CN110830948A - 一种矿用井下融合系统及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种矿用井下融合系统及传感器，包括多功能融合分站、传感器、标识卡及广播终端；其中，传感器通过UWB模块与多功能融合分站的UWB模块实现UWB通讯，将采集到的监测数据上报给所述多功能融合分站；传感器通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块实现传感器的定位；标识卡通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB定位模块实现标识卡的定位；广播终端通过光纤连接所述多功能融合分站，实现应急广播。本发明融合了安全监控系统、人员定位系统以及应急广播系统，实现了传感器的精确定位以及采集数据的无线上报，无需人员在地图上进行标绘传感器的位置，同时减少了人工移动传感器的通信线缆带来的体力消耗。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全监测领域，特别涉及一种矿用井下融合系统及传感器。
背景技术
根据国家煤矿安全规程规定，现有煤矿必须在井下安装安全监控系统、人员定位系统、语音广播系统等各种系统。由于不同系统的设备以及接口不同，各个系统容易存在独立运行的局面。为了解决这个局面，对井下融合系统的开发成了重中之重，目前现有的井下融合系统大多延用已有的安全监控系统构架，再融合其它两个系统。这种融合系统的网络拓扑中，分站到传感器之间均为RS485或CAN，分站与读卡器之间为CAN，读卡器与标识卡之间采用UWB，技术比较成熟、稳定，但是其缺点在于传感器移动时，要移动线缆，而且由于传感器中没有定位模块，无法对传感器实现精确定位，还需要在施工图中进行人工标绘。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矿用井下融合系统及传感器，解决井下各系统间由于设备及接口不同导致融合困难，以及传感器移动不便和无法精确定位的问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种矿用井下融合系统，包括：
多功能融合分站、传感器、标识卡及广播终端；其中，
所述多功能融合分站包括处理器及至少两个UWB模块，所述UWB模块通过时分复用进行数据通信或定位；
所述传感器包括UWB模块，所述传感器通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块通讯，将采集到的监测数据上报给所述多功能融合分站；
所述传感器通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块实现传感器的定位；
所述标识卡包括UWB模块，所述标识卡通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块实现标识卡的定位；
所述广播终端通过光纤连接所述多功能融合分站，实现应急广播；
所述处理器用于处理所述监测数据、所述传感器与所述标识卡的定位数据以及所述应急广播。
进一步地，所述系统还包括：采集器；
所述采集器包括处理器及至少一个UWB模块，所述UWB模块通过时分复用进行数据通信或定位；
所述传感器通过UWB模块与所述采集器的UWB模块通讯，将采集到的监测数据上报给所述采集器；
所述传感器通过UWB模块与所述采集器的UWB模块实现传感器的定位；
所述采集器的处理器用于处理所述监测数据及所述传感器与所述标识卡的定位数据。
进一步地，所述采集器及所述多功能融合分站还包括相对应的CAN总线接口；
所述采集器与所述多功能融合分站通过CAN总线连接，所述采集器将所述监测数据及所述定位数据上报给所述多功能融合分站，实现所述多功能融合分站覆盖范围的增加。
进一步地，所述多功能融合分站还包括定向天线，所述定向天线用于延长通信距离。
进一步地，所述采集器还包括定向天线，所述定向天线用于延长通信距离。
为实现上述目的，本发明还提供了一种传感器，包括：
主控芯片、UWB模块、传感器探头及电源模块；
所述UWB模块通过时分复用实现传感器与多功能融合分站的通信及自身的定位；
所述传感器探头用于采集监测数据；
所述主控芯片用于处理所述监测数据；
所述电源模块用于给所述传感器供电。
进一步地，所述传感器还包括声光模块，所述声光模块用于接收语音、发光、发声。
进一步地，所述主控芯片采用STM32F451低功耗芯片，所述UWB模块采用DW1000芯片。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种矿用井下融合系统及传感器，对现有的安全监控系统拓扑进行了颠覆设计，融合了安全监控系统、人员定位系统以及应急广播系统，可以实现系统间的联动。而且本发明优先采用了全无线网络进行安全监控系统、人员定位系统构建，实现传感器的自定位，无需人员在地图上进行标绘传感器的位置，能实现传感器的精确定位。同时本发明采用无线网络，实现了对传感器的采集数据的无线上报，减少了人工移动传感器的通信线缆带来的大量体力消耗。
附图说明
图1为本发明公开的矿用井下融合系统一种实施例的系统结构示意图。
图2为本发明公开的矿用井下融合系统另一种实施例的系统结构示意图。
