CN102720539A - 基于无线技术的矿山人机定位及生产环境监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于无线技术的矿山人机定位及生产环境监测方法，包括建立WIFI+zigbee无线基站，在每个中段隔500米安装一个定位读卡器，用于井下车辆和人员的定位，还包括建立环境监测子系统。本发明的系统能够有效承载人员（车辆）定位信息采集、生产环境监测管理系统的数据交换。数据通讯系统具有传输带宽大、系统延时小（1秒内）、抗干扰能力强等特点。并能够为未来系统扩容预留了足够的支撑能力。

Description

基于无线技术的矿山人机定位及生产环境监测方法

 

技术领域                           

本发明涉及一种矿山人机定位及生产环境监测信息系统，特别是一种基于无线技术的矿山人机定位及生产环境监测方法。

背景技术

随着计算机应用技术的普及和信息化的发展，客户/服务器计算、分布式处理、国际互连网（Internet）、内部网（Intranet）等技术被广泛接受和应用，计算机的联网需求迅速扩大。在诸多计算机联网技术中，无线网（Wireless Network）以其无需布线、在一定区域漫游、运行费用低廉等优点，在许多应用场合有其他联网技术不可替代的作用，而在无线通信技术中，基于扩频技术的计算机无线网具有抗干扰能力强、易于实现码分多址、安全保密、无须申请频率资源等特点，近年来在计算机联网的各个领域都得到了广泛地应用。 

目前可供选择的方案有无线MESH系统和背靠背无线网桥网系统。 MESH网络是在普通无线局域网的基础上发展而来的无线网状技术。它继承了无线网络的基本特点，同时具备组网简单灵活、扩展方便、安装容易等特点，特别适合于公共区域公共用户无线网络接入。然而 MESH 技术需要在各个网络节点做复杂的路由计算，每通过一个节点网络通过性能一般减少 5％。因此，MESH 链路一般要求无线节点不能太多，一般要求低于5个节点。而本系统需要无线链路具备至少30个节点，这大大超出 MESH 网络的要求。同时MESH网络通过30个节点后网络时延将大到难以估量，不能满足语音通信的需求。同时本系统的网络结构是一种固定的网络结构，一旦建成将基本不会改动，这样，MESH网络组网简单灵活、扩展容易的特点根本不能体现。而MESH设备价格更是高于传统无线设备。 

另一方面，现有的矿山人机定位及生产环境监测信息系统，普遍采用光纤数据网络传输信息。因矿山井下巷道结构复杂，湿度较大，有线网络形式施工维护成本较高，系统稳定性差。 

发明内容

本发明旨在提供一种基于无线技术的矿山人机定位及生产环境监测方法，第一、实现包括狭长通道在内的全部主斜坡道覆盖，做到无盲区的全程覆盖，并为将来的业务扩展提供空间。第二、解决狭长矿井内部和外部之间的实时通讯，并实时地将人机身份数据、各种环境采集设备的数据传回控制中心，提高控制中心对井下人员的调度能力和环境分析能力。 

本发明的技术方案如下：

一种基于无线技术的矿山人机定位及生产环境监测方法，其特征在于：

首先，建立无线基站，并由无线基站组成骨干无线数据通讯网络，所述无线基站包括WIFI，zigbee，I/O总线，其中WIFI和zigbee分别与I/O总线通讯；所述骨干无线数据通讯网络分为两个子网络，第一子网络从九曲分矿井口至-670中段光纤接入点；第二子网络从大开头井口点至-670中段，两个网络中间形成环路；而且所述骨干无线数据通讯网络具备两个互相独立无线射频模块的专用设备，其中一个用于本地无线覆盖，另一个用于建立向上无线通道，两者之间以基于二层协议的路由相通；

