CN201007797Y - 一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度动态监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度动态监测方法及系统，系统包括：CAN总线网络、无线传感器网络和数据转换装置。通过数据转接装置，将CAN网络与无线传感网络连接起来，并利用无线传感器网络的自组织、多跳、数据采集与处理、以及无线通讯的特性，设计了一个适合在煤矿井下实现出、入井人员考勤，人员和移动车辆区域定位，并能够实现井下瓦斯浓度动态监测。该系统和方法克服了目前瓦斯监控系统与人员定位系统分别运行的不足，不仅能够实现人员区域定位和动态瓦斯检测，而且能够获得事故发生前井下的人员分布和移动机械设备的分布，为及时解救被困矿工、避免二次灾害提供可靠的数据。

Description

一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度动态监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度检测系统，尤其是涉及一种使用无线传感器技术实现人员定位和瓦斯检测功能，该系统的另一个特点是将人员定位和动态瓦斯检测报警功能合并在一套系统中，进而实现了煤矿井下综合智能管理系统。

背景技术

我国作为世界最大的产煤国，煤矿安全事故频频发生。为了保障矿工的生命安全，国家对煤矿安全的重视和监管力度的不断加强，我国大中型煤矿及广大乡镇小煤矿已大量装备了煤矿安全生产监控系统，这些安全装备的推广应用大大改善了我国煤矿安全生产状况。但是，目前煤矿井下使用的监控设备，普遍存在着功能不完善，维护、操作比较复杂，使用效率低等问题。多数煤矿仍然存在入井人员管理困难，井上人员难以及时掌握井下的情况和人员的动态分布及作业情况，对井下事故隐患不能随时监控，事故隐患区域人员情况难以掌握，不能及时组织井下人员撤离。一旦事故发生，现有监控系统对井下瓦斯、温度、压力、有毒有害气体等情况难以监测，井下人员位置难以确定，不能为救援提供可靠信息。

现有的煤矿井下监控系统与井下人员考勤定位系统为2个分立系统，使用两套计算机控制系统独立控制，人员监控系统都是采用RFID射频技术，不能够实现动态的瓦斯监测。一旦发生安全事故，不能够了解井下人员所在位置的瓦斯情况，影响人员疏散和救援。

发明内容

本实用新型的目的是要提供基于智能传感器网络技术的面向煤矿安全生产过程监控的多功能远程监控系统，其便携式移动节点设备具有动态瓦斯浓度动态监测及超标报警、井下移动人员实时定位等功能，本实用新型提供一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度动态监测系统。

为实现上述目的，本实用新型提供一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度动态监测的系统包括：

CAN总线网络中的数据按照标准CAN2.0B通讯协议进行通讯；

无线传感器网络中的数据按照串行通讯协议通过RS232串口进行通讯；

CAN总线网络，与无线传感器网络通过数据转换装置和直接汇聚点单元电气连接，用于将其控制命令、采样指令以及通讯信息传输给无线传感器网络。

根据本实用新型的实施例，所述数据转换装置包括：

CAN转换器，用于将标准CAN2.0B数据转换为RS232串行数据；

智能分站，用于对两种不同通讯协议的网络之间进行数据交互。

根据本实用新型的实施例，所述CAN总线网络的硬件包括：主控计算机、井下智能分站、CAN总线和需要控制的设备组成，其中：

主控计算机，用于生成监控指令、网络数据交换命令、传感器数据采样指令信息，用于控制智能分站工作；

智能分站、CAN总线分别通过连接电缆与主控计算机连接，用于转发监控计算机的命令和指令，以及生成对无线传感器网络数据采样点、采样传感器的指令，并存储获得的无线网络采样数据和采样点地址信息；

需要控制的设备，这些设备通过电缆直接连接在CAN总线上，构成CAN网络的终端被控设备。

根据本实用新型的实施例，所述无线传感网络由无线节点和传感器组成，无线节点分为固定节点和移动节点，固定节点包括直接汇聚节点模块和中继汇聚节点模块、移动节点即是移动节点模块，传感器连接在移动节点模块上，其中：