图3为本发明公开的矿用井下融合系统的采集器的结构示意图。
图4为本发明公开的传感器的结构示意图。
图5为本发明公开的传感器的UWB模块通过时分复用实现通信及定位的示意图。
具体实施方式
此处参考附图描述本申请的各种方案以及特征。
应理解的是，可以对此处申请的实施例做出各种修改。因此，上述说明书不应该视为限制，而仅是作为实施例的范例。本领域的技术人员将想到在本申请的范围和精神内的其他修改。
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本申请的实施例，并且与上面给出的对本申请的大致描述以及下面给出的对实施例的详细描述一起用于解释本申请的原理。
通过下面参照附图对给定为非限制性实例的实施例的优选形式的描述，本申请的这些和其它特性将会变得显而易见。
还应当理解，尽管已经参照一些具体实例对本申请进行了描述，但本领域技术人员能够确定地实现本申请的很多其它等效形式，它们具有如权利要求所述的特征并因此都位于借此所限定的保护范围内。
当结合附图时，鉴于以下详细说明，本申请的上述和其他方面、特征和优势将变得更为显而易见。
此后参照附图描述本申请的具体实施例；然而，应当理解，所申请的实施例仅仅是本申请的实例，其可采用多种方式实施。熟知和/或重复的功能和结构并未详细描述以避免不必要或多余的细节使得本申请模糊不清。因此，本文所申请的具体的结构性和功能性细节并非意在限定，而是仅仅作为权利要求的基础和代表性基础用于教导本领域技术人员以实质上任意合适的详细结构多样地使用本申请。
目前现有的矿用井下融合系统大多延用已有的安全监控系统构架，再融合其它两个系统，其缺点在于传感器移动时，要移动线缆，而且由于传感器中没有定位模块，无法对传感器实现精确定位，还需要在施工图中进行人工标绘。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种矿用井下融合系统，对现有的安全监控系统拓扑进行了颠覆设计，如图1及图2所示，本发明实施例的矿用井下融合系统具体包括：
多功能融合分站、传感器、标识卡及广播终端；其中，
所述多功能融合分站包括处理器及至少两个UWB模块，所述UWB模块通过时分复用进行数据通信或定位；
所述传感器包括UWB模块，所述传感器通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块通讯，将采集到的监测数据上报给所述多功能融合分站；
所述传感器通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块实现传感器的定位；
所述标识卡包括UWB模块，所述标识卡通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块实现标识卡的定位；
所述广播终端通过光纤连接所述多功能融合分站，实现应急广播；
所述处理器用于处理所述监测数据、所述传感器与所述标识卡的定位数据以及所述应急广播。
本发明实施例融合了安全监控系统、人员定位系统以及应急广播系统，可以实现系统间的联动。而且本发明优先采用了全无线网络进行安全监控系统、人员定位系统构建，实现传感器的自定位，无需人员在地图上进行标绘传感器的位置，能实现传感器的精确定位。同时本发明采用无线网络，实现了对传感器的采集数据的无线上报，减少了人工移动传感器的通信线缆带来的大量体力消耗。
下面结合两个实施例对本发明提供的矿用井下融合系统进行介绍。
图1为本发明公开的矿用井下融合系统一种实施例的系统结构示意图。如图1所示，本实施例提供了一种矿用井下融合系统，包括：多功能融合分站、传感器、标识卡及广播终端；其中，
本系统的传感器包括UWB模块，传感器通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块通讯，将采集到的监测数据上报给所述多功能融合分站；这里的监测数据可以是各种有害气体及各种机电设备的工作状态，如井下的甲烷、一氧化碳、氧气、烟雾、粉尘、风速、温度、主备扇风机的负压以及局部通风机、胶带运输机、采煤机、开关、磁力启动器等运行状态和参数等。可以理解的是，根据监测对象的不同，并不应对监测数据的类型做出限制。
本系统的标识卡包括UWB模块，所述标识卡通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块实现标识卡的定位；这里的标识卡一般是用于井下人员、车辆、设备的精确定位，标识卡需配带在人身上、车辆上、设备上，通过UWB模块与井下布置的多功能融合分站或采集器进行通信，通信过程实现距离测量，分站或采集器将测量的距离发送给服务器，服务器来计算标识卡的位置，实现标识卡的定位。
本系统的广播终端通过光纤连接所述多功能融合分站，实现矿井下的应急广播。这里的广播终端可以直接集成其他厂家现有的终端。
本系统的多功能融合分站包括处理器及至少两个UWB模块，本实施例中采用了两个UWB模块，两个UWB模块功能相同，通过时分复用进行数据通信或定位；处理器用于处理监测数据、传感器与标识卡的定位数据以及应急广播。