然后，在每个中段每隔 500米安装一个定位读卡器，用于井下车辆和人员的定位，所述定位读卡器包括I/O板，I/O板上设置有两个zigbee模块，即模块 A和模块 B，采用双频工作模式，实现精确定位与远距离传输，其中模块A负责确定定位范围控制，模块B负责接收身份卡上传信息和转发信息至无线基站；  

最后，建立环境监测子系统，该子系统中，若干个传感器分别通过数据线与ZIGBEE通讯系统相连接，且多个ZIGBEE系统组成无线传输网络；所述传感器通过前置信号调理电路，实现某测点处工作现场环境参数的在线测量，并经 zigbee无线数传模块，将测得的现场环境参数无线传输至现场监控主机。

本发明的积极效果在于：

第一、本发明以井下无线数传子系统作为整个系统的骨干网络，能够有效承载人员（车辆）定位信息采集、生产环境监测管理系统的数据交换。数据通讯系统具有传输带宽大、系统延时小（1秒内）、抗干扰能力强等特点。并能够为未来系统扩容预留了足够的支撑能力。

第二、本发明对井下数据通讯系统采用无线（WIFI+zigbee）基站作为系统骨干数据传输系统。系统布设采用无线（WIFI+ZIGBEE）基站进行井下自愈无线覆盖网络布设，形成高带宽骨干无线数据通讯网，不但满足了定位读卡器、定位中心基站、环境监测仪器等工业设备的接入和数据传输，还可满足 IP 调度指挥通讯、IP 视频监控等大带宽业务需求。在此平台上完全可满足数据、语音、图像的双向传输。 

第三、本发明两个无线射频模块采用桥接模式连接，所以数据处理最少，能够充分保证数据以最快的方式通过，缩短了时间延迟，从而大幅地缩短了每条链路 30 多个设备的积累延迟。每个无线覆盖点的延迟将基本可控制在2毫秒以内，这样系统总延迟将控制在 50×2＝100 毫秒范围内。

第四、本发明车辆定位方法能够确保其他车辆和人员根据信号灯系统采取有效的避让措施，保证了运矿卡车顺利运行，提高了斜坡道运行效率，保障了深部提升任务的完成。能够适应斜坡道车辆众多，运行速度快，以及斜坡道联外口、中段、巷道口众多且分布密集的特点。

第五、本发明生产环境监测管理子系统为全天候 24 小时监控平台，随时掌握各观测点的环境信息，并可通过监控平台向各测点的通风设备发送控制命令，实现生产环境质量的远程调节。

具体实施方式  

下面结合实例进一步说明本发明。

一、建立无线 （WIFI+zigbee）基站，组成链状网络线性传输，所有节点间可互相高速通讯。系统组建后可在井下建立一条末端 10M 带宽的骨干无线数据通讯网络。基站包括WIFI，zigbee，I/O总线，WIFI，zigbee分别与I/O总线通讯。

   系统布设每隔约 500 米放置一台无线（WIFI+zigbee）基站，对于转弯或有明显遮挡位置适当增加基站部署或采用光纤连接过渡 。无线（WIFI+zigbee）基站组成链状网络线性传输，所有节点间可互相高速通讯。系统组建后可在井下建立一条末端 10M 带宽的骨干无线数据通讯网络，在此平台上完全可满足数据、语音、图像的双向传输。 

整个网络分为两个子网络，第一子网络从九曲分矿井口至-670中段光纤接入点；第二子网络从大开头井口点至-670中段，两个网络中间形成环路。每个子网主要采用采用无线组网，在部分大弯道采用光纤将弯道两端进行对接，保证系统运行肯靠及节约投资成本。

