CN103821564A - 一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统，包括位于控制室的井上监控系统、广泛分布于矿井巷道内的井下无线基站、人员或者车辆所携带的多功能设备。所述井上监控系统与井下无线基站通过CAN总线进行连接，井下无线基站之间通过CAN总线进行连接，井下无线基站与多功能设备通过ZigBee协议进行无线通信。每一台井下无线基站均有唯一且固定的地址码；每一个多功能设备均有一个固定且唯一的设备码。该系统将人员定位系统和语音通信系统有机的结合在一起，其所采用的无线基站和多功能设备结构简单、功耗和成本较低，能同时实现井下人员准确定位和实时语音通信功能。

Description

一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统

技术领域

本发明涉及矿井无线信号传输领域，尤其涉及一种基于以太网通讯的井下人员用多功能系统。

背景技术

我国是世界第一的产煤大国，煤矿矿山近3万多个，其中大中型煤矿500多个，小煤矿2万多个，井下工作人员超过100万人。近年来矿井危险性事故时有发生，煤矿事故死亡人数是世界上其它主要采煤国家死亡人数的4倍。随着对煤矿需求量的不断增大，近年来我国煤矿事故攀升趋势严重，煤矿安全状况令人担忧。分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现最主要的原因是地面与井下人员的信息沟通不及时，以致地面营救人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，难以进行精确人员定位。井下地形复杂给人员撤离和事故抢救带来了极大的困难。若能及早确定井下人员所处的位置，会给营救工作带来极大的方便，并且能节省大量的时间，将人员损失减少到最小。

井下人员定位系统主要是对井下工作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形成一个基站网络，其中具有代表性的有北京凌天世纪自动化技术研究所是研制的KJ155型矿用人员跟踪考勤系统、北京维深电子井下跟踪系统，以及上海秀派电子科技有限公司研制的KJ-19井下人员及设备跟踪系统等等。然而这些系统基本上都是采用RFID技术，通过在矿井进口处以及一些关键通道口使用射频卡读取的方法对下井人员进行登记记录和人员查找。但这种系统读卡器只能安装在进出口处和矿井关键位置，对于整个矿井来说，存在很多盲区。

矿井语音通信系统是一种井上管理人员和井下工作人员实时通信的手段。现有的技术方案主要是模拟电话系统，既有有线系统也包括无线系统，有线模拟电话系统布线复杂，且只可以在布有电话机的地点才可以进行井上井下语音通信；无线电话系统都采用GSM或小灵通系统，成本很高且人工维护难度很大。另外目前人员定位系统和语音通信系统均为独立系统，数据无法共享。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以将人员定位系统和语音通信系统有机结合的一个系统，其所用无线基站和多功能设备结构简单、功耗和成本较低，能同时实现井下人员定位和实时语音通信功能。

本发明所采用的技术方案如下。

一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统，包括位于控制室的井上监控系统、广泛分布于矿井巷道内的井下无线基站、人员或者车辆所携带的多功能设备；所述井上监控系统与井下无线基站通过CAN总线进行连接，井下无线基站与多功能设备通过ZigBee协议进行无线通信；所述井下无线基站之间通过CAN总线进行连接；每一台井下无线基站均有唯一且固定的地址码；每一个多功能设备均有一个固定且唯一的设备码。

所述井上监控系统包括主服务器、以太网/CAN总线转换器、系统麦克风、扬声器和显示器；所述主服务器与以太网/CAN总线转换器通过以太网进行连接，以太网/CAN总线转换器与井下无线基站通过CAN总线进行连接；所述主服务器还分别与系统麦克风、扬声器和显示器通过信号线相连；所述以太网/CAN总线转换器将主服务器收发的以太网数据包和井下无线基站收发的CAN总线数据包相互转换；所述主服务器通过运行其内设程序以将自以太网/CAN总线转换器120接收到的井下信息传输并显示在显示器上。

所述井下无线基站包括基站主处理器、基站ZigBee无线模块、左侧CAN总线接口、右侧CAN总线接口和电源转换模块；所述基站主处理器分别与基站ZigBee无线模块、左侧CAN总线接口、右侧CAN总线接口通过信号线相连；所述基站ZigBee无线模块通过进行ZigBee协议数据包的收发与多功能设备之间实现数据通信；所述电源转换模块将井下交流电源转换为井下无线基站所需要的电源。

