CN102291851A - 一种矿井实时通讯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井实时通讯方法，旨在提供一种可实现井下作业工业之间以及井上人员与井下作业人员之间进行实时通讯的方法，其包括：在井下设置依次相连的若干基站，并使所述基站与井上的程控交换机建立通讯连接；在井下作业人员身上设置位于基站内并受其所属基站管理和控制的ZigBee移动终端；利用所述基站和ZigBee移动终端构建基于IEEE802.15.4无线网络协议的无线通信网络；各基站和该基站内的ZigBee移动终端之间采用基于IEEE802.15.4无线网络协议进行无线通信。本发明可用于矿井调度和应急救援等。
Description
技术领域
本发明涉及矿井通讯方法，尤其是涉及一种基于IEEE 802.15.4无线网络技术的矿井下人员进行实时通讯的方法。
背景技术
煤炭是我国最为重要的能源资源，近年来煤炭矿井事故频发，安全生产面临着非常严峻的考验。因而，国家矿山安全监察局把矿山应急救援摆上了重要日程，先后组建了矿山救援指挥中心、生产安全应急救援办公室、矿山医疗救援中心、矿山事故救援基地以及矿山救援技术研究中心等矿山安全及应急救援研究体系。矿山救援“十一五”发展规划关于明确指出:我国矿山应急救援存在问题方面包括救援设备落后、通讯信息不畅，远不能适应矿山应急救援的整体需要。而广泛应用信息技术也是加强和改善煤矿安全生产工作的有效手段，所以，推广煤矿信息化技术应用已刻不容缓。
因此，研究煤矿救援通讯方法的设计理论，研究可以快速组网的具有传输语音、灾区环境参数数据等信号的煤矿救援应急通讯技术，实时、准确地把灾区救援过程中的信息传送到井下救护基地和地面救援指挥部以及各级救援指挥中心，对最大限度地降低事故造成的损失、增强煤矿救援决策能力、构建国家快速高效应对体系具有重要意义。
近年来 ，伴随着无线通讯技术的发展和煤矿信息化的要求，无线通讯技术包括SDR(Short Distance Radio，短距离无线通讯)等技术也开始在煤矿安全生产中得到了广泛的应用。但是，现有的矿井通讯方法通常无法快速实现井上人员与井下的作业人员之间以及井下作业人员之间进行实时通讯，影响了矿井的调度和应急救援。
发明内容
本发明为了解决现有技术矿井通讯方法通常无法快速实现井上人员与井下的作业人员之间以及井下作业人员之间进行实时通讯，影响了矿井的调度和应急救援的技术问题，提供了一种矿井实时通讯方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为设计一种矿井实时通讯方法，包括：
在井下设置相连的若干基站，并使所述基站与井上的程控交换机建立通讯连接；
在井下作业人员身上设置位于基站内并受其所属基站管理和控制的ZigBee移动终端；
利用所述基站和ZigBee移动终端构建基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络；
各基站和该基站内的ZigBee移动终端之间采用基于IEEE 802.15.4无线网络协议进行无线通信。
所述ZigBee移动终端与基站之间的无线通讯采用以下拨号协议：所述ZigBee移动终端发起一个通话请求到其所属基站，所述基站收到后回复一个确认，并向目的ZigBee移动终端发送通话请求, 当目的ZigBee移动终端收到后向所述基站回复一个确认；如果目的ZigBee移动终端确认接听，则向所述基站发送一个接听指令，所述基站收到目的ZigBee移动终端发来的接听指令后打开ZigBee移动终端和所述目的ZigBee移动终端之间的通道，并向ZigBee移动终端发送接听确认，而后ZigBee移动终端和所述目的ZigBee移动终端通过所述基站的转发来发送和接收语音包，直到ZigBee移动终端和所述目的ZigBee移动终端中的一方发送关闭通话指令，所述基站向另一方发送关闭通话指令并关闭通道。
所述矿井实时通讯方法还包括每一基站内的各ZigBee移动终端之间的通讯由该基站接续完成。
