CN102323566A - 矿井设备的无线定位方法和液压支架喷雾降尘控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿井设备的无线定位方法和液压支架喷雾控制方法，采用基于无线数据信号强度值来实现定位，液压支架上的无线模块与采煤机上的无线模块分布在两条平行的直线上，构成一个基于Zigbee无线定位技术的通讯网络，成功组网后，经过简单的握手应答后采煤机上的B节点开始每隔几百ms不停的发射广播数据，离它较近的液压支架上A类节点收到该数据并获取B节点地址后，对接收数据的信号强度值进行处理，然后分组点对点的将信号强度值返回给B节点，由其来计算行进位置。另外，利用无线ZigBee通信在对采煤机精准定位的同时，可以实现采煤机定位之处液压支架的自动喷雾降尘控制，避免了采用红外收发技术容易受粉尘、设备、人体等遮挡而丧失功能的缺陷。

Description

矿井设备的无线定位方法和液压支架喷雾降尘控制方法

技术领域

本发明涉及一种矿井设备的无线定位方法和液压支架喷雾降尘控制方法。

背景技术

煤矿行业是我国经济体系中极为重要的支柱性能源产业，但我国煤炭资源开采条件与一些拥有先进技术的采煤大国相比，却属于中等偏下水平，而可供露天开采的矿资源极少，大部分煤田属于井下开采作业，其条件较为复杂，由于煤矿安全措施设备的陈旧老化及安全设施的不足，在出现矿井事故的时候，往往造成大量的人员及财产损失，煤矿的安全问题亟待解决。

目前，矿井设备的定位大多采用红外的方式，这种方法的弊端是红外收发受角度局限，偏离一定角度将接收不到信号；另外，红外光线无法穿透，中间不能有障碍物，也就是不能穿墙而过，容易受粉尘、设备、人体等遮挡而丧失功能，几乎无法控制信息传输的进度，传输距离通常只有3-10m。

另外，近几年开始出现针对矿井人员的定位，这种定位采用了RFID射频识别技术。RFID即无线射频识别，又称电子标签，这种定位方法是在井下一些关键或人经常出入的位置放上若干个读写器用于接收，在矿工身上装上射频卡(电子标签)用于发射，当人经过某个放置读写器的位置时，读写器会收到射频卡发出的无线信号，从而判定出人在某一区域。但是这种无线射频卡来实现人员定位的其中一个局限是定位精度很低，只能达到十几米或几十米，实际应用当中，会在几十米或上百米装一个读写器；其次，成本也是RFID推广应用的“瓶颈”之一，对于不同功率以及不同性能的RFID系统，其读写距离不同，电子标签产品的价位也大不相同，在巷道密集的井下，投资成本比较大；另外，RFID标签的准确识别率目前只有80%左右，在情况复杂的矿井环境下，准确识别离大规模实际应用所要求的成熟程度尚有一定差距。

Zigbee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，相对现有的各种通信技术，Zigbee技术将是最低功耗和成本的技术之一，以2.4GHz为主要频段，采用扩频技术。通过检索可知基于无线ZigBee技术来实现无线数据通信的应用很多，技术也比较成熟。而利用这种无线接收信号强度来实现定位的应用极少，而且定位效果较差，具有如下缺点：第一，这种无线ZigBee定位需要建立一种无线网络，如图1所示，参考节点与定位节点要形成一个网状包围结构，受网络拓扑结构的局限；第二，基于无线ZigBee网络定位，其精度仍然受无线接收数据强度值本身具有的波动性限制而存在较大的误差，目前市场上存在的效果最好的定位精度也只能达到3米左右，而且还是在地面情况比较好的条件下，矿井设备采用这种方式实现精确定位的还没有。

另外，现在的矿井液压支架都具备喷雾降尘功能，设置有喷头、喷嘴，每组液压支架设置红外信号接收器和控制系统，在移动工作的采煤机上设置红外信号发射器，当采煤机移动至某一位置时，工控机控制相应位置处的电动阀打开，并在行进中打开下一组电动阀，且通过相应的控制主机自动关闭正在工作的前一组电动阀，但是由于红外收发技术容易受粉尘、设备、人体等遮挡而丧失功能，因此，这种喷雾控制方式有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿井设备的无线定位方法，以解决现有定位系统容易受干扰、定位精度低的问题，同时提供一种液压支架喷雾降尘控制方法。

