CN102137511A - 一种地下矿井的无线传感网络系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下矿井的无线传感网络系统及其应用。一种矿用无线传感网络系统，由以下几个部分组成，位于控制室的井上监控系统，广泛分布于矿井巷道内的无线通信基站，粘贴于人员或者设备上的无线标签，环境监测传感器，以及人员无线通信设备。该无线传感网络将矿井人员定位系统，环境监测系统，矿井人员通信系统有机地结合在一个系统中。该无线网络的无线通信基站由电池供电，可以周期性地进行睡眠以减少功耗；基站之间完全通过无线射频通信。网络具有自恢复功能，在部分网络发生瘫痪的情况下，网络基站可以启动路由重建机制。网络具有数据汇聚功能，可以在基站中将接收到的帧进行跨层解析，重新打包，从而获取更高的网络通信效率。

Description

一种地下矿井的无线传感网络系统及其应用

技术领域

矿井无线传感系统，特别是矿井人员定位、瓦斯监控、环境监控、短信通信系统。

背景技术

地下矿井的安全隐患有很多种。瓦斯爆炸是很常见的一种，当瓦斯浓度在特定空间积累到一定程度后，容易被引爆而发生爆炸。透水事故是另外一种，地下水在某些地点积累，可能在矿井作业过程中被打通，涌入巷道，发生事故。还有其他事故，不一一列举。

地下矿井的安全管理有两个方面，一是预防各类事故的发生，二是在事故发生后及时高效地组织救援，减小人员伤亡。为了能够更好的预防各类事故的发生，一套好的环境监测方案必不可少，另外也需要和井下人员实时沟通，也需要实时确定矿工的位置。在发生事故的风险超过一定阈值后，地上指挥人员可以启动预警方案，将人员撤出井下，之后启动排除隐患的机制。在事故发生后，人员定位系统和环境监测系统也可以协助指挥人员确定人员和事故的位置，为下一步救援工作提供可靠的参考数据。

环境监测系统主要包括传感器设备。传感器设备可以监测井下危险气体的浓度、井下温度、湿度、井下其他传感参数等。传感器系统也可以和井下环境控制设备联网，如通风设备等，实现自动化管理。

矿井下的人员定位系统主要是对井下人员的位置进行实时监控。现有的技术方案主要是用有线方式实现一个基站网络，人员携带无线标签和基站进行通信。有线方案成本高，布线复杂，在发生事故后网络不能自动恢复，人工修复的难度很大。现有的技术方案同时也要求有线电源接入基站，既增加了系统成本，又很难维护。

矿井下的人员通信系统是一种和井下人员实时通信的手段。现有的技术方案主要是语音系统，既有有线系统，也包括无线系统。现有系统的主要问题是系统独立，没有和其他系统结合起来，另外通信的带宽很高，多点同时通信的能力低。

本发明提供的解决方案可以将环境监测系统、人员定位系统以及人员通信系统有机结合起来成为一个系统。同时实现了所有基站电池供电。

发明内容

本发明中的矿井无线传感系统由以下几个部分组成，位于控制室的井上监控系统100，广泛分布于矿井巷道内的无线通信基站200，人员或者车辆所携带的无线标签300，环境监测传感器400，人员无线通信设备500，如附图1所示。位于控制室的井上监控系统100通过其无线接口160和井下的无线传感网络连为一体，成为整个网络的一部分。该无线接口可能直接安装于主控计算机上或者通过有线方式延伸到井下。该无线接口的有线连接方式可能是电缆或者光纤。

位于井下的无线传感网络系统的基站200之间通过射频进行无线通信。每个基站的射频可能覆盖多个其他基站。在基站当前的路由不能成功发送数据时，该基站可以启动路由重建机制，获得新的路由信息。这种重建路由机制的方法主要是基站广播路由搜寻信息，它周围的其他基站在收到广播信息后根据自身路由表的情况转发或者直接回复路由信息。

由基站200构成的通信路径是整个矿井无线传感网络系统的骨架。人员或者车辆携带的无线标签300，环境监测传感器400，人员无线通信设备500等都通过这个骨架网络将信息传递。主要的信息流向是井上和井下之间的通信，也可以在井下设备之间进行通信。

基站200由电池供电。系统采集基站的电池容量并实时传送到井上监控系统100。井上系统在电池容量低于特定阈值后，提醒维护人员更换相应基站的电池。

基站200可以周期性的进入睡眠状态，以节省功耗。基站之间传递同步帧，在系统睡眠之前或者睡眠苏醒后校准基站之间的时钟误差，其目的是消除累积误差造成的基站不能同步苏醒。