所述矿井实时通讯方法还包括采用以下方法实现不同基站之间的ZigBee移动终端的跨站呼叫： 一基站内的ZigBee移动终端首先与其所属基站建立连接以交换信令，再通过该基站与程控交换机交换有关信令，程控交换机对所有基站发出选呼信令， 另一基站的ZigBee移动终端接收所述选呼信号，从而实现不同基站之间的ZigBee移动终端的跨站呼叫。
所述矿井实时通讯方法还包括采用以下方法进行ZigBee移动终端所属基站网络的切换： ZigBee移动终端根据其检测到的基站发射信号强度切换ZigBee移动终端所属基站网络。
所述切换方法为：所述ZigBee移动终端先向新基站发送请求加入网络申请，如果新基站允许其加入，就向其回复加入确认，并把其加入网络，当ZigBee移动终端收到加入确认时向原基站发送离网指令离网。
所述ZigBee移动终端检测基站发射信号强度的计算方法为：所述ZigBee移动终端检测到的基站发射信号强度用接收功率P(d)来表示，且P(d) =P(d0) -l0alog(d/d0)；其中，P(d)表示距离基站d处的接收功率，其单位为dbm，P(d0)表示距离基站d0处的接收功率，a为路径损耗指数，通过实际的测量来获得。
所述基站网络切换的条件为：ZigBee移动终端检测到的原基站信号强度P(d)<45dbm，且连续2次检测到新基站信号强度强于原基站。
所述矿井实时通讯方法还包括在各基站内按一定距离设置若干路由器，且使所述路由器加入所述基站和ZigBee移动终端构建的基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络，使所述路由器与基站之间以及路由器与ZigBee移动终端之间采用基于IEEE 802.15.4无线网络协议进行无线通讯。
所述程控交换机与所述基站通过有线连接，所述各基站之间通过RS485电缆连接。
本发明通过设置基站和ZigBee移动终端，利用所述基站和ZigBee移动终端构建基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络；各基站和该基站内的ZigBee移动终端之间采用基于IEEE 802.15.4无线网络协议进行无线通信。因此，只要每个井下作业人员携带一个ZigBee移动终端，如带ZigBee网络模块终端的手机，成为基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络中的一个节点，即可以利用本发明实现井下作业人员之间的实时通讯。由于ZigBee技术具有功率小和通信效率高的优点，非常适合于矿井通道环境使用。同时，由于在井上设置程控交换机，井上人员可通过程控交换机、基站与ZigBee移动终端进行实时通讯，实现井上人员与井下作业人员之间的实时通讯，有利于矿井的调度和应急救援。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明矿井实时通讯方法的硬件构成原理图；
图2是本发明矿井实时通讯方法的流程图；
图3是本发明ZigBee移动终端与基站之间的拨号协议原理图；
图4是无线信号传播理论屏蔽模型的RSSI接收曲线图。
具体实施方式
请参见图1。本发明矿井实时通讯方法主要利用ZigBee技术的实现矿井下人员实时通讯，为矿井下人员信息统计和灾后搜救工作提供了强有力的保障。矿井实时通讯方法的硬件采用井上设置程控交换机、井下设置基站和ZigBee移动终端，利用程控交换机、基站和ZigBee移动终端构件三级小区制矿井调度移动通信系统网络结构。在本具体实施例中，基站包括基站S1、基站S2、基站S3和基站S4，ZigBee移动终端设置在基站内，并受基站管理和控制，如在图1中，在基站S1内设置的ZigBee移动终端Z1和在基站S4内设置的ZigBee移动终端Z4。系统的话务接续与各种调度功能的实现是由基站配合地面的程控交换机来完成的，基站通过有线方式与程控交换机直接相连，各ZigBee移动终端由其所属的小区基站进行管理和控制。基站和ZigBee移动终端构建为基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络，每个井下作业人员携带一个ZigBee移动终端，如带ZigBee网络模块终端的手机，成为基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络中的一个节点，即可以利用本发明实现井下作业人员之间的实时通讯。同时，井上人员可通过程控交换机、基站与ZigBee移动终端进行实时通讯，实现井上人员与井下作业人员之间的实时通讯，有利于矿井的调度和应急救援。