所述多功能设备包括设备主处理器、设备ZigBee无线模块、设备麦克风、喇叭、用于向多功能设备供电的电池、指示灯和语音通话按键：所述设备主处理器分别与设备ZigBee无线模块、设备麦克风、喇叭、指示灯和语音通话按键通过信号线相连；当语音通话按键工作时，设备主处理器通过设备麦克风采集声音信号并对语音数据进行缓冲和压缩操作，再将语音压缩数据组成标准的带有设备码的ZigBee协议数据包并传输至井下无线基站。

所述设备主处理器（310）在语音通话按键（370）停止工作时，通过运行其内设程序周期性的将组成标准的带有设备码的ZigBee协议数据包传输至井下无线基站（200），以实现定期发送本身设备码的功能。

本发明中的系统能够实现井下人员的实时准确定位及语音通信。多功能设备可以附着在人员或特定物品上，井上监控系统通过该系统判断多功能设备的位置并实时显示。在紧急情况发生时，可以及时定位井下人员，井上管理人员还能及时与井下人员进行语音通信，询问井下环境和被困情况，并作出相应的补救措施。另外多功能设备位置的历史信息还会存储到监控系统的数据库中，以进行历史查询。

附图说明

图1是本发明一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统结构示意图。

图2是本发明中井上监控系统100的结构示意图。

图3是本发明中井下无线基站200的结构示意图。

图4是本发明中多功能设备300的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1是本发明一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统结构示意图，由该图可见，本发明所述的多功能系统包括：位于控制室的井上监控系统100、广泛分布于矿井巷道内的井下无线基站200、人员或者车辆所携带的多功能设备300。

井上监控系统100中包括一个监控系统主机附带的以太网/CAN总线转换器120、井上监控系统100与以太网/CAN总线转换器120通过以太网进行连接，以太网/CAN总线转换器120与井下无线基站200通过CAN总线进行连接，井下无线基站200与多功能设备300通过ZigBee协议进行无线通信；井下无线基站200之间通过CAN总线进行连接，并具有数据识别及转发功能。每一台井下无线基站200均有唯一且固定的地址码，每一个多功能设备300均有一个固定且唯一的设备码。

图2是本发明中井上监控系统100的结构示意图。由该图可见，井上监控系统100由以下部分组成：主服务器110、以太网/CAN总线转换器120、系统麦克风130、扬声器140和显示器150。主服务器110与以太网/CAN总线转换器120通过以太网进行连接，以太网/CAN总线转换器120与井下无线基站（200）通过CAN总线进行连接。主服务器110还分别与系统麦克风130、扬声器140和显示器150通过信号线相连接。

以太网/CAN总线转换器120将主服务器110收发的以太网数据包和井下无线基站200收发的CAN总线数据包相互转换，在本实施例中，以太网/CAN总线转换器120使用深圳市三旺通信技术有限公司生产的MAS618产品。主服务器110通过运行其内设程序以将自以太网/CAN总线转换器120接收到的井下信息传输并显示在显示器150上。

主服务器110是整个系统的核心，包含数据库服务器软件和处理软件，在本实施例中数据库服务器软件使用SQL Server2012软件。以太网/CAN总线转换器120将主服务器110收发的以太网数据包和井下无线基站200收发的CAN总线数据包相互转换，以传送井上的数据到井下，接收井下的数据反馈给上层软件。通过运行处理软件可以将矿井下的信息反映到人机界面上。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，无线基站分布在网络需要覆盖的各个区域。无线基站和多功能设备被标注在界面上。井上管理人员只需要查看显示器150屏幕既可以了解井下的实时情况，并对井下人员进行定位。

图3是本发明中井下无线基站200的结构示意图。由该图可见，井下无线基站200由以下几个部分组成：基站主处理器210、基站ZigBee无线模块220、左侧CAN总线接口230、右侧CAN总线接口240和电源转换模块250，在本实施例中，基站主处理器使用意法半导体公司生产的STM32F107VCT6芯片，基站ZigBee无线模块使用TI公司生产的CC2530芯片。所述基站主处理器210与基站ZigBee无线模块220之间通过标准232总线进行连接，与左侧CAN总线接口230、右侧CAN总线接口240通过标准SPI总线进行连接。基站ZigBee无线模块220通过进行ZigBee协议数据包的收发与多功能设备300之间实现数据通信。