如附图1所示，无线标签300，环境监测传感器400，人员无线通信设备500在井下的数目可以是许多个。它们可能随机的分布在矿井中，或者布置在特定的区域。

矿井无线传感网络的无线接口的底层通信协议采用国际标准。其中无线个人局域网中的标准是首选。举例来说，IEEE802.15.4的标准是其中一种，可以用在本系统中。另外还有IEEE802.11也可以用在本系统中。特别是IEEE802.11的高带宽特性，可以使得人员通信设备500既可以实现短信功能，也可以实现语音功能。

本发明中的矿井无线传感网络系统将环境监测系统、人员定位系统和人员通信系统连成一体。环境监测传感器400可能为瓦斯传感器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器等。这些传感器被统称为环境监测传感器400。传感器监测到的环境参数通过无线网络传送到井上监控系统100。井上人员实时跟踪各种参数。在某些参数超过阈值时，井上的监控系统100会发出警告信息，提醒井上人员采取必要措施。传感器汇报的参数信息在井上计算机系统里存储起来，可以做历史查询。传感器监测到的环境参数除了可以发送到井上外，也可以通过无线网络直接传送到井下的其他控制设备，比如通风设备等，实现自动化控制。

环境监测传感器400也可能为一种无线照相机。该照相机被安置在矿井的特定位置，周期性地、或者在收到井上监控系统100的命令后，向井上监控系统100发送图片信息。

本发明中的系统能够做到人员和物品的实时定位。无线标签300可以粘贴到人员或者特定物品上。无线标签300周期性的发送身份信息到基站200。基站200收到身份信息后将该信息传递到井上监控系统100。井上系统100通过这些信息判断标签的位置，并实时显示到监控室屏幕上。在紧急情况发生时，可以及时定位井下人员，并做出相应的补救措施。位置的历史信息会存储到数据库系统中。井上人员可以进行历史查询。

本发明中的系统能够做到井下人员之间或者井下和井上的通信。通信的方式主要是短消息。当无线通信的底层协议选用IEEE802.11时，也可以进行语音通信。通信的信息通过无线传感网络传递。本系统可以实现多组同时通信。从通信人员的数量组成来看，本系统既可以实现一对一通信，也可以实现一对多通信。特别是在紧急情况发生时，系统可以广播紧急状态短信到全网络。

在发生紧急状态时，如果部分网络在事故中损坏，本系统能够尝试自动恢复，基站通过自动重建路由来恢复网络。如果损坏很严重，使得部分井下节点被分割，不能恢复通信，井上人员可以携带基站下井，在出问题的位置布置新的基站来连通网络。因为基站全电池供电同时又是无线通信，人为修复网络变得很简单。

井上监控系统100有网络接口和局域网甚至广域网连接起来。系统的运行参数、人员信息、通信状况等都可以通过网络进行访问。这些信息也可以通过广域网让远程计算机获取。矿井上级监管人员因此可以实时监督目标矿的运营。

附图说明

图1是矿用无线传感网络的系统框架图

图2是井上监控系统的组成结构图

图3是基站的组成模块示意图

图4是无线标签的组成模块示意图

图5是监测传感器的组成模块示意图

具体实施方式

附图1是矿用无线传感网络的系统框架图，其组成部分包括：位于控制室的井上监控系统100，广泛分布于矿井巷道内的无线通信基站200，人员或者车辆所携带的无线标签300，环境监测传感器400，人员无线通信设备500。

如附图2所示，井上监控系统100由以下部分组成：主服务器130、大屏幕显示设备110、处理终端120、传感器无线接口160、交换机及网关设备140、远程计算机终端150和局域网计算机终端170。主服务器130是整个系统的核心，包含数据库服务器和处理软件。数据库服务器可能为一台独立的计算机设备，也可以和主控计算机在一起。处理软件包含无线传感网络数据处理模块、数据库接口、人机接口、远程操作服务器等部分。无线传感网络数据处理模块通过传感器无线接口160传送井上的命令和信息到井下，接收井下的信息并反馈给上层软件。矿井下的信息通过该模块转发到处理软件并反映到人机界面上。人机界面的主体是图形用户操作界面，其主体背景是地下矿井的平面图，基站200分布在网络需要覆盖的各个区域。基站200、无线标签300等设备被标示在界面上。井上人员只要查看屏幕就可以了解井下的实时情况。大屏幕显示设备110和处理终端120的界面可能显示同样的内容，也可能显示稍有差异的界面，其中大屏幕显示设备110的主要作用是提供一个放大的矿井实时信息图。

主服务器通过交换机/网关140将整个系统和矿局域网甚至是广域网连接起来。主服务器130的一部分软件是提供一个远程访问的接口。局域网处理终端170和远程计算机终端150通过这个网络接口实时查看矿井信息，调用历史记录，也可以远程管理系统。