为实现上述目的，本发明提供的矿井设备的无线定位系统的技术方案如下：一种矿井设备的无线定位方法，包括如下步骤：

（1）在沿矿井设备移动方向上间隔设定距离设置的液压支架上安装固定Zigbee无线模块，这些无线模块间隔设置在一条直线上，并与矿井设备移动方向的直线平行，位置固定，称为A类节点；在矿井设备上安装一个移动Zigbee无线模块，该无线模块随矿井设备移动，称为B节点；各固定Zigbee无线模块和移动Zigbee无线模块构成一个基于Zigbee无线定位的通讯网络； 

（2）当B节点随矿井设备前进的同时，不停的广播发送数据包，数据包的数据信息以扇形方式向A类节点发送；

（3）当离B节点移动位置较近的扇形区域内的一部分A类节点收到数据包后，这部分A类节点将收到的B节点的数据的信号强度值返回给B节点；

（4）B节点通过返回的A类节点的信号强度值来判断离哪个A类节点最近，从而判断矿井设备的行进位置。

所述各固定Zigbee无线模块和移动Zigbee无线模块均设有一个屏蔽外壳，所述屏蔽外壳包括周向封闭设置的金属侧壁，屏蔽外壳的一端设有非金属盖板；无线模块上设有一个用于接收、发射信号的天线，所述天线的发射端朝向非金属盖板方向；所述各固定Zigbee无线模块的非金属盖板朝向采煤机方向，移动Zigbee无线模块的非金属盖板正对各固定Zigbee无线模块。

两相邻固定Zigbee无线模块之间的间隔距离为2-5m, 所述采煤机与液压支架的最短距离为1-3m。

本发明提供的液压支架喷雾降尘控制方法的技术方案如下：一种液压支架喷雾降尘控制方法，包括如下步骤：

（1）在沿采煤机移动方向上间隔设定距离设置的液压支架上安装固定Zigbee无线模块，这些无线模块间隔设置在一条直线上，并与采煤机移动方向的直线平行，位置固定，称为A类节点；在采煤机上安装移动Zigbee无线模块，该无线模块随采煤机移动，称为B节点；液压支架上的固定Zigbee无线模块与采煤机上的移动Zigbee无线模块分布在两条直线上，各固定Zigbee无线模块和移动Zigbee无线模块构成一个基于Zigbee无线定位的通讯网络，且各固定Zigbee无线模块与其相应的液压支架上的喷雾降尘装置控制连接； 

（2）当B节点随采煤机前进的同时，不停的广播发送数据包，数据包的数据信息以扇形方式向A类节点发送；

（3）当离B节点移动位置较近的扇形区域内的一部分A类节点收到数据包后，这部分A类节点将收到的B节点的数据的信号强度值返回给B节点；

（4）B节点通过返回的A类节点的数据信号强度值来判断离哪个A类节点最近，从而判断采煤机的行进位置；

（5）B节点通知已确定的最近的A类节点；

（6）该A类节点的无线模块控制两侧相临近的液压支架上的喷雾降尘装置进行喷雾降尘。

所述各固定Zigbee无线模块和移动Zigbee无线模块均设有一个屏蔽外壳，所述屏蔽外壳包括周向封闭设置的金属侧壁，屏蔽外壳的一端设有非金属盖板；无线模块上设有一个用于接收、发射信号的天线，所述天线的发射端朝向非金属盖板方向；所述各固定Zigbee无线模块的非金属盖板朝向采煤机方向，移动Zigbee无线模块的非金属盖板正对各固定Zigbee无线模块。

两相邻固定Zigbee无线模块之间的间隔距离为2-5m, 所述采煤机与液压支架的最短距离为1-3m。

本发明的矿井设备的无线定位方法采用基于无线数据强度值来实现定位，液压支架上的无线模块与采煤机上的无线模块分布在两条直线上，构成一个基于Zigbee无线定位技术的通讯网络，成功组网后，经过简单的握手应答后采煤机上的B节点开始每隔几百ms不停的发射广播数据，离它较近的液压支架上A类节点收到该数据并获取B节点地址后，对接收信号的数据强度值进行处理，然后分组将数据强度值返回给B节点，由其来计算采煤机行进位置。本发明不需要像其它ZigBee网络那样需要参考节点与定位节点要形成一个网状拓扑包围结构来定位，不受网络拓扑结构的局限。