请参见图2，本发明矿井实时通讯方法，包括：
1、在井下设置相连的若干基站，并使所述基站与井上的程控交换机建立通讯连接。
基站与矿井上的程控交换机通过以太网或RS485通信协议进行通信，所述程控交换机与所述基站通过有线连接，所述各基站之间通过RS485电缆依次连接。
2、在井下作业人员身上设置位于基站内并受其所属基站管理和控制的ZigBee移动终端。
ZigBee移动终端可为内置ZigBee技术的手机等各种便携的装置。
3、利用所述基站和ZigBee移动终端构建基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络。
在井下的矿井通道建立基于IEEE 802.15.4无线网络协议通信的无线通信网络。在矿井通道中设置一个或多个具有树状、星状或网状等网络结构的网络，每个网络由一个基站和若干个路由器组成；基站设置在网络的起始端，沿着网络延伸方向按一定的通信距离设置多个路由器，在矿井工作人员身上设置ZigBee移动终端。基站和ZigBee移动终端之间采用自组织网通信方式构成一个组网灵活、通信可靠的网络。路由器在各基站内按一定距离设置，且使所述路由器加入所述基站和ZigBee移动终端构建的基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络，使所述路由器与基站之间以及路由器与ZigBee移动终端之间采用基于IEEE 802.15.4无线网络协议进行无线通信。
4、各基站和该基站内的ZigBee移动终端之间采用基于IEEE 802.15.4无线网络协议进行无线通信。
在基站、路由器与定位器之间采用基于IEEE 802.15.4无线网络协议的ZigBee无线网络进行通信，而基站与矿井上的程控交换机通过以太网或RS485通信协议进行通信。
请参见图3。本发明矿井实时通讯方法的ZigBee移动终端与基站之间的无线通讯采用以下拨号协议： ZigBee移动终端A发起一个通话请求（Dial up）到其所属基站，所述基站收到后回复一个确认，并向目的ZigBee移动终端即ZigBee移动终端B发送通话请求（Call down）, 当目的ZigBee移动终端收到后向所述基站回复一个确认（Up_found）；如果目的ZigBee移动终端确认接听，则向基站发送一个接听指令（Accept），基站收到目的ZigBee移动终端发来的接听指令后打开ZigBee移动终端和所述目的ZigBee移动终端之间的通道，并向ZigBee移动终端发送接听确认，而后ZigBee移动终端和所述目的ZigBee移动终端通过所述基站的转发来发送和接收语音包（Voice），直到ZigBee移动终端和所述目的ZigBee移动终端中的一方发送关闭通话指令（Close），所述基站向另一方发送关闭通话指令并关闭通道。
本发明矿井实时通讯方法的呼叫方式包括如下两种：
1、站内呼
每一基站内的各ZigBee移动终端之间的通讯由该基站接续完成。由于井下调度通信的重点在生产第一线，特别是局部小区范围内工作人员的通信联络占有较大比重。因此，为方便小区基站内的通信联络，基站内各ZigBee移动终端之间的呼叫、通话可由小区基站进行接续完成，而不必通过地面移动程控交换机。这种呼叫方式即为站内呼。
2、跨站呼
当主呼ZigBee移动终端不确知被呼ZigBee移动终端的位置时，采用跨站呼的方式通讯。跨站呼叫采用了“一齐呼”的方式。所谓“一齐呼”的方式是指主呼ZigBee移动终端首先与其所在小区基站建立链接以交换信令，再通过小区基站与程控交换机交换有关信令，由程控交换机指令系统对所有基站发出选呼信令，以确保呼出指令被被呼ZigBee移动终端接受。采用“一齐呼”的方式可解决移动台在网内“漫游”的问题。
不同基站之间的ZigBee移动终端之间的通讯也采用跨站呼的方式：一基站内的ZigBee移动终端首先与其所属基站建立连接以交换信令，再通过该基站与程控交换机交换有关信令，程控交换机对所有基站发出选呼信令， 另一基站的ZigBee移动终端接收所述选呼信号，从而实现不同基站之间的ZigBee移动终端的跨站呼叫。