为了达到更高的安全级别，无线网络还可以采用 IEEE802.1X 的用户认证方式，定义了用户级认证的新的帧的类型，用户可以借助于企业网已经存在的用户数据库，将前端基于 IEEE802.1X 无线网络的认证转换到后端基于有线网络的 RASIUS 认证。此外，目前已广泛应用于局域网络及远程接入等领域的 VPN（Virtual Private Networking）安全技术也可用于无线局域网络，与 IEEE802.11 标准所采用的安全技术不同，VPN 主要采用 DES、3DES 等技术来保障数据传输的安全。对于安全性要求更高的用户，本发明将现有的 VPN 安全技术与 IEEE802.11b 安全技术结合起来，是目前较为理想的无线局域网络的安全解决方案。 

矿山井下斜坡道背靠背无线网桥网组网设备采用一个具备两个独立无线射频模块的专用设备。由于两个无线射频模块相互独立，其中一个可以用于本地无线覆盖，另一个用于建立向上无线通道。两者之间以基于二层协议的路由相通，将时延降到最小。这样的设备通过无线级联，可以形成一个无线骨干链路，非常适合语音和数据通信的传输，并提供本覆盖点周围客户端的无线接入，满足无缝漫游接入的功能。 

该系统采用的无线背靠背网桥网设备工作在基于二层协议的网桥模式，其工作原理大致如下：每台设备上面的两个无线模块网卡，其一用做链路连接(SU)，另一个用作无线传输与覆盖(AP)。AP接收到客户端如 WIFI 手机或下一级设备返回的数据，经 CPU 处理送入 SU 模块，SU 模块再向上一级设备 AP 发送。每两台 WI-FI 设备间都是保证最高 54Mbps 的网络带宽， 从而保证整个链路带宽不损耗。所有安装的无线设备全部符合 802.11b/g 标准，每台设备能够达到最高 54Mbps 的网络带宽。为了保证无线网络信号强度达到更好的覆盖效果，可考虑在每台设备上加装 10dB 全向吊装天线。 

设备具备两个无线射频模块。两个模块均可独立设定工作模式。本系统中可以方便地将其中一个射频接口设置成无线接入点模式，即可作为本地无线覆盖的接入点，也可对下级设备提供回传链路支持。另一个设备可以设置成无    线客户端模式，通过和上级无线接入点连接，提供无线通信通道。 

设备具备两个本地 RJ45接口。便于设备和其他设备的连接从而更方便地进     行系统功能扩充。设备具备 两个标准 RS232 接口，为 zigbee 定位基站或其他低速率数据采集设备提供接口。设备支持网络桥接模式。桥接模式对通过数据基本不做处理，以减少处理时间，从而保证整个系统的整体时延。

设备支持 multi-SSID 功能。通过 multi-SSID 功能可以对网络内不同应用进行分别管理。例如，可以对 VOIP 接入客户和数据回传通道分别建立不同 SSID，对VOIP采用加密级别较高的方式保证语音通信的安全，而对数据回传通道采用最快的方式保证信道的底延迟特征。 

设备支持漫游功能，保证无线语音客(VOIP手机)能够在漫游发生时不掉线，不会出现通信暂停或延迟问。 

设备采用11g协议，链接速度最大54Mbps，实际传输带宽为20Mbps。考虑到安装环境中小区域多设备的交叉信号干扰，以及小空间内的折射干扰，总带宽可以达到 10Mbps 以上，能够满足客户需求。

设备支持靠墙、报杆等安装模式，以方便安装。

二、井下无轨车辆及人员定位模块

本系统主要针对运矿卡车运行区间对运矿卡车进行即时精确定位，在每个中段每隔 500 米安装一个定位读卡器，用于车辆（人员）精确定位。

车辆定位模块实施是否成功关键点在于是否可以真实即时的将车辆的位置。 

采用卡车自定位方式，卡车根据主斜坡道附近定位读卡器反馈场强信息 （RISS）进行综合计算，得出自身位置坐标，上报给中心系统，系统根据卡车位 置信息触发信号系统规则和通知其他车辆避让。

卡车可以在100ms内完成自身定位，通过光纤环网上传至调度中心，调度中心显示和下发指令灯一系列动作即可在 1 秒内完成。本项功能的实现，可以完全满足矿山井下车辆定位功能需求，也为生产调度提供了强大的技术支持手段。