图5为本发明公开的传感器的UWB模块通过时分复用实现通信或定位的示意图，如图5所示，本发明实施例通过时分复用进行数据通信或定位，具体包括：多功能融合分站首先给每一个传感器分配一个数据时隙和一个定位时隙。传感器在分配给自己的定位时隙内，与多功能融合分站进行通信，参与测距过程；多功能融合分站在测距过程中，测量出与该传感器的距离，并将该距离信息上传至服务器；服务器进行计算后，进一步确定传感器的位置，实现传感器的定位；传感器在分配给自已的数据时隙内，采用主动上报模式上传监测数据，多功能融合分站收到上报的监测数据后，最终上传至服务器，实现数据采集。
优选地，多功能融合分站的处理器采用Samsung S5P4418芯片，Cortex-A9双核处理器，主频：1.4GHz，内存：1GB DDR3，ROM：8GB eMMC，系统采用Linux 3.4.39系统；优选地，UWB模块采用DW1000芯片。
如图1所示，本发明的多功能分站还包括交换机模块和电源模块。优选地，交换机模块采用三旺矿用本安型交换机。本安型矿用交换机具有2路千兆光口、4路百兆光口、8路网口。优选地，电源模块采用矿用电源。
可以看到的是，本发明实施例优先采用了全无线网络进行安全监控系统、人员定位系统构建，实现了传感器的自定位，无需人员在地图上进行标绘传感器的位置，能实现传感器的精确定位。同时本发明采用无线网络，实现了对传感器的采集数据的无线上报，减少了人工移动传感器的通信线缆带来的大量体力消耗。
图2为本发明公开的矿用井下融合系统另一种实施例的系统结构示意图。如图2所示，本实施例提供了另一种矿用井下融合系统，与图1的系统不同的是，本实施例的系统还包括：采集器；
图3为本发明公开的矿用井下融合系统的采集器的结构示意图。结合图2及图3，采集器包括处理器及至少一个UWB模块，本实施例采用了两个UWB模块，两个UWB模块功能相同，通过时分复用进行数据通信或定位；处理器用于处理监测数据及传感器与标识卡的定位数据。
与图1的系统类似，如图5所示，本发明实施例通过时分复用进行数据通信或定位，具体包括：采集器首先给每一个传感器分配一个数据时隙和一个定位时隙。传感器在分配给自己的定位时隙内，与采集器进行通信，参与测距过程；采集器在测距过程中，测量出与该传感器的距离，并将该距离信息上报给多功能融合分站，多功能融合分站将距离信息上传服务器；服务器进行计算后，进一步确定传感器的位置，实现传感器的定位；传感器在分配给自已的数据时隙内，采用主动上报模式上传监测数据，采集器收到上报的监测数据后，将监测数据上报给多功能融合分站，由多功能融合分站将监测数据上传服务器，实现数据采集。
优选地，采集器的处理器采用STM32F451低功耗芯片；优选地，UWB模块采用DW1000芯片制作。
继续结合图2及图3，采集器及多功能融合分站还包括相对应的CAN总线接口；
采集器与多功能融合分站通过CAN总线连接，采集器将监测数据及定位数据上报给多功能融合分站，实现多功能融合分站覆盖范围的增加。
优选地，这里的CAN总线接口采用周立功CTM8251KAT，20K通信速率，通信距离可达到2KM，降低速率还可延长通信距离。
结合图1及图2，为了延长通信距离，本系统的多功能融合分站还包括定向天线，定向天线可以使无线通信的距离达到2KM。
进一步地，为了延长通信距离，采集器也包括定向天线(图中未示出)。
为实现上述目的，本发明还提供了一种传感器，图4为本发明公开的传感器的结构示意图，如图4所示，本发明提供的传感器包括：
主控芯片、UWB模块、传感器探头及电源模块；
所述UWB模块通过时分复用实现传感器与多功能融合分站的通信及自身的定位；图5为本发明公开的传感器的UWB模块通过时分复用实现通信或定位的示意图，如图5所示，本发明实施例通过时分复用实现传感器与多功能融合分站的通信及自身的定位，具体包括：多功能融合分站或采集器首先给每一个传感器分配一个数据时隙和一个定位时隙。传感器在分配给自己的定位时隙内，与多功能融合分站或采集器进行通信，参与测距过程；如果是直接与多功能融合分站进行通信，则多功能融合分站在测距过程中，测量出与该传感器的距离，并将该距离信息上传至服务器；服务器进行计算后，进一步确定传感器的位置，实现传感器的定位；如果是与采集器进行通信，则由采集器测量出与该传感器的距离，并将该距离信息上报给多功能融合分站，多功能融合分站将距离信息上传服务器；服务器进行计算后，进一步确定传感器的位置，实现传感器的定位；在分配给自已的数据时隙内，传感器采用主动上报模式上传监测数据，如果是直接上报给多功能融合分站，则多功能融合分站收到上报的监测数据后，最终上传至服务器，实现数据采集；如果是上报给采集器，则采集器收到上报的监测数据后，将监测数据上报给多功能融合分站，由多功能融合分站将监测数据上传服务器，实现数据采集。
所述传感器探头用于采集监测数据；
所述主控芯片用于处理所述监测数据；
所述电源模块用于给所述传感器供电。
这里的监测数据可以是各种有害气体及各种机电设备的工作状态，如井下的甲烷、一氧化碳、氧气、烟雾、粉尘、风速、温度、主备扇风机的负压以及局部通风机、胶带运输机、采煤机、开关、磁力启动器等运行状态和参数等。可以理解的是，根据监测对象的不同，并不应对监测数据的类型做出限制。
进一步地，所述传感器还包括声光模块，所述声光模块用于接收语音、发光、发声。
优选地，所述主控芯片采用STM32F451低功耗芯片，所述UWB模块采用DW1000芯片；优选地，所述电源模块采用10Ah锰酸锂电池，实现长时间对传感器的供电。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种矿用井下融合系统，其特征在于，包括：