直接汇聚节点模块和中继汇聚节点模块、移动节点模块结构相同，直接汇聚节点模块上安装有直接汇聚节点单元，中继汇聚节点上模块安装有中继汇聚节点单元，移动节点模块上安装的是移动节点单元；直接汇聚节点模块通过电缆直接连接在智能分站和CAN总线上；

中继汇聚节点模块通过中继通讯链路与直接汇聚节点模块交换数据和信息；直接汇聚节点模块和中继汇聚节点模块与接收范围内的移动节点模块通讯和交换数据；

移动节点模块，用于负责瓦斯传感器数据的采集；

用于对与直接汇聚节点模块和中继汇聚节点模块之间的通讯；

用于实时向直接汇聚节点模块和中继汇聚节点模块传送自己的特征码和所在地点的瓦斯浓度信息，这些信息通过直接汇聚节点模块和中继汇聚节点模块传送到智能分站上，运行智能分站对瓦斯浓度数据进行分析和处理，当瓦斯浓度超限时，智能分站发出报警信号，并由智能分站直接对危险区域进行区域断电保护处理，同时通过CAN总线上传瓦斯浓度数据到主控计算机中；

需要控制的设备上的安全检测传感器和设备供电电源开关连接在智能分站上，用于在瓦斯浓度超限时，智能分站直接控制断电。

根据本实用新型的实施例，所述直接汇聚节点模块和中继汇聚节点模块的安装位置是按照矿井下巷道地理位置设置。

根据本实用新型的实施例，所述主控计算机中存储着每个直接汇聚节点模块和中继汇聚节点模块所在的位置和每个移动节点模块佩戴人的信息，根据这些信息，主控计算机上运行的综合管理单元确定任意一个移动节点模块在井下的区域位置和所在区域的瓦斯浓度。

根据本实用新型的实施例，所述直接汇聚节点模块和中继汇聚节点模块的通讯通过RS232串口连接在智能分站上，还通过CAN2.0B转接器将RS232接口转换为CAN接口再连接到CAN总线上；还通过一定数量的中继汇聚节点模块采取无线传递方式实现通讯。

本实用新型的积极效果：

本实用新型中继汇聚节点的设计，克服了传统方法中搭设有线通讯线路的弱点，中继汇聚节点可以随着采煤工作面的变化而重新放置，大大节省了布线成本和布线时间。直接汇聚节点和中继汇聚节点的通讯配置能够大大减少井下布线距离和井下智能分站的使用数量，节约资金投入，方便维护，增加了无线监测的灵活性。

本实用新型系统将人员定位与瓦斯浓度动态监测有机的结合在一个系统中，主控计算机中的智能处理对这些传感器数据和节点状态数据实施分析和处理，形成瓦斯浓度和井下人员分布情况图表，能够及时、准确的获得井下人员位置和人员所在区域的安全状况，为煤矿安全生产提供井下的实时动态数据。这些数据不仅在安全生产中必不可少，一旦发生安全事故时，通过人员区域定位数据，最大限度地避免事故发生和人员伤亡，能够获得事故发生前井下的人员分布和移动机械设备的分布，为及时解救被困矿工、避免二次灾害提供可靠的数据。本实用新型系统能够随时监测瓦斯浓度，实时监控井下安全状况，及时采取局部区域生产断电保护，并及时组织危险区域人员撤离。

附图说明

图1是本实用新型监测系统整体结构框图

图2本实用新型实施例监测系统结构示意图

图3是本实用新型实施例监测系统矿井下工作示意图

图4是本实用新型实施例监测系统软件结构框图

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。

本实用新型是利用无线传感器网络的自组织、多跳、数据采集与处理、以及无线通讯的特性，设计了一个适合在煤矿井下实现出、入井人员考勤，人员和移动车辆区域定位，并能够实现井下瓦斯浓度动态监测的系统。为煤矿安全生产提供井下的实时动态数据。这些数据不仅在安全生产中必不可少，一旦发生安全事故时，通过人员区域定位数据，能够获得事故发生前井下的人员分布和移动机械设备的分布，为及时解救被困矿工、避免二次灾害提供可靠的数据。