定位读卡器包括I/O板，I/O板上设置有两个zigbee模块，即模块 A和模块 B。采用双频工作模式，精确定位与远距离传输。模块 A 负责确定定位范围控制，模块 B 负责接收身份卡上传信息，和转发信息至无线基站。  

可室内外安装也可作为手持设备。可根据实际应用区域调节信号覆盖范围。

CAN 总线协议性能指标：

 频率：2.4 GHz-2.488 GHz  免费频段，83个信道32/64 位PN码接收灵敏度：-100dBm 

输出功率：可达 +4dBm ；控制单片机配置：ARM7；内部存储：8M自身通信距离：与卡片可视通讯100米，与中心可视通讯1000米；传输速率：250 kbits/sec，38.4 kps, 19.2kps,…….1.2kps  可设置；直序扩频：DSSS 通信方式，抗干扰力强，保密性高。

高集成度，只有很少分离元器件，可靠性高，低成本；直序扩频可重新设置基带相关系数提供 CAN 总线接口或 RS232 或 RS485  接口；12-MHz  输入时钟运行；休眠电流<  10  μA ；集成  64-bit ；最大接收信号 -20 -6 dBm ；具有测量点电池电压功能 ；工作温度  -40°to 85°C；发射电流：约32mA ；接收电流：约26 mA ；工作电压  1.8 V to 3.6V  (电池供电，或 220  V 电源) 天线类型：外接天线数据速率：250kps（DSSS 模式）1Mps(GFSK 模式)晶振启动时间：1mS；频综稳定时间：100uS；收发转换时间：30uS  (发射 => 接收 & 接收  => 发射)； 模块尺寸：55X24mmx6mm(可根据用户需要尺寸进行设计)；典型应用：数据采集和传输模块，定位系统定位点模块，读写器模块等。 

人员定位识别卡有三种类型：一是人员定位识别卡；二是下井 管理人员、特殊作业人员使用的带有短信和LCD显示的识别卡；三是还有矿车配备的车牌定位识别卡。 

每个识别卡具有系统内唯一性，装在井下人员或车辆设备等移动目标上，通过ZIGBEE技术与基站之间进行双向通讯，基站根据接收到的信号来判断其具体位置，识别卡装有状态灯和微型震动器，并具有低电提示、人车靠近提示等功能。 

管理型识别卡除具有一般识别卡的功能外，还具有短信功能，可以与井上互发短信。一般车辆识别卡和管理型识别卡的区别在于它便于在车辆上安装等。

三、 生产环境监测

生产环境监测子系统由现场采集终端子系统（传感器）、无线数传网络子系统(ZIGBEE)，监测管理平台子系统三部分构成。 

监测数据采集器隔一定时间（0.5s～24h 可设定）向外发送一次监测信息，或由中心软件系统主动下发指令读取，监测数据通过无线上传给本区域无线（中继）收发器，监测数据通过井下无线综合信息平台传送至地表，监测中心软件系统接收后进行存储、计算，并在监控终端 DLP 大屏幕组态显示监测信息。 

若干个传感器分别通过数据线与ZIGBEE通讯系统相连接。多个ZIGBEE系统组成无线传输网络。

现场采集终端子系统选用有缆连接传感器探头，通过前置信号调理电路，实现某测点处

工作现场多参数在线测量，并经 zigbee 无线数传模块，将空气卫生质量参数无线传输至现场监控主机。采集终端主要由传感器、信号调理电路、单片机定时数据采集、模数转换、无线发送和数据存储等功能单元组成。 

现场空气卫生质量采集器： 

丰富的数据采集功能：提供 RS232、RS485、SPI、I2C、PWM 等数字量输出信号，以及工业标准的0～5VDC、4～20mA和各种非标准的如10mV/°C等模拟量输出信号。可灵活地接入各种空气质量传感器。 

