CN104295317A - 一种矿井智能化监管系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种矿井智能化监管系统，包括人员定位卡，设置于井上的WCDMA通讯主站，设置于矿井机房内的监管设备，以及设置于井下的WCDMA基站、无线传感器节点，井下作业人员携带人员定位卡进入矿井，通过人员定位卡与WCDMA基站节点或者无线传感器网络节点进行通信，WCDMA基站作为一级主干网实现人员的初步方位确定，无线传感器网络作为二级子网实现人员的精确定位。本发明将WCDMA和无线传感器网络两种网络结合起来实现互补定位，可兼顾可靠性和精度要求。此外智能化监管设备可以提供监控、预警、报警、调度功能，有效防范和应对矿井安全事故并提高了生产效率。

Description

一种矿井智能化监管系统

技术领域

本发明属于智能化监管系统领域，尤其涉及一种矿井智能化监管系统。

背景技术

矿井智能化监管系统从矿山的人、机、环、管四类要素出发，为矿山井下生产提供人员定位、视频通信、人员及资源跟踪、环境监测、智能化管理等服务。将分散、独立的信息监控系统集成到一个统一的软硬件平台，对各系统进行集中监控，综合利用各系统产生的信息，并根据这些信息的变化情况让各系统做出相应的协调动作，达到信息交换、提取、处理和共享，实现各系统之间联动、互动和资源共享的目的，为矿井安全生产和信息智能化提供有力支持。所述矿井智能化监管系统主要包括“测”、“通”和“控”三个方面，“测”即采集、检测各种环境参数、设备工作状况参数、过程控制参数、人员位置参数等信息；“通”即通信，建立井上井下数据通道实现人员视频通信、矿井信息通信；“控”根据检测数据、通信内容去控制安全装置、报警装置、生产设备、执行机构及其他研究用途。

国家对煤矿井下安全避险“六大系统”提出明确建设要求，包括检测监控系统、人员定位系统、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统。目前矿井监管大多采用有线部署，存在前期组网困难，不易扩充、不易改动网络结构等弊端；无线部署主要有无线传感器网络、WiFi无线通信系统、TD-SCDMA无线通信系统与CDMA2000无线通信系统、WCDMA无线通信系统。无线传感器网络则存在传输容量、电源和和可靠性等方面的限制；WiFi无线通信系统在通话质量、切换机制、待机时间、信息安全与抗干扰性方面不够理想；TD-SCDMA无线通信系统与CDMA2000无线通信系统在组网及施工和维护成本、系统抗毁性、对数据业务的支撑、应用成熟度方面存在限制；WCDMA虽然具有容量大、通信质量好、信息安全性高、应用成熟度良好等优势，但部署WCDMA基站成本较高，在部署节点数方面存在限制，使得一些监控环节如人员定位精度受到制约。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，对矿井的无线通信系统和智能化监管信息平台提出了新的解决方案，从而实现矿井智能化监管。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种矿井智能化监管系统，包括人员定位卡，设置于井上的WCDMA通讯主站，设置于矿井机房内的监管设备，以及设置于井下的n个WCDMA基站、m个无线传感器节点，n、m均为自然数；其中：所述n个WCDMA基站按需部署在井下主巷道，形成一级主干网；所述m个无线传感器节点按需部署在井下次巷道，每一定范围内的无线传感器节点构成一个簇状无线传感器网络，形成二级子网；

井下作业人员携带人员定位卡进入矿井，在移动到WCDMA基站及不同的无线传感器节点附近时，通过人员定位卡与WCDMA基站或者无线传感器节点进行通信实现人员定位；其中：

无线传感器节点采集到人员定位卡发出的射频信息后，将该信息通过多点传输至簇首节点，由簇首节点汇聚簇内无线传感器节点采集的信息后发送到距离最近的WCDMA基站；

WCDMA基站将自身接收的信息或无线传感器网络簇首节点发送的信息，直接或经过巷道内数个WCDMA基站中继后发送到WCDMA通讯主站；

WCDMA通讯主站接收井下WCDMA基站传送的信息，并将信息发送到监管设备，由监管设备对信息进行处理，实现对井下人员的实时定位监视。

作为本发明的矿井智能化监管系统进一步的优化方案，所述的无线传感器节点包括用于供电的电源、信息采集单元、采集控制单元、无线传输单元，其中信息采集单元具有采集环境参数的功能，采集得到的环境参数经过采集控制单元处理后由无线传输单元进行传输。