另外，利用无线ZigBee通信在对采煤机无线精准定位的同时，可以实现采煤机定位之处液压支架的自动喷雾控制，避免了采用红外收发技术容易受粉尘、设备、人体等遮挡而丧失功能的缺陷。

无线模块屏蔽外壳的设计可以屏蔽无线发射模块朝两侧的散射程度，能在矿井环境恶劣干扰比较严重的情况下对设备实现精确、稳定、可靠的定位，大大增强了定位精度。

附图说明

图1是现有基于ZigBee无线网络的定位示意图；

图2是本发明矿井设备的无线定位系统的结构示意图；

图3是本发明采煤机的无线定位系统实施例的结构示意图；

图4是无线模块组件的示意图。

具体实施方式

如图2所示为本发明矿井设备的无线定位系统的示意图，由图可知，该系统包括用于安装在沿采煤机移动方向上间隔设定距离设置的液压支架上的一组固定Zigbee无线模块，这些无线模块间隔设置在一条直线上，并与采煤机移动方向的直线平行，位置固定；还包括用于安装在采煤机上的一个移动Zigbee无线模块，该无线模块随采煤机移动；各固定Zigbee无线模块和该移动Zigbee无线模块构成一个基于Zigbee无线定位的通讯网络；移动Zigbee无线模块在行进过程中发送数据信息，各固定Zigbee无线模块用于接收移动Zigbee无线模块发送的数据信息并将接收到的数据的信号强度值返回给移动Zigbee无线模块进行处理。本发明两相邻固定Zigbee无线模块之间的间隔距离为2-5m, 所述采煤机与液压支架的最短距离为1-3m。

本实施例的矿井设备以采煤机为例进行说明，如图3所示为本发明采煤机的无线定位系统实施例的结构示意图，其无线定位方法的步骤如下：

（1）在沿采煤机移动方向上一排几十米至上百米的矿井设备液压支架上每隔3米放置1个固定Zigbee无线模块(每台液压支架宽1.5米)，这些无线模块间隔设置在一条直线上，并与采煤机移动方向的直线平行，位置固定，称为A类节点，编号为A1、A2…A30(可能更多)。在采煤机上安装1个移动Zigbee无线模块，该模块位置移动未知，称为B节点，B节点与离它最近的A类节点的直线距离1-3米，两相邻A类节点距离为3米，即每两部液压支架上安装1块A类节点；液压支架上的固定Zigbee无线模块与采煤机上的移动Zigbee无线模块分布在两条直线上；

（2）当B节点随采煤机前进(直线L)的同时，不停的广播发送数据包，数据包的数据信息以扇形方式向A类节点发送；

（3）当离B节点位置较近的扇形区域内的一部分A类节点收到数据包并获取B节点地址后，对接收信号的数据强度值进行处理； 

（4）然后这部分A类节点分组点对点的将数据信号强度值返回给B节点，B节点通过返回的数据信号强度值来判断离哪块A类节点最近，由其来计算自身(即采煤机)行进位置。

另外，本发明液压支架喷雾降尘控制系统的实施例中各无线模块的距离设定和原理如上所述，与精确定位的采煤系统相同，利用该矿井设备的无线定位系统的液压支架喷雾降尘控制方法的步骤如下：

（1）在沿采煤机移动方向上一排几十米至上百米的矿井设备液压支架上每隔3米放置1个固定Zigbee无线模块(每台液压支架宽1.5米)，这些无线模块间隔设置在一条直线上，并与采煤机移动方向的直线平行，位置固定，称为A类节点，编号为A1、A2…A30(可能更多)。在采煤机上安装1个移动Zigbee无线模块，该模块位置移动未知，称为B节点，B节点与离它最近的A类节点的直线距离1-3米，两相邻A类节点距离为3米，即每两部液压支架上安装1块A类节点；液压支架上的固定Zigbee无线模块与采煤机上的移动Zigbee无线模块分布在两条直线上；