如附图3所示，基站200由以下几个部分构成：控制器260，指示灯220，电池280和无线射频接口240。基站的一个显著特点是由电池供电。电池280是本质安全型。指示灯分为红色、绿色、和黄色三种，分别代表紧急撤离、安全、和特殊情况。控制器260是整个基站的核心部分，负责将无线射频接口240传来的信息解析，进行转发，也需要管理指示灯和跟踪电池状态。主要的数据汇聚算法也在这里。当控制器260收到特定的帧以后，即便该帧的网络目的地址不是本基站，控制器260仍然会在应用层里解析此帧，短暂保留此帧，和其他暂存帧比对，重新打包帧，从而获得汇聚后的帧，然后发往网络。举例来说，标签身份帧的目的地址一般都是井上监控系统100，当一个标签身份帧被基站200接收到后，基站200会解析此帧，查看是否有其他标签身份帧在过去的特定时间段内存在，如果是，则合并此身份帧，停留短暂时刻，再以本站为始发地址转发标签身份帧。这样，网络中传递的总帧数目就减少了。

如附图4所示，无线标签300由以下几个部分组成：控制器360，电池380和无线射频接口340。无线标签300周期性地发送身份帧到网络中。无线标签300由电池380供电。控制器360是无线标签300的核心部分，负责构造身份帧，监控电池380状态，和外部网络在必要的情况下进行双向通信。

如附图5所示，环境监测传感器400由以下几个部分构成：控制器460，传感器420，电源480和无线射频接口440。传感器420将被侦测的环境参数转化成电信号传送到控制器460。控制器460处理该信号，通过无线射频接口440传向网络。环境监测传感器400可能由电池供电，也可能由有线电源供电。控制器460是核心，控制传感器420和无线射频接口440的运行，也跟踪电源480的状态。一个环境监测传感器400的例子如下，瓦斯传感器由前端的瓦斯监测模块、单片机控制器、电池和无线射频接口构成。瓦斯监测模块将瓦斯浓度传送到单片机控制器，单片机控制器打包数据发送到网络中，最终传向井上监控系统100。

矿用无线传感网络系统的运行步骤如下：

步骤一，基站200被安放在地下矿井的主巷道及其他需要监控的巷道内，各类固定式环境监测传感器400也安放在井下；

步骤二，系统管理员在井上计算机的地图上标注各基站200和各环境监测传感器400的位置，系统启动运行；

步骤三，系统正常运行，以下各个步骤分别进行：

A、矿井人员或者移动设备粘贴标签300，在进入无线传感网络覆盖的范围后，被网络侦测到，身份信息被传回井上监控系统100，井上监控系统100计算标签的位置，存放到数据库，并将标签的位置信息显示在屏幕上；

B、井下的各环境监测传感器400周期性地或者在接收到井上计算机的命令后，发送被监测参数到网络中；

C、井下的短信设备和井上进行通信，井下的短信设备之间也可以进行短信通信。

步骤四，在井下发生紧急情况后，井上监控系统100显示报警，提醒井上操作人员根据不同的应急响应预案采取应急措施。

Claims (10)

1.一种地下矿井无线传感系统，具有以下特征：至少有一台服务器，位于地上控制室；至少有一台显示设备，位于地上控制室，实时显示井下被监控对象；有多台无线基站分布于矿井巷道内，形成一个互联的传感网络，互相之间可以进行通信；井上服务器直接连接至少一个无线接口和井下的网络连通，成为传感网络的一个成员；有多个移动通信标签，通过无线通信方式和井下基站通信；至少有一个环境监控传感器，通过无线通信方式和井下基站通信，传感器参数通过前述所说的传感网络传递；可能有至少一个无线短信设备，通过无线通信方式和井下基站通信，信息通过前述所说的传感网络传递。

2.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于井下基站由电池供电，基站之间的通信方式是无线通信。

3.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于井下基站具有周期性的睡眠机制以减少基站的电能损耗。

4.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于井下基站具有数据处理功能，能够将接收到的网络信息汇聚，其目的是提高网络的流量。

5.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于井下基站之间的无线传感网络具有自恢复功能，能够在部分网络成员停止工作的情况下，自动搜寻新的路由。

6.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于井上的服务器通过光纤直接连接至少一个无线接口，其具体的组成方式是服务器通过USB、CAN总线或者串口连接一个光纤转换器，再通过光纤连接另一个光纤转换器，该光纤转换器接一个无线接口，和其余基站进行无线通信。

7.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于系统集成了地下矿井人员定位系统、地下矿井人员通信系统和地下矿井环境监测系统。

8.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于井上控制室的服务器软件有数据库在运行，移动通信标签的位置信息、短信息、以及传感器参数信息都可以实时显示，也可以做历史查询。

9.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于井上控制室的软件界面在井下特定情况下提示报警信息，控制室的操作员可以通过软件接口发送紧急疏散命令给井下网络，也可以通过软件接口更改基站指示灯状态来指导井下人员撤离。

10.根据权利要求1所述的无线传感网络系统，其特征在于移动通信标签周期性地发送身份信息帧。

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