作为本发明的矿井智能化监管系统进一步的优化方案，所述的信息采集单元包括压力传感器、温湿度传感器、瓦斯传感器、CO传感器、粉尘传感器、氧气传感器、硫化氢传感器、噪音传感器、风速传感器。

作为本发明的矿井智能化监管系统进一步的优化方案，所述采集控制单元包括AD转换模块、CPU模块、时钟模块，其中所述AD转换模块用于将信息采集单元的数据进行模数转换后传输至CPU模块处理；时钟模块与CPU模块连接，用于通过CPU模块根据设定的时间间隔控制信息采集单元采集环境参数。

作为本发明的矿井智能化监管系统进一步的优化方案，所述监管设备对信息进行处理，实现对井下人员的实时定位监视，具体为：通过部署在井下主巷道的WCDMA基站形成的一级主干网实现人员的初步定位，通过无线传感器网络形成的二级子网完成人员的精确定位，利用无线传感器节点的部署位置作为参考，对所有矿井人员的定位信息绘制实时拓扑图，定时刷新，从而构成全局定位监视图，以便井上监控人员掌控井下全局情况。

作为本发明的矿井智能化监管系统进一步的优化方案，还包括井上信息终端，所述井上信息终端通过3G网络与监管设备通信，获取监管设备发送的数据信息。 

作为本发明的矿井智能化监管系统进一步的优化方案，还包括视频手机，井下人员利用视频手机在WCDMA基站覆盖范围内与监管设备建立通信，实现视频通话。

作为本发明的矿井智能化监管系统进一步的优化方案，所述监管设备包括监管服务器、数据库服务器、监控计算机、中心交换机；监管服务器用于实现对井下人员的实时定位监视，根据定位情况进行调度；

数据库服务器用于存储和调取人员定位卡所对应的信息，以及WCDMA通讯主站发来的各类信息；

监控计算机用于实现井下实时环境监测，当环境参数发生异常时发出警报；

中心交换机用于实现与井下人员进行视频通话的功能。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

矿井智能化监管系统在定位时，由WCDMA基站构建的矿井大巷道一级主干网和无线传感器节点构成的矿井小巷道二级子网联合构建的网络，WCDMA基站作为大巷道一级骨干网，实现人员的大体方位确定，无线传感器网络作为井下小巷道的二级子网，实现人员的精确定位。WCDMA主干网基础设施稳固，可靠性高，但基站少，定位精度不够，无线传感器子网灵活，可以按矿井精度需求部署节点，但可靠性不够。将两种网络结合起来实现互补定位，可兼顾可靠性和精度要求。此外智能化监管信息平台可以提供监控、预警、报警、调度功能，有效防范和应对矿井安全事故并提高了生产效率。

附图说明

图1是矿井智能化监管系统构成图。

图2是无线传感器节点硬件结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示，本发明提出一种矿井智能化监管系统，包括人员定位卡，设置于井上的WCDMA通讯主站，设置于矿井机房内的监管设备，以及设置于井下的WCDMA基站、无线传感器节点；其中： WCDMA基站按需部署在井下主巷道，形成一级主干网；无线传感器节点按需部署在井下次巷道，每一定范围内的无线传感器节点构成一个簇状无线传感器网络，形成二级子网。

系统工作过程为：井下作业人员携带人员定位卡下井，在移动到WCDMA基站及不同的无线传感器节点附近时，与这些信息采集点进行射频通信，以定位人员位置。可以根据定位精度需求及特殊要求部署无线传感器节点。同时各个无线传感器节点采集环境参数，以无线形式将环境参数和其他采集信息传输到WCDMA基站。WCDMA基站将环境参数、定位信息、视频通话信息传输到井上。井上WCDMA通讯主站无线接收井下WCDMA基站信息，并将信息发送到矿井机房的监管服务器，监管服务器对各类信息进行汇总和处理，从而实现智能化监管的各项功能。