（2）当B节点随采煤机前进(直线L)的同时，不停的广播发送数据包，数据包的数据信息以扇形方式向A类节点发送；

（3）当离B节点位置较近的扇形区域内的一部分A类节点收到数据包并获取B节点地址后，对接收信号的数据强度值进行处理； 

（4）然后这部分A类节点分组点对点的将数据信号强度值返回给B节点，B节点通过返回的数据信号强度值来判断离哪块A类节点最近，由其来计算自身(即采煤机)行进位置；

（5）B节点通知已确定的最近的A类节点；

（6）由于每个A类节点的无线模块与相应的液压支架的喷雾降尘系统控制连接，确定的离B节点最近的该A类节点控制两侧相临近的液压支架的喷雾降尘装置进行喷雾降尘。

本发明的Zigbee无线模块使用了TI公司的2.4G CC2530无线Zigbee芯片，由于ZigBee无线通信只能在建立无线传感器网络基础上实现无线数据收发，因此设备一上电，节点A1作为协调器建立无线网络，而B节点及A2…A30均作为路由器，当A1网络建立后，离它较近的B节点、A1节点等搜寻到网络后自动加入该网络。因为路由器具有传递网络并允许其它路由器或终端节点加入该网络的功能，因此，成功组建网络后即使B节点离作为协调器的节点A1较远时仍然能通过其它已加入网络的路由器而进入该网络。成功组网后，经过简单的握手应答后B节点开始每隔几百ms不停的发射广播数据，离它较近的A类节点收到该数据并获取B节点地址后，对接收信号的数据强度值进行处理，然后分组点对点的将数据强度值返回给B节点，由其来计算自身(即采煤机)行进位置。

由于本设计原理是基于提取无线数据收发的数据信号强度值并比较来实现定位，而无线接收数据信号强度值本身会随环境等因素而波动变化，因此将制约着无线定位的精度，大量实验结果也证实了这一问题，即当最近的3、4个节点距离相差很小(1-2米)时其信号强度差值不明显或不稳定。因此本实施例将无线模块外设置一个屏蔽外壳，如图4所示，无线模块本体1安装在一个机械屏蔽外壳内，通过无线模块上设的天线接收信号。屏蔽外壳包括周向封闭设置的金属侧壁2，屏蔽外壳的一端设有非金属盖板3，屏蔽外壳的另一端为出线端；无线模块上设有一个用于接收、发射信号的天线，天线的发射端朝向非金属盖板方向。在本实施例中各固定Zigbee无线模块的非金属盖板朝向采煤机方向，移动Zigbee无线模块的非金属盖板正对各固定Zigbee无线模块。

本实施例的天线由两条连杆41和42组成“L”形结构，其中一个连杆为主体信号杆41，其垂直于无线模块本体1，另一个连杆42为信号杆末梢，信号杆末梢与无线模块本体平行且方向背向非金属盖板一侧，主体信号杆透过前方的非金属盖板3发射。另外，屏蔽外壳出线端设有一个金属底板6，底板6上设有出线孔7，底板的外端面于出线孔处设有一个管状出线筒5。

该屏蔽外壳一方面能够满足煤矿防爆要求，另一个很重要的方面就是可以屏蔽无线发射模块朝两侧的散射程度，保证无线发射模块随采煤机行进到液压支架上某个接收模块正前方时，该接收模块数据强度值最强，其两侧接收模块的数据强度值与其差值较大，这样才能在矿井环境恶劣干扰比较严重的情况下对设备实现精确、稳定、可靠的定位。

本发明采用无线ZigBee通信技术，其原理是依据当无线发射功率一定时，无线接收信号强度(RSS，单位dbm)随通信距离的增大而衰减。该原理本身并不复杂，即通过对安装在煤矿设备上的发射模块的发射数据数据强度值的变化进行区分，转换为距离从而实现定位，本发明的适用环境比较特殊，因为液压支架上的无线模块与采煤机上的无线模块分布在两条直线上，这样一来，不需要像其它采用此类原理来定位那样，需要一些已知位置的参考节点建立一个网状拓扑结构。同时，这种适用场合也使得无线模块的屏蔽外壳能够达到最好的屏蔽效果，从而实现了很精准的定位。