为了便于实现ZigBee移动终端在各基站之间漫游，本发明矿井实时通讯方法还设置进行ZigBee移动终端所属基站网络的切换的方法，即 ZigBee移动终端根据其检测到的基站发射信号强度切换ZigBee移动终端所属基站网络。具体为：所述ZigBee移动终端先向新基站发送请求加入网络申请，如果新基站允许其加入，就向其回复加入确认，并把其加入网络，当ZigBee移动终端收到加入确认时向原基站发送离网指令离网。
无线信号传播理论模型基本的有三个：自由空间模型(the Free Space Model，FSM)，双向地面反射模型(Two-ray Ground Reflection Model，TGRM)和屏蔽模型(the Shadowing Model，SM )。FSM和TGRM模型通过传播距离的确定性函数来预测接收信号的功率，该模型都把通信范围描述成理想的圆。实际上，由于多径干扰损耗等因素的影响，在某个距离上接收到的信号功率是个随机的值。屏蔽模型则将理想的圆形模型扩展为更合适的统计模型，其传输损耗模型为：
在距离基站d处上接收功率P(d)[dBm]采用距离基站参考点d0的接收信号的强度作为参考，P(d)根据下列式子求得：
P(d)[dBm]=P(d0)[dBm]-l0alog(d/d0)；
其中，P(d)表示距离基站d处的接收功率，其单位为dbm，P(d0)表示距离基站d0处的接收功率；a为路径损耗指数，通常通过实际的测量来获得。下表列举了在不同环境下路径损耗指数的取值情况。
从表中可以看出，在有障碍物阻挡的区域，路径损耗指数a比较大，说明了接收到的信号功率随着传输距离延伸而迅速下降。
采用无线信号传播理论模型虽然没有经验模型精确，但可以节省费用，不必在实际应用中通过大量的测试来建立节点的位置和信号强度关系的离线数据库，当基站移动变换时也无需重新计算参数。
请参见图4，该图揭示了 屏蔽模型的RSSI(Received Signal Strength Indication接收的信号强度指示)接收曲线图，其中纵坐标表示RSSI接收信号强度，横坐标表示距离。从图中可以看出当接收节点离信号源节点比较近时，实际测得的信号功率与理想值误差较小，其误差绝对值随着通信距离的增长，误差也越来越大。同理，在移动终端加入一个网络后，随着位置的变化，可能出现离原分站太远导致信号不好的情况，如果附近有其他的基站能提供更好的信号，需要切换网络，这就涉及小区切换了。
本发明ZigBee移动终端检测基站发射信号强度的计算方法采用屏蔽模型来计算，即：所述ZigBee移动终端检测到的基站发射信号强度用接收功率P(d)来表示，且P(d) =P(d0) -l0alog(d/d0)；其中，P(d)表示距离基站d处的接收功率，其单位为dbm，P(d0)表示距离基站d0处的接收功率，a为路径损耗指数，通过实际的测量来获得。
基站网络切换的条件为：ZigBee移动终端检测到的原基站信号强度P(d)<45dbm，且连续2次检测到新基站信号强度强于原基站。需要同时满足以上2个条件时，才发生小区切换。切换过程：ZigBee移动终端先向新基站发送请求加入网络申请，如果新基站允许其加入，就向其回复加入确认，并把其加入网络，当ZigBee移动终端收到加入确认时向原基站发送离网指令离网。
本发明通过设置基站和ZigBee移动终端，利用所述基站和ZigBee移动终端构建基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络；各基站和该基站内的ZigBee移动终端之间采用基于IEEE 802.15.4无线网络协议进行无线通信。因此，只要每个井下作业人员携带一个ZigBee移动终端，如带ZigBee网络模块终端的手机，成为基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络中的一个节点，即可以利用本发明实现井下作业人员之间的实时通讯。由于ZigBee技术具有功率小和通信效率高的优点，非常适合于矿井通道环境使用。同时，由于在井上设置程控交换机，井上人员可通过程控交换机、基站与ZigBee移动终端进行实时通讯，实现井上人员与井下作业人员之间的实时通讯，有利于矿井的调度和应急救援。