从另一个角度来说，本发明的矿井智能化监管系统包括井下和井上两部分，井下部分有人员定位系统、无线通信系统、环境监测系统、视频通信系统；井上部分有智能化监管设备。

本发明的无线通信系统由WCDMA基站构建的矿井大巷道一级主干网和无线传感器节点构成的矿井小巷道二级子网联合构成。井下无线传感器网络短距离通信由普通节点经过多点传输最后由簇首节点发送到WCDMA基站，WCDMA基站实现300到500米的通信，经过巷道内数个WCDMA基站中继后最终发送到井上WCDMA通讯主站，并无线传输到矿井机房，从而送到监管服务器，进行信息处理、数据存储、信息可视化、信息分发等操作。

本发明的人员定位系统由人员定位卡、无线传感器网络、WCDMA基站组成。WCDMA基站作为大巷道一级骨干网，实现人员的大体方位确定，无线传感器网络作为井下小巷道的二级子网，实现人员的精确定位。WCDMA主干网基础设施稳固，可靠性高，但基站少，定位精度不够，无线传感器子网灵活，可以按矿井精度需求部署节点，但可靠性不够。将两种网络结合起来实现互补定位，可兼顾可靠性和精度要求。

定位工作过程如下：井下作业人员携带人员定位卡进入矿井，移动过程中人员定位卡与井下部署的节点通信，无线传感器节点或WCDMA基站作为参考节点，利用自身位置确定人员位置。参考节点收集定位信息并周期性发送定位信息，利用无线通信系统将定位信息传输到井上WCDMA通讯主站。

人员定位卡：本实施例中人员定位卡可以采用KJ310-K本安型矿用人员识别卡，此卡小巧，方便挎在腰间，通讯信号强，系统分配给每人一个编码，且每个编码是唯一的，可以随时掌握职工当前所在位置和最新的记录信息，及时、准确地将人员及设备的动态情况反映到监管设备，方便管理。

在作业时，人员定位卡将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送；人员随身携带的定位卡进入低频的发射天线工作区域后被激活（未进入发射天线工作区域标识卡不工作），同时将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去；WCDMA基站接收天线接收到人员定位卡发来的载波信号，经处理后，提取出目标识别码通过WCDMA主站送地面监管设备，完成矿井人员自动跟踪定位管理。

本发明的环境监测系统由无线传感器节点构成。所述的无线传感器节点包括信息采集单元、采集控制单元、无线传输单元、电源。所述的信息采集单元包括压力传感器、温湿度传感器、瓦斯传感器、CO传感器、粉尘传感器、氧气传感器、硫化氢传感器、噪音传感器、风速传感器。其中无线传感器节点的电源模块可以利用节点自带电池方式或者WCDMA基站的电源供电，采用后者供电的前提是传感器节点靠近基站。环境监测系统中各由无线传感器节点构成簇状网络，作为矿井小巷道的二级子网。簇状网络实行多跳传输，由簇首节点汇聚普通无线传感器节点的信息发送到最近的WCDMA基站。环境监测系统对井下各种环境参数进行监测，监测参数包括瓦斯、CO、电化学氧气、硫化氢、风速、矿压、温湿度、矿尘、噪音。

本发明的视频通信系统：由井下视频手机和井上智能化监管信息平台组成。实现矿井人员视频通信和矿井环境屏幕显示。井下人员利用矿井视频手机与井上监管设备建立视频通话，便于监控中心实时了解井下人员基本情况、资源需求情况及周围环境。此外视频通信系统通过监控计算机屏幕显示巷道和通信各基站示意图，显示基站周围移动目标的相关信息。该系统能够以最直观的方式监控矿井生产情况和当前环境。

智能化监管设备包括监管服务器、数据库服务器、监控计算机、中心交换机，实现对井下人员全局实时定位监视、实时环境监测、与井下人员视频通信功能。其中中心交换机实现井上和井下人员视频通信，为实时双向通信，井下人员必须携带特定的矿井视频手机在WCDMA基站覆盖范围内通信。利用无线传感器节点对所有矿井人员的定位信息绘制实时拓扑图，定时刷新，从而构成全局定位监视图，便于井上监控人员掌控井下全局情况。