另外，利用无线ZigBee通信在对采煤机精准定位的同时，可以实现采煤机定位之处液压支架的自动喷雾控制，避免了采用红外收发技术容易受粉尘、设备、人体等遮挡而丧失功能的缺陷。

Claims (6)

1.一种矿井设备的无线定位方法，其特征在于，步骤如下：

（1）在沿矿井设备移动方向上间隔设定距离设置的液压支架上安装固定Zigbee无线模块，这些无线模块间隔设置在一条直线上，并与矿井设备移动方向的直线平行，位置固定，称为A类节点；在矿井设备上安装一个移动Zigbee无线模块，该无线模块随矿井设备移动，称为B节点；各固定Zigbee无线模块和移动Zigbee无线模块构成一个基于Zigbee无线定位的通讯网络； 

（2）当B节点随矿井设备前进的同时，不停的广播发送数据包，数据包的数据信息以扇形方式向A类节点发送；

（3）当离B节点移动位置较近的扇形区域内的一部分A类节点收到数据包后，这部分A类节点将收到的B节点的数据的信号强度值返回给B节点；

（4）B节点通过返回的A类节点的数据信号强度值来判断离哪个A类节点最近，从而判断矿井设备的行进位置。

2.根据权利要求1所述的矿井设备的无线定位方法，其特征在于：所述各固定Zigbee无线模块和移动Zigbee无线模块均设有一个屏蔽外壳，所述屏蔽外壳包括周向封闭设置的金属侧壁，屏蔽外壳的一端设有非金属盖板；无线模块上设有一个用于接收、发射信号的天线，所述天线的发射端朝向非金属盖板方向；所述各固定Zigbee无线模块的非金属盖板用于朝向矿井设备方向，移动Zigbee无线模块的非金属盖板正对各固定Zigbee无线模块。

3.根据权利要求1或2所述的矿井设备的无线定位方法，其特征在于：两相邻固定Zigbee无线模块之间的间隔距离为2-5m, 所述矿井设备与液压支架的最短距离为1-3m。

4.一种液压支架喷雾降尘控制方法，其特征在于，步骤如下：

（1）在沿采煤机移动方向上间隔设定距离设置的液压支架上安装固定Zigbee无线模块，这些无线模块间隔设置在一条直线上，并与采煤机移动方向的直线平行，位置固定，称为A类节点；在采煤机上安装移动Zigbee无线模块，该无线模块随采煤机移动，称为B节点；液压支架上的固定Zigbee无线模块与采煤机上的移动Zigbee无线模块分布在两条直线上，各固定Zigbee无线模块和移动Zigbee无线模块构成一个基于Zigbee无线定位的通讯网络，且各固定Zigbee无线模块与其相应的液压支架上的喷雾降尘装置控制连接； 

（2）当B节点随采煤机前进的同时，不停的广播发送数据包，数据包的数据信息以扇形方式向A类节点发送；

（3）当离B节点移动位置较近的扇形区域内的一部分A类节点收到数据包后，这部分A类节点将收到的B节点的数据的信号强度值返回给B节点；

（4）B节点通过返回的A类节点的信号强度值来判断离哪个A类节点最近，从而判断采煤机的行进位置；

（5）B节点通知已确定的最近的A类节点；

（6）该A类节点的无线模块控制两侧相临近的液压支架上的喷雾降尘装置进行喷雾降尘。

5.根据权利要求4所述的液压支架喷雾降尘控制方法，其特征在于：所述各固定Zigbee无线模块和移动Zigbee无线模块均设有一个屏蔽外壳，所述屏蔽外壳包括周向封闭设置的金属侧壁，屏蔽外壳的一端设有非金属盖板；无线模块上设有一个用于接收、发射信号的天线，所述天线的发射端朝向非金属盖板方向；所述各固定Zigbee无线模块的非金属盖板用于朝向采煤机方向，移动Zigbee无线模块的非金属盖板正对各固定Zigbee无线模块。

6.根据权利要求4或5所述的液压支架喷雾降尘控制方法，其特征在于：两相邻固定Zigbee无线模块之间的间隔距离为2-5m, 所述采煤机与液压支架的最短距离为1-3m。

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