本实用新型的系统采用CAN总线网络结合无线传感器网络两种技术。根据如下系统的硬件系统如图1本实用新型监测系统整体结构框图和如图2是本实用新型实施例监测系统结构示意图，对本实用新型进行进一步的描述，其中包括：CAN总线网络1和无线传感网络2，CAN转换器31、智能分站32、直接汇聚节点单元21。

CAN总线网络1中的数据是按照标准CAN2.0B通讯协议进行通讯的，无线传感器网络2中的数据是按照串行通讯协议通过RS232串口进行通讯的，因此，两种不同通讯协议的网络之间进行数据交互，需要中间数据转换环节装置3，在本实用新型中，数据转换环节装置3有两种设备完成：CAN转换器31和井下智能分站32。CAN转换器31可使用任何一种能够将标准CAN2.0B数据转换为RS232串行数据的产品，井下智能分站32可使用符合国家安全规定的、可在煤矿井下使用的任意一种智能分站产品。无线传感网络2中的无线节点可使用符合IEEE802.15.4标准并兼容zigbee的无线节点。

CAN总线网络1主要包括主控计算机11、井下智能分站32、CAN总线连接13，安全检测传感器和需要控制的设备14；

需要控制的设备14主要包括矿井下排风设备、采掘设备；这些设备上携带的安全检测传感器，如断电传感器、风门传感器、风速传感器等。这些安全检测传感器和设备的供电电源开关连接在井下智能分站32上，以便在瓦斯浓度超限时，井下智能分站单元63直接控制断电。

主控计算机11与井下智能分站12构成的CAN总线网络1与无线传感器网络2之间的连接方式有两种：一种是直接汇聚点模块21的RS232串口通过电缆与井下分站32的RS232串口直接电器连接；另一种是直接汇聚点模块21的RS232串口通过CAN转接器31与井下智能分站32的CAN接口直接电器连接，或是直接汇聚点模块21的RS232串口通过CAN转接器31直接连接在CAN总线13上。

主控计算机11中安装有CAN通讯卡110，CAN通讯卡110通过CAN总线13连接到井下设备，井下设备包括井下智能分站32、安全检测传感器或其他需要控制的设备24。带有CAN接口的安全检测传感器或需要控制的设备24可以直接连接在CAN总线13上，带有串口的传感器或需要控制的设备24，则通过CAN转换器31连接到CAN总线13上。

井下智能分站32带有2个接口即：串口120和CAN接口121。串口120与无线传感网络2中的直接汇聚节点21连接，CAN接口121与安全检测传感器或需要控制的设备24连接。直接汇聚节点模块21通过无线方式与中继汇聚节点模块22和移动节点模块23通讯并交换数据，移动节点模块23上连接有瓦斯传感器25。

无线传感网络2由无线节点和传感器组成：无线节点有固定节点和移动节点两种，固定节点即是汇聚节点，包括直接汇聚节点模块21和中继汇聚节点模块22，移动节点即为移动节点模块23；以及连接在运动节点模块23上的传感器25。每一个无线节点：包括直接汇聚节点、中继汇聚节点和移动节点，都有一个固定属于自己的特征码，这个特征码和采样数据一起传输到主控计算机11中，主控计算机11根据固定节点即汇聚点的位置，确定移动节点所在的位置，即采样地址，具体的如下：