如图2所示，环境监测功能由无线传感器节点完成。所述的无线传感器节点包括信息采集单元、采集控制单元、无线传输单元、电源。其中信息采集单元具有采集环境参数的功能，采集得到的环境参数经过采集控制单元处理后由无线传输单元进行传输。所述的信息采集单元包括压力传感器、温湿度传感器、瓦斯传感器、CO传感器、粉尘传感器、氧气传感器、硫化氢传感器、噪音传感器、风速传感器。所述采集控制单元包括AD转换模块、CPU模块、时钟模块，其中所述AD转换模块用于将信息采集单元的数据进行模数转换后传输至CPU模块处理；时钟模块与CPU模块连接，用于通过CPU模块根据设定的时间间隔控制信息采集单元采集环境参数。

显然，本领域技术人员应当理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。对上述本发明所公开的矿井智能化监管系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (8)

1.一种矿井智能化监管系统，其特征在于，包括人员定位卡，设置于井上的WCDMA通讯主站，设置于矿井机房内的监管设备，以及设置于井下的n个WCDMA基站、m个无线传感器节点，n、m均为自然数；其中：所述n个WCDMA基站按需部署在井下主巷道，形成一级主干网；所述m个无线传感器节点按需部署在井下次巷道，每一定范围内的无线传感器节点构成一个簇状无线传感器网络，形成二级子网；

井下作业人员携带人员定位卡进入矿井，在移动到WCDMA基站及不同的无线传感器节点附近时，通过人员定位卡与WCDMA基站或者无线传感器节点进行通信实现人员定位；其中：

无线传感器节点采集到人员定位卡发出的射频信息后，将该信息通过多点传输至簇首节点，由簇首节点汇聚簇内无线传感器节点采集的信息后发送到距离最近的WCDMA基站；

WCDMA基站将自身接收的信息或无线传感器网络簇首节点发送的信息，直接或经过巷道内数个WCDMA基站中继后发送到WCDMA通讯主站；

WCDMA通讯主站接收井下WCDMA基站传送的信息，并将信息发送到监管设备，由监管设备对信息进行处理，实现对井下人员的实时定位监视。

2.如权利要求1所述的矿井智能化监管系统，其特征在于：所述的无线传感器节点包括用于供电的电源、信息采集单元、采集控制单元、无线传输单元，其中信息采集单元具有采集环境参数的功能，采集得到的环境参数经过采集控制单元处理后由无线传输单元进行传输。

3.如权利要求2所述的矿井智能化监管系统，其特征在于：所述的信息采集单元包括压力传感器、温湿度传感器、瓦斯传感器、CO传感器、粉尘传感器、氧气传感器、硫化氢传感器、噪音传感器、风速传感器。

4.如权利要求2所述的矿井智能化监管系统，其特征在于：所述采集控制单元包括AD转换模块、CPU模块、时钟模块，其中所述AD转换模块用于将信息采集单元的数据进行模数转换后传输至CPU模块处理；时钟模块与CPU模块连接，用于通过CPU模块根据设定的时间间隔控制信息采集单元采集环境参数。

5.如权利要求1所述的矿井智能化监管系统，其特征在于：所述监管设备对信息进行处理，实现对井下人员的实时定位监视，具体为：通过部署在井下主巷道的WCDMA基站形成的一级主干网实现人员的初步定位，通过无线传感器网络形成的二级子网完成人员的精确定位，利用无线传感器节点的部署位置作为参考，对所有矿井人员的定位信息绘制实时拓扑图，定时刷新，从而构成全局定位监视图，以便井上监控人员掌控井下全局情况。

6.如权利要求1所述的矿井智能化监管系统，其特征在于：还包括井上信息终端，所述井上信息终端通过3G网络与监管设备通信，获取监管设备发送的数据信息。

7. 如权利要求1所述的矿井智能化监管系统，其特征在于：还包括视频手机，井下人员利用视频手机在WCDMA基站覆盖范围内与监管设备建立通信，实现视频通话。

8.如权利要求1至7任一所述的矿井智能化监管系统，其特征在于：所述监管设备包括监管服务器、数据库服务器、监控计算机、中心交换机；其中， 

监管服务器用于实现对井下人员的实时定位监视，根据定位情况进行调度；

数据库服务器用于存储和调取人员定位卡所对应的信息，以及WCDMA通讯主站发来的各类信息；

监控计算机用于实现井下实时环境监测，当环境参数发生异常时发出警报；

中心交换机用于实现与井下人员进行视频通话的功能。