所述电源转换模块250将井下交流电源转换为井下无线基站200所需要的电源。

井下无线基站200的数量为多个，广泛分布于矿井巷道内，且每一台在井下的位置是固定的并都有一个固定且唯一的地址码。井下无线基站200之间通过CAN总线进行连接。

基站主处理器210是整个无线基站的核心部分，负责将两个CAN总线接口和基站ZigBee无线模块收到的数据进行解析和转发。当基站主处理器210从某一个CAN总线接口收到数据时，会校验数据包的目的地址，如果与自己的地址码不匹配，会把数据包从另一个CAN总线接口转发。例如当某个井下无线基站200的左侧CAN总线接口230收到CAN数据包后，基站主处理器210会校验数据包的目的地址，如果与自己的地址码不匹配，会将CAN数据包从右侧CAN总线接口240转发至下一个井下无线基站200，反之亦然。当基站主处理器210从某一个CAN总线接口收到数据时，会校验此数据是否是发给某个多功能设备300的，若是则将数据转发至基站ZigBee无线模块220，由基站ZigBee无线模块220进行ZigBee协议数据包的收发，与相应的多功能设备300进行数据通信。当基站主处理器210从基站ZigBee无线模块收到数据时，会将数据同时转发至两个CAN总线接口。

电源转换模块250负责将井下交流电源转换为直流3.3V电源供无线基站其他模块使用。井下无线基站200构成的通信路径是整个系统的骨架，多功能设备300可以通过这个网络进行数据传递，主要信息流是井上和井下的通信。

图4是本发明中多功能设备300的结构示意图。由该图可见，多功能设备300由以下几个部分组成：设备主处理器310、设备ZigBee无线模块320、设备麦克风330、喇叭340、用于向多功能设备300供电的电池350、指示灯360和语音通话按键370，在本实施例中，设备主处理器310、设备ZigBee无线模块320均选择与井下无线基站200相同的芯片，且连接方式也相同。设备主处理器310与设备麦克风330和喇叭340之间使用标准I2S总线进行连接，与指示灯360和语音通话按键370通过芯片的GPIO引脚进行连接。

设备主处理器310是整个设备的核心部分，其上运行ZigBee无线数据收发、语音数据采集、语音数据播放、按键处理、语音数据压缩解压等程序，在本实施例中，语音数据压缩解压算法采用标准的MELP算法。

当持有设备的工作人员按下语音通话按键370时，设备主处理器310会利用设备麦克风330采集声音信号并对语音数据进行缓冲、压缩等操作，再将语音压缩数据组成标准的带有设备码的ZigBee协议数据包并传输至井下无线基站200。收到此语音数据包的井下无线基站200，会首先向井上监控系统100发送语音请求数据包，监控系统会选择最先发送语音请求数据包的井下无线基站200，并向其发送语音允许数据包；收到语音压缩数据包的井下无线基站200会将基站地址码加入到语音压缩数据中形成一个新的CAN数据包，并发送至井上监控系统100，井上监控系统100再将语音压缩数据进行解压操作，得到完整的语音数据并通过其附带的系统扬声器140播放，实现井下人员与井上管理人员的语音通信。

多功能设备300会定时周期广播发送本身的设备码。即在语音通话按键370停止工作时，设备主处理器310通过运行其内设程序周期性的将组成标准的带有设备码的ZigBee协议数据包传输至井下无线基站200。在当一个或多个井下无线基站200收到此数据包时，会将基站地址码加入到数据包中形成一个新的CAN数据包，并发送至井上监控系统100中，管理人员即可根据多功能设备300的设备码和井下无线基站200地址码判断当前多功能设备处于哪个井下无线基站200附近，从而实现人员定位的功能。

多功能设备300在没有进行任何语音通信操作时，可以周期性的进入休眠状态，以节省功耗，且休眠周期与广播发送本身设备码的周期相同。

多功能设备300一般由井下人员或者车辆携带，也可以放置在特定的区域中。多个井下无线基站200与多功能设备300之间通过ZigBee协议进行无线通信，共同组成整个网络。多功能设备300采用电池供电，其会定期采集自身电池容量并传送至井上监控系统100，当电池容量低于某特定阈值后，井上监控系统100会提醒管理人员更换相应多功能设备300的电池。

矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统的运行步骤如下：

步骤一，井下无线基站200被安放在矿井井下的需要监控的巷道内，多功能设备300也由工作人员或者车辆携带并在井下移动；

步骤二，系统管理员在井上监控系统100软件的地图上标注各个井下无线基站200和多功能设备300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：

1、井下工作人员或者车辆携带多功能设备300，在进入无线网络覆盖的范围内，被井下无线基站200侦测到后，多功能设备300的设备码被回传到井上监控系统100，井上监控系统100计算多功能设备300的位置，存放到数据库，并将此位置信息显示在屏幕上；

2、井下工作人员按下多功能设备300的语音通话按键370后，多功能设备300会利用设备麦克风330采集声音信号并对数据进行缓冲、压缩等操作，并通过井下无线基站200发送至井上监控系统100，井上监控系统100再对数据进行解压操作，并通过扬声器140进行播放；

3、井上管理人员可以选择某个位于井下的多功能设备300并与之通话，监控系统软件会自动查询到其当前可以进行通信的井下无线基站200，井上监控系统100会利用系统麦克风130采集声音信号并对数据进行缓冲、压缩等操作，再将此语音压缩数据通过井下无线基站200发送至选择的多功能设备300，多功能设备300再将语音压缩数据进行解压操作，并通过喇叭340播放。

Claims (5)

1.一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统，其特征在于：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井下无线基站（200）、人员或者车辆所携带的多功能设备（300）；所述井上监控系统（100）与井下无线基站（200）通过CAN总线进行连接，井下无线基站（200）与多功能设备（300）通过ZigBee协议进行无线通信；所述井下无线基站（200）之间通过CAN总线进行连接；每一台井下无线基站（200）均有唯一且固定的地址码；每一个多功能设备（300）均有一个固定且唯一的设备码。

2.根据权利要求1所述的一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统，其特征在于：所述井上监控系统（100）包括主服务器（110）、以太网/CAN总线转换器（120）、系统麦克风（130）、扬声器（140）和显示器（150）；所述主服务器（110）与以太网/CAN总线转换器（120）通过以太网进行连接，以太网/CAN总线转换器（120）与井下无线基站（200）通过CAN总线进行连接；所述主服务器（110）还分别与系统麦克风（130）、扬声器（140）和显示器（150）通过信号线连接；所述以太网/CAN总线转换器（120）将主服务器（110）收发的以太网数据包和井下无线基站（200）收发的CAN总线数据包相互转换；所述主服务器（110）通过运行其内设程序以将自以太网/CAN总线转换器120接收到的井下信息传输并显示在显示器（150）上。

3.根据权利要求1所述的一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统，其特征在于：所述井下无线基站（200）包括基站主处理器（210）、基站ZigBee无线模块（220）、左侧CAN总线接口（230）、右侧CAN总线接口（240）和电源转换模块（250）；所述基站主处理器（210）分别与基站ZigBee无线模块（220）、左侧CAN总线接口（230）、右侧CAN总线接口（240）通过信号线相连；所述基站ZigBee无线模块（220）通过进行ZigBee协议数据包的收发与多功能设备（300）之间实现数据通信；

所述电源转换模块（250）将井下交流电源转换为井下无线基站（200）所需要的电源。

4.根据权利要求1所述的一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统，其特征在于：所述多功能设备（300）包括设备主处理器（310）、设备ZigBee无线模块（320）、设备麦克风（330）、喇叭（340）、用于向多功能设备（300）供电的电池（350）、指示灯（360）和语音通话按键（370）；

所述设备主处理器（310）分别与设备ZigBee无线模块（320）、设备麦克风（330）、喇叭（340）、指示灯（360）和语音通话按键（370）通过信号线相连；

当语音通话按键（370）工作时，设备主处理器（310）通过设备麦克风（330）采集声音信号并对语音数据进行缓冲和压缩操作，再将语音压缩数据组成标准的带有设备码的ZigBee协议数据包并传输至井下无线基站（200）。

5.根据权利要求1所述的一种矿井用人员定位与无线语音通信多功能系统，其特征在于：所述设备主处理器（310）在语音通话按键（370）停止工作时，通过运行其内设程序周期性的将组成标准的带有设备码的ZigBee协议数据包传输至井下无线基站（200），以实现定期发送本身设备码的功能。

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