到音频压缩/解压缩单元，将从音频压缩/解压缩单元接收到的数字信号转换为音频信号，并将所述音频信号发送到所述语音信号单元；

语音信号单元，用于采集音频信号并将其发送AD/DA转换单元，接收AD/DA转换单元发送的音频信号并进行播放；

电源板，用于为音频传感器节点供电。

6、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述视频传感器节点包括：

无线通信单元，实现微控制器单元与监控中心之间的数据传输；

微处理器单元，用于接收监控中心发送的视频采集指令，将视频编码单元发送的视频图像数据发送到监控中心；

视频采集单元，用于在微处理器单元接收到视频采集指令后进行视频图像数据采集；

视频编码单元，用于将视频采集单元采集的视频图像数据编码后发送到微处理器单元。

7、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环境传感器包括传感器探头、及通过无线传感器网络与监控中心通信的无线通信单元，所述环境传感器为温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、一氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器中的一种或任几种，所述环境传感器节点检测到数据超过阈值时加快上报频率。

8、根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述考勤单元还包括：

认证请求单元，用于由所述考勤考阅读器建立无线传感网络并循环广播认证请求；

接收单元，用于将考勤节点加入无线传感器网络并接收考勤阅读器发送的认证请求；

响应单元，用于在考勤节点为未认证成功状态时响应该认证请求，将考勤节点内存储的认证信息按照协议格式发送给考勤阅读器；

转发单元，用于将考勤阅读器收到认证信息转发给监控中心；

认证单元，用于由监控中心判断认证信息是否是合法信息，若合法，则将认证成功的信息通过无线传感器网络发送给考勤节点；

状态设置单元，用于在考勤节点收到认证成功的信息后，将其状态设置成认证成功状态。

9、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

区域划分参数获取单元，用于通过由已知坐标参数的路由节点广播请求报文到其它已知坐标参数的路由节点，将其它已知坐标参数的路由节点反馈的接收信号强度作为区域划分参数并通过无线传感器网络发送到监控中心；

区域划分单元，用于通过监控中心接收的各已知坐标参数的路由节点发送的接收信号强度，进行井下区域划分；

区域定位单元，用于基于定位节点发送的接收信号强度指示值和已划分的井下区域，进行定位节点的区域定位；

精确定位单元，用于根据已知坐标参数的路由节点确定区域和位节点发送的接收信号强度指示值，利用等级序列平面分割方法计算所述定位的坐标参数。

10、根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述精确定位单元包括：

边界构造单元，用于一个将所有已知坐标参数的路由节点都包括在内的外边界；

子区域划分单元，用于利用参考点间连线的垂直平分线，将外边界内的区域划分为点、边、面三种类型的子区域，并用各子区域几何重心的坐标表示相应子区域的位置；

阶次序列获取单元，用于计算每个子区域的几何重心到已知坐标参数的路由节点的距离，得到相应的阶次序列，所有这些阶次序列构成一个阶次序列表；

定位节点坐标获取单元，用于通过接收定位节点发送的其与已知坐标参数的路由节点的接收信号强度指示值，计算接收信号强度指示值与阶次序列表中每个阶次序列的相关度，并按相关度对阶次序列表中的阶次序列降序排序，选择排名前N位的阶次序列加权计算定位节点的坐标，N为设定的整数。

Images