本发明利用IEEE 802.15.4无线网络技术实现矿井下人员实时通信，从而为矿井作业提供了便利，并为灾后搜救工作提供了强有力的保障。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种矿井实时通讯方法，其特征在于包括：
在井下设置相连的若干基站，并使所述基站与井上的程控交换机建立通讯连接；
在井下作业人员身上设置位于基站内并受其所属基站管理和控制的ZigBee移动终端；
利用所述基站和ZigBee移动终端构建基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络；
各基站和该基站内的ZigBee移动终端之间采用基于IEEE 802.15.4无线网络协议进行无线通信。
2.根据权利要求1所述的矿井实时通讯方法，其特征在于：所述ZigBee移动终端与基站之间的无线通讯采用以下拨号协议：所述ZigBee移动终端发起一个通话请求到其所属基站，所述基站收到后回复一个确认，并向目的ZigBee移动终端发送通话请求, 当目的ZigBee移动终端收到后向所述基站回复一个确认；如果目的ZigBee移动终端确认接听，则向所述基站发送一个接听指令，所述基站收到目的ZigBee移动终端发来的接听指令后打开ZigBee移动终端和所述目的ZigBee移动终端之间的通道，并向ZigBee移动终端发送接听确认，而后ZigBee移动终端和所述目的ZigBee移动终端通过所述基站的转发来发送和接收语音包，直到ZigBee移动终端和所述目的ZigBee移动终端中的一方发送关闭通话指令，所述基站向另一方发送关闭通话指令并关闭通道。
3.根据权利要求1所述的矿井实时通讯方法，其特征在于：所述矿井实时通讯方法还包括每一基站内的各ZigBee移动终端之间的通讯由该基站接续完成。
4.根据权利要求1所述的矿井实时通讯方法，其特征在于：所述矿井实时通讯方法还包括采用以下方法实现不同基站之间的ZigBee移动终端的跨站呼叫： 一基站内的ZigBee移动终端首先与其所属基站建立连接以交换信令，再通过该基站与程控交换机交换有关信令，程控交换机对所有基站发出选呼信令， 另一基站的ZigBee移动终端接收所述选呼信号，从而实现不同基站之间的ZigBee移动终端的跨站呼叫。
5.根据权利要求1所述的矿井实时通讯方法，其特征在于：所述矿井实时通讯方法还包括采用以下方法进行ZigBee移动终端所属基站网络的切换： ZigBee移动终端根据其检测到的基站发射信号强度切换ZigBee移动终端所属基站网络。
6.根据权利要求5所述的矿井实时通讯方法，其特征在于：所述切换方法为：所述ZigBee移动终端先向新基站发送请求加入网络申请，如果新基站允许其加入，就向其回复加入确认，并把其加入网络，当ZigBee移动终端收到加入确认时向原基站发送离网指令离网。
7.根据权利要求5所述的矿井实时通讯方法，其特征在于：所述ZigBee移动终端检测基站发射信号强度的计算方法为：所述ZigBee移动终端检测到的基站发射信号强度用接收功率P(d)来表示，且P(d) =P(d0) -l0alog(d/d0)；其中，P(d)表示距离基站d处的接收功率，其单位为dbm，P(d0)表示距离基站d0处的接收功率，a为路径损耗指数，通过实际的测量来获得。
8.根据权利要求7所述的矿井实时通讯方法，其特征在于：所述基站网络切换的条件为：ZigBee移动终端检测到的原基站信号强度P(d)<45dbm，且连续2次检测到新基站信号强度强于原基站。
9.根据权利要求1所述的矿井实时通讯方法，其特征在于：所述矿井实时通讯方法还包括在各基站内按一定距离设置若干路由器，且使所述路由器加入所述基站和ZigBee移动终端构建的基于IEEE 802.15.4无线网络协议的无线通信网络，使所述路由器与基站之间以及路由器与ZigBee移动终端之间采用基于IEEE 802.15.4无线网络协议进行无线通讯。
10.根据权利要求1所述的矿井实时通讯方法，其特征在于：所述程控交换机与所述基站通过有线连接，所述各基站之间通过RS485电缆连接。
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