无线传输功能：提供 2.4G zigbee 无线数传通道（可视传输距离基本型 300米；增强型 1000 米）；灵活的无线传输功能，避免了布线的困扰，降低系统 建设成本，系统移动性及扩容性很高。 

提供多种本地接入端口：提供本地（RS485/RS232）有线输出端口；增强型可扩容以太网接口。方便为用户提供综合接入方式。 

本地控制端口：系统提供多路 I/O 输出接口，可方便与通风系统、报警系统联动。 

备用电源系统：增强型系统提供备用电池功能，可在外部供电意外断电时，系统仍可持续工作 2～4 小时，并向主监控中心告警，提示管理人员处理。

本地数据存储功能：系统提供本地数据存储功能，当传输系统故障，系统可将数据本地存储，待传输系统恢复时，系统将本地备份数据补偿至中心系统。 

本地显示功能：系统可本地显示当前空气卫生质量参数。 

故障自检告警功能：系统提供自检心跳机制，当系统故障立即向监控中心告警，提示管理人员维护。 

监测数据的传输：井下生产环境实时监测系统包含的环境监测终端分布在井下各个区域，具有设备分散，且每个点较少的特点。 

利用井下无线综合信息平台采用全无线网络传输方案，zigbee无线网络，可非常方便地将所有监测终端进行组网，最大程度地节约系统建设成本，系统建成后维护便利，扩容方便。

Claims (3)

1.一种基于无线技术的矿山人机定位及生产环境监测方法，其特征在于：

首先，建立无线基站，并由无线基站组成骨干无线数据通讯网络，所述无线基站包括WIFI，zigbee，I/O总线，其中WIFI和zigbee分别与I/O总线通讯；所述骨干无线数据通讯网络分为两个子网络，第一子网络从九曲分矿井口至-670中段光纤接入点；第二子网络从大开头井口点至-670中段，两个网络中间形成环路；而且所述骨干无线数据通讯网络具备两个互相独立无线射频模块的专用设备，其中一个用于本地无线覆盖，另一个用于建立向上无线通道，两者之间以基于二层协议的路由相通；

然后，在每个中段隔500 米安装一个定位读卡器，用于井下车辆和人员的定位，所述定位读卡器包括I/O板，I/O板上设置有两个zigbee模块，即模块 A和模块 B，采用双频工作模式，实现精确定位与远距离传输，其中模块A负责确定定位范围控制，模块B负责接收身份卡上传信息和转发信息至无线基站；  

最后，建立环境监测子系统，该子系统中，若干个传感器分别通过数据线与ZIGBEE通讯系统相连接，且多个ZIGBEE系统组成无线传输网络；所述传感器通过前置信号调理电路，实现某测点处工作现场环境参数的在线测量，并经 zigbee无线数传模块，将测得的现场环境参数无线传输至现场监控主机。

2.如权利要求1所述的基于无线技术的矿山人机定位及生产环境监测方法，其特征在于：所述无线基站所采用的无线背靠背网桥网设备工作在基于二层协议的网桥模式，每台设备上面的两个无线模块网卡，其一用做链路连接SU，另一个用作无线传输与覆盖AP，AP接收到客户端WIFI 手机或下一级设备返回的数据，经 CPU 处理送入 SU 模块，SU 模块再向上一级设备AP发送，每两台 WI-FI 设备间都是保证最高54Mbps的网络带宽，并在每台设备上加装10dB全向吊装天线。

3.如权利要求1所述的基于无线技术的矿山人机定位及生产环境监测方法，其特征在于：所述骨干无线数据通讯网络采用 IEEE802.1X 的用户认证方式，定义用户级认证的新的帧的类型，用户借助于企业网已经存在的用户数据库，将前端基于 IEEE802.1X 无线网络的认证转换到后端基于有线网络的 RASIUS 认证。