直接汇聚节点模块21和中继汇聚节点模块22的作用是接收无线通讯范围内移动节点模块23和其他中继汇聚节点模块22的信息和数据。汇聚节点模块与移动节点模块的二者的硬件结构和配置是相同的，可以采用任何一种符合IEEE 802.15.4标准并可以兼容zigbee的无线传感器节点，带有一个标准得RS232接口，主要区别在于节点模块上运行的软件节点单元作用不同，直接汇聚节点模块21上安装有直接汇聚节点单元，中继汇聚节点模块22上安装有中继汇聚节点单元，移动节点模块23上安装的是移动节点单元。直接汇聚节点单元、中继汇聚节点单元、移动节点单元采用c语言编制软件。直接汇聚节点模块21的作用是把接收到的数据通过RS232串行通讯口120传送到智能分站12中，或者通过CAN转接器31直接连接到CAN总线13上。中继汇聚节点模块22一般是固定安装在工作面或比较细小的巷道里，中继汇聚节点模块22支持多跳功能，这种节点模块除了接收附近移动节点模块23的信息，还有为其他中继汇聚节点模块22充当通讯中继的作用，既在接收移动节点模块23信息和数据的同时，作为通讯桥，为不能与直接汇聚节点模块21建立无线通讯链路的其他中继汇聚节点模块22转接信息。

传感器25采用的微型红外瓦斯传感器或便携式红外甲烷气体监测仪，传感器25还可采用微型瓦斯传感器、或微型温度、湿度、压力等传感器；移动节点单元23和瓦斯传感器25采用电池供电。

如图3是本实用新型监测系统矿井下工作示意图所示，图中标记为：

      智能分站

●    汇聚点

·    移动节点(带有瓦斯浓度传感器)

CAN总线

无线通讯链路

中继通讯链路

主控计算机11放置在地面控制室中，主控计算机11中安装有CAN2.0B通讯卡110，CAN通讯卡110通过PCI或ISA总线插槽安装在计算机中。井下智能分站32安装在矿井下的巷道里，井下智能分站32的安装个数取决于矿井巷道的结构和分布情况。CAN通讯卡110和各个智能分站32之间通过电缆连接，直接汇聚节点模块21和中继汇聚节点模块22通过CAN转接器31，连接在CAN总线13上。在井下巷道的转弯处、分支路口，都需要布置汇聚节点，直接汇聚节点模块21都安装在巷道的转弯处。当携带移动节点模块23的人员经过这些汇聚节点或在汇聚节点附近工作时，移动节点模块23的身份码和瓦斯传感器25的数据就会被汇聚节点收集到，并且实时发送到智能分站32和主控计算机11中。

具体的工作如图3，直接汇聚节点模块1布置在入井口，直接汇聚节点模块2布置在滑轨上的滑车停止处，这两个汇聚点的作用是收集集中乘坐滑车入井人员的信息；中继汇聚点模块1和中继汇聚点模块2安装在掘进采煤工作面上，随着掘进深度的增加，可增加中继节点模块放置个数，保持节点之间的无线连接通路，确保对采煤工作面的人员与瓦斯浓度监测。中继节点模块3、中继节点模块4和中继节点模块5放置在回采工作面和回采巷道里，通过这几个汇聚节点模块的中继，回采面的人员信息和动态瓦斯监控数据能够顺利传输到直接汇集节点模块4中，并通过直接汇聚点模块4，上传到智能分站32和主控计算机1 1中。

我们采用一台高性能计算机PC机作为主控计算机11，这台计算机CPU主频为P4-2.8G，内存为512M，硬盘80G。在主控计算机11的PCI插槽中，主控计算机11中安装有一块研华CAN2.0B通讯卡110，在CAN通讯卡110的通讯端口上连接电缆，电缆上可以分接出电气连接端子，能够和支持CAN2.0B标准的设备直接连接。电缆的另一端连接在一个井下智能分站32的CAN口121上，智能分站32的串口120连接了汇聚点，能够与无线传感器网络2中的直接汇聚点模块21和中继汇聚点模块22连接，也能够连接多种需要控制的设备14。电缆上分接出的电器连接端子连接了一个RS232串口转CAN2.0B接口的CAN转接器31，CAN转接器31的CAN接口联接在电缆的分出端子上，RS232接口连接到另一个汇聚点的串口。系统中使用了3个中继节点模块22，通过中继节点模块22，将数据传送到智能分站32连接的汇聚点节点模块21和22上。在这个实现实例中，使用了20个无线移动节点模块23佩戴在工作人员身上。在本实例中，汇聚节点模块21和22和移动节点模块23的发射接收频率为2.4G，无线传输距离为100米。其中3个移动节点23上安装了微型红外瓦斯浓度传感器。

如图4本实用新型监测系统软件结构框图所示，综合分析管理单元61、数据通讯与分配单元62、井下智能分站控制单元63、直接汇聚节点单元64、中继汇聚节点单元65、移动节点单元66，在这些单元中运行的软件主要包括综合管理系统软件、分站数据采集处理软件、无线传感器网络控制软件。硬件配置和软件功能都可根据系统使用的环境和具体要求设计与实现。

本实例中，基于WINDOWS XP操作系统，采用VC++6.0编制的监控系统软件有综合管理单元61软件主要包括：人-机交互界面611、综合分析管理子单元612，数据通讯与分配单元62软件。

人-机交互界面611是操作员与监控系统交互的接口包括：主要负责完成参数设置、命令输入、打印设置和数据上报，其中：

参数设置主要参数包括：人员考勤参数，上下班时间、班次、请假分类、报表生成和上报时间等；瓦斯超限报警参数：瓦斯超限级别、报警强度和次数，紧急处理方式等。

综合分析管理子单元612包括：瓦斯数据保存、数据分析、危险度评价、人员信息数据库等，其中：

这个单元是整个系统软件的主体，负责瓦斯监控数据的分析和处理，历史数据的保存和瓦斯超限建模，瓦斯爆炸危险度评价、以及井下人员分布和定位。

本实用新型实现的系统经过一段时间的运行，效果良好，表明本实用新型的内容达到了瓦斯动态监测和人员考勤定位的目的。监控系统软件工作流程如下：

1.系统启动，在主控计算机11的控制下，如下单元进入运行状态：综合管理单元61，井下智能分站中运行智能分站控制单元63，直接汇聚节点中运行直接汇聚节点单元64；

2.直接汇聚节点单元64向周围广播通讯命令；

3.接收到直接汇聚节点单元64通讯命令的中继汇聚节点单元65启动，向周围广播中继通讯消息，并进入接收状态，准备接收移动节点单元66发来的信息；

4.接收到直接汇聚节点单元64通讯命令的移动节点单元66启动，并开启瓦斯传感器，开始读取瓦斯传感器监测到的瓦斯浓度，并将瓦斯浓度和移动节点模块23的特征号码发送给直接汇聚节点单元64。接收到中继汇聚节点单元65通讯消息的移动节点单元66启动并开启瓦斯传感器，开始读取瓦斯传感器监测到的瓦斯浓度，并将瓦斯浓度和移动节点模块23的特征号码发送给中继汇聚节点单元65；

5.中继汇聚节点单元65把收集到的移动节点模块23信息，按照一定周期发送到直接汇聚节点单元64中；

6.直接汇聚节点单元64把收到的来自移动节点单元23的数据和信息发送到井下智能分站控制单元63中。井下智能分站控制单元63将接收到的数据存储在本地硬盘中，同时对数据进行初步分析，如果瓦斯浓度超出设定极限则报警，并对区域内的可控设备实现断电保护；

7.井下智能分站控制单元63按照一定周期向数据通讯与分配单元62发送数据和信息，数据通讯与分配单元62将数据分配给综合管理单元61的不同子单元。瓦斯浓度数据分配给数据保存、分析子单元，移动节点模块23特征码分配给人员考勤、人员定位子单元；

8.综合管理单元61中的数据保存、分析子单元将读取来的原始数据存储在硬盘里。同时开始计算和分析采集到的数据，形成瓦斯浓度动态监测文件；

9.综合管理单元61中的人员考勤、人员定位模块根据移动节点模块23的特征码，识别出移动节点模块23节点绑定的人员，以及某个时间段移动节点通讯范围内的汇聚节点，从而得到人员考勤和定位文件；

10.通过综合管理单元61的人机操作界面611，可以设置各种参数、查询井下人员的位置、动态查询井下瓦斯浓度，输出井下人员运动路径和出入情况，输出瓦斯浓度动态监测图形，还可以形成上报表格打印输出。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度动态监测的系统，其特征在于，包括：

CAN总线网络(1)中的数据按照标准CAN2.0B通讯协议进行通讯；

无线传感器网络(2)中的数据按照串行通讯协议通过RS232串口进行通讯；

CAN总线网络(1)，与无线传感器网络(2)通过数据转换装置(3)和直接汇聚点单元(21)电气连接，用于将其控制命令、采样指令以及通讯信息传输给无线传感器网络(2)。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，数据转换装置(3)包括：

CAN转换器(31)，用于将标准CAN2.0B数据转换为RS232串行数据；

智能分站(32)，用于对两种不同通讯协议的网络之间进行数据交互。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述CAN总线网络(1)的硬件包括：主控计算机(11)、井下智能分站(32)、CAN总线(13)和需要控制的设备(14)组成，其中：

主控计算机(11)，用于生成监控指令、网络数据交换命令、传感器数据采样指令信息，用于控制智能分站(32)工作；

智能分站(32)、CAN总线(13)分别通过连接电缆与主控计算机(11)连接，用于转发监控计算机(11)的命令和指令，以及生成对无线传感器网络(2)数据采样点、采样传感器的指令，并存储获得的无线网络采样数据和采样点地址信息；

需要控制的设备(14)，这些设备通过电缆直接连接在CAN总线上，构成CAN网络的终端被控设备。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：无线传感网络(2)由无线节点和传感器组成，无线节点分为固定节点和移动节点，固定节点包括直接汇聚节点模块(21)和中继汇聚节点模块(22)、移动节点即是移动节点模块(23)，传感器(25)连接在移动节点模块(23)上，其中：

直接汇聚节点模块(21)和中继汇聚节点模块(22)、移动节点模块(23)结构相同，直接汇聚节点模块(21)上安装有直接汇聚节点单元，中继汇聚节点上模块(22)安装有中继汇聚节点单元，移动节点模块(23)上安装的是移动节点单元；直接汇聚节点模块(21)通过电缆直接连接在智能分站(32)和CAN总线(13)上；

中继汇聚节点模块(22)通过中继通讯链路与直接汇聚节点模块(21)交换数据和信息；直接汇聚节点模块(21)和中继汇聚节点模块(22)与接收范围内的移动节点模块(23)通讯和交换数据；

移动节点模块(23)，用于负责瓦斯传感器(25)数据的采集；

用于对与直接汇聚节点模块(21)和中继汇聚节点模块(22)之间的通讯；

用于实时向直接汇聚节点模块(21)和中继汇聚节点模块(22)传送自己的特征码和所在地点的瓦斯浓度信息，这些信息通过直接汇聚节点模块(21)和中继汇聚节点模块(22)传送到智能分站(32)上，运行智能分站(32)对瓦斯浓度数据进行分析和处理，当瓦斯浓度超限时，智能分站(32)发出报警信号，并由智能分站(32)直接对危险区域进行区域断电保护处理，同时通过CAN总线(13)上传瓦斯浓度数据到主控计算机(11)中；

需要控制的设备(14)上的安全检测传感器和设备供电电源开关连接在智能分站(32)上，用于在瓦斯浓度超限时，智能分站(32)直接控制断电。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：直接汇聚节点模块(21)和中继汇聚节点模块(22)的安装位置是按照矿井下巷道地理位置设置。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：主控计算机(11)中存储着每个直接汇聚节点模块(21)和中继汇聚节点模块(22)所在的位置和每个移动节点模块(23)佩戴人的信息，根据这些信息，主控计算机(11)上运行的综合管理单元(61)确定任意一个移动节点模块(23)在井下的区域位置和所在区域的瓦斯浓度。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，直接汇聚节点模块(21)和中继汇聚节点模块(22)的通讯通过RS232串口连接在智能分站(32)上，还通过CAN2.0B转接器(26)将RS232接口转换为CAN接口再连接到CAN总线(13)上；还通过一定数量的中继汇聚节点模块(22)采取无线传递方式实现通讯。

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