多功能融合分站、传感器、标识卡及广播终端；其中，
所述多功能融合分站包括处理器及至少两个UWB模块，所述UWB模块通过时分复用进行数据通信或定位；
所述传感器包括UWB模块，所述传感器通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块通讯，将采集到的监测数据上报给所述多功能融合分站；
所述传感器通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块实现传感器的定位；
所述标识卡包括UWB模块，所述标识卡通过UWB模块与所述多功能融合分站的UWB模块实现标识卡的定位；
所述广播终端通过光纤连接所述多功能融合分站，实现应急广播；
所述处理器用于处理所述监测数据、所述传感器与所述标识卡的定位数据以及所述应急广播。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：采集器；
所述采集器包括处理器及至少一个UWB模块，所述UWB模块通过时分复用进行数据通信或定位；
所述传感器通过UWB模块与所述采集器的UWB模块通讯，将采集到的监测数据上报给所述采集器；
所述传感器通过UWB模块与所述采集器的UWB模块实现传感器的定位；
所述采集器的处理器用于处理所述监测数据及所述传感器与所述标识卡的定位数据。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述采集器及所述多功能融合分站还包括相对应的CAN总线接口；
所述采集器与所述多功能融合分站通过CAN总线连接，所述采集器将所述监测数据及所述定位数据上报给所述多功能融合分站，实现所述多功能融合分站覆盖范围的增加。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多功能融合分站还包括定向天线，所述定向天线用于延长通信距离。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述采集器还包括定向天线，所述定向天线用于延长通信距离。
6.一种传感器，其特征在于，包括：
主控芯片、UWB模块、传感器探头及电源模块；
所述UWB模块通过时分复用实现传感器与多功能融合分站的通信及自身的定位；
所述传感器探头用于采集监测数据；
所述主控芯片用于处理所述监测数据；
所述电源模块用于给所述传感器供电。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，还包括：
声光模块，所述声光模块用于接收语音、发光、发声。
8.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述主控芯片采用STM32F451低功耗芯片，所述UWB模块采用DW1000芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Tian Yucong Inventor after: Shi Zihui Inventor after: Zhu Feng Inventor after: Zhu Xingyu Inventor after: Guo Liang Inventor after: Wang Song Inventor after: Yin Zhenyu Inventor after: Liang Jinxiu Inventor after: Li Lei Inventor before: Tian Yucong Inventor before: Shi Zihui Inventor before: Zhu Feng Inventor before: Zhu Xingyu Inventor before: Guo Liang Inventor before: Wang Song Inventor before: Yin Zhenyu Inventor before: Liang Jinxiu Inventor before: Lei Lei |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100039 1401, 14th floor, building 1, yard 16, West Fourth Ring Middle Road, Haidian District, Beijing Applicant after: Guoneng Longyuan Electric Co.,Ltd. Applicant after: BAODING LONGYUAN ELECTRIC Co.,Ltd. Address before: 100039 17th floor, building 1, yard 16, West Fourth Ring Middle Road, Haidian District, Beijing Applicant before: GUODIAN LONGYUAN ELECTRICAL Co.,Ltd. Applicant before: BAODING LONGYUAN ELECTRIC Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |