CN205830041U - 抗灾变矿井应急通信与定位系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种抗灾变矿井应急通信与定位系统，该系统包括无线节点设备和无线供电设备，无线供电设备以无线供电方式为无线节点设备供电，当矿井下发生灾害事故时，可通过无线节点设备组成应急无线通信网络，为井下无线终端设备提供通信服务。该系统能够避免在灾害发生时由于通信、供电电缆的损坏而导致井上与井下的通信中断，保证在井下灾害发生后，可以为井下被困人员和救援人员提供可靠的通信和定位服务，同时可为视频和传感器设备提供数据链路通信服务。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种抗灾变矿井应急通信与定位系统，该系统涉及无线通信技术、无线充电技术等领域。
背景技术
煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。井下通讯联络系统是煤矿“六大安全避险系统”之一，是煤矿安全生产的重要保障。现有井下通讯联络系统主要包括有线调度系统、移动通信系统、广播系统、救灾系统、透地通信系统。当井下发生瓦斯突出、瓦斯爆炸、冲击地压、冒顶、水灾、火灾等事故时，会对井下巷道内的各种通信设备、通信线缆、供电线缆造成破坏，所以有线调度系统、移动通信系统、广播系统易受灾害事故影响无法使用。救灾通信系统由灾后救援人员携带的无线通信系统，可在灾后一定范围内实现通信，但对于救援人员无法到达的区域仍无法通信。透地通信系统是基于低频透地通信技术的通信系统，事故影响小，抗灾能力强，但透地通信的发送设备和发送天线体积大成本高，所以透地通信一般采用单向广播通信方式，井下人员只能接收井上的信息，不能发送信息，只有在井下有限数量的硐室才可配有发射设备，发生事故后井上仍无法获知不在硐室内的井下人员情况，所以透地通信系统也无法满足矿井应急通信需要。为保证井下人员的生命安全并解决以上问题，需要新的应急无线通信系统，能够避免在灾害发生时由于通信、供电电缆的损坏而导致井上与井下的通信中断，保证在井下灾害发生后，可以为井下被困人员和救援人员提供可靠的通信和定位服务，同时可为视频和传感器设备提供数据链路通信服务。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种抗灾变矿井应急通信与定位系统，在井下间隔一定距离安装无线节点设备，无线节点设备采用无线多跳通信方式组成无线通信网络；井下的无线移动终端设备由无线节点设备接入无线通信网络；无线节点设备内置蓄电池；无线节点设备由无线供电设备提供工作电能和蓄电池充电电能；无线供电设备由供电线缆提供电源输入；无线供电设备可采用红外供电方式的红外供电设备、或采用激光供电方式的激光供电设备、或采用无线电供电方式的无线电供电设备。
1.所述系统进一步包括：无线节点设备外壳包括顶部和底部，无线节点设备底部紧贴安装面固定，外壳剖面应具有以下特征，侧面呈流线型，顶部没有锐角或直角，底部与顶部交界角为锐角；顶部材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温隔热材料；底部材料采用具有良好导热特性的材料；无线节点设备外壳具有防水功能。
2.所述系统进一步包括：供电线缆采用漏泄电缆。
3.所述系统进一步包括：无线供电设备的电源输入可采用统一供电方式也可采用分区供电方式；当采用统一供电方式时，所有无线供电设备并联在同一路直流供电线缆上，由此路直流供电线缆统一供电，电源由并联在此路直流供电线缆上的各交/直流电转换设备共同提供；当采用分区供电方式时，各区域的无线式供电设备并联在本区域的直流供电线缆上，由此路区域直流供电线缆供电，电源由本区域的交/直流电转换设备单独提供。
4.所述系统进一步包括：无线供电设备的电源输入可采用交流直接供电方式，当采用此供电方式时，无线供电设备内置有交/直流转换模块，可直接连接交流供电线缆实现供电。
5.所述系统进一步包括：无线移动终端设备包括手机、定位卡、具有无线通信功能的矿灯、具有无线通信功能的便携仪器和其它具有无线通信功能的设备。
6.所述系统进一步包括：无线移动终端设备设有紧急呼叫按钮，用于激活通信区域内的无线节点设备。
7.所述系统进一步包括：无线节点设备安装于巷道侧壁或顶部和井筒壁，也可安装于巷道侧壁或顶部和井筒壁牢固的且在巷道使用期内永久性保留的附属设施上。
附图说明
图1抗灾变矿井应急通信与定位系统实施示意图1。
图2抗灾变矿井应急通信与定位系统实施示意图2。
图3无线供电设备统一供电示意图。
图4无线供电设备区域供电示意图。
图5无线供电设备与无线节点设备安装位置示意图。
图6无线电供电方式的无线供电设备与无线节点设备安装和剖面结构示意图。
图7红外或激光供电方式的无线供电设备与无线节点设备安装和剖面结构示意图
图8无线供电设备原理组成示意图。
图9无线节点设备原理组成示意图。
图10井下的无线移动终端设备发起通信的系统工作流程图。
图11井上设备呼叫井下的无线移动终端设备通信的系统工作流程图。
具体实施方式
所述通信与定位系统的具体实施方式1如图1所示，组成包括：
1.监控终端(101)，通过无线通信网络与井下无线移动终端设备(106)双向通信。
2.交换机(102)，负责所有接入以太网的设备的数据交换，同时负责无线通信网络的建立与管理。
3.无线供电设备(103)，通过无线供电方式为无线节点设备(104)供电，通过供电线缆从交/直流电转换设备(105)获取直流电能。
4.无线节点设备(104)，负责组建无线通信网络；在无线供电设备(103)无法正常工作的情况下自动进入省电工作状态，可被无线移动终端设备(106)和相邻的其它设备激活进入正常工作状态，在通信完成后自动返回省电工作状态。
5.交/直流电转换设备(105)，将井下交流电源转换为直流电通过供电线缆为无线供电发射设备(103)供电；如采用交流供电方式，无线供电设备直接接井下交流电源，则不需要交/直流电转换设备。
6.无线移动终端设备(106)，包括手机、定位卡、具有无线通信功能的矿灯、具有无线通信功能的便携仪器和其它具有无线通信功能的设备，设有紧急呼叫按钮，用于激活通信区域内的处于省电状态的无线节点设备(104)。
图2所示为所述通信与定位系统在斜井、平硐的实施方式示意图。
无线供电设备的供电方式包括统一供电方式、分区供电方式、交流供电方式。统一供电的实施方式如图3所示，所有无线供电设备(103)由统一供电线缆采用直流供电方式供电，无线供电设备(103)以并联方式连接统一供电线缆，实施时需间隔一定距离并联一个交/直流电转换设备(105)以补偿电缆压降，保证供电电压。
无线供电设备的分区供电方式的实施方式如图4所示，与统一供电的区别在于不采用统一供电线缆，而采用区域供电线缆上供电，电源由本区域的交/直流电转换设备(105)单独提供。
图5为无线供电设备与无线节点设备在巷道中安装位置示意图，无线供电设备(103)与无线节点设备(104)相邻安装。
图6为无线电供电方式的无线供电设备与无线节点设备安装和剖面结构示意图，包括：
1.锚杆(601)，用于固定安装无线节点设备，深入巷道壁内部，使无线节点设备底部紧贴安装平面固定，事故发生时可有效防止无线节点设备脱落。
2.无线节点设备外壳底部(602)，用于搭载和安装无线节点设备各部件，采用具有良好导热性能的材料，并具有防水功能，可将设备内部热量传导至底部接触的介质上进行传导散热。
3.无线节点设备外壳顶部(603)，呈流线型，材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温隔热材料，并具有防水功能。
4.无线节点设备主板固定铜柱(604)，用于支撑和固定无线节点设备主板(203)，共4个，固定在无线节点设备底部。
5.无线节点设备电池(605)，安装在无线节点设备外壳底部。
6.无线节点设备主板(606)，包括除天线外所有的无线节点设备组成元部件，安装在电池上方，与电池间隔一定的距离。
7.无线节点设备通信天线(607)，FPC板型天线采用柔性专用转接线与主板上的IPX接口连接。
8.无线节点设备供电接收天线(608)，与无线供电发射设备发射天线(210)相对。
9.膨胀螺栓(609)，用于安装固定无线供电发射设备。
10.无线供电设备供电发射天线(610)，紧靠外壳壁安装，与无线节点设备供电接收天线(608)方向相对。
11.无线供电设备主板(611)，主要包括无线供电发射管理元部件。
12.无线供电设备的直流电压转换模块(612)。
13.无线供电设备外壳(613)。
图7为红外或激光供电方式的无线供电设备与无线节点设备安装和剖面结构示意图，设备的安装方式及总体结构与图6所示基本相同，区别主要在于：
1.半导体激光器(701)，可发射810nm的近红外激光或其他波长的激光。
2.单晶硅光电转换板(702)；，将近红外激光或其他波长的激光转换为电能，多个光电转换板并联连接。
如图8所示为无线供电设备的硬件主要组成，包括：
1.直流电压转换模块(801)，直流电压转换模块输入电压24V，输出电压和功率需满足无线供电发射管理模块供电要求。
2.无线供电发射管理模块(802)，如采用无线电供电方式，则采用XKT-830B模块；如采用红外或激光供电方式，则采用半导体激光器发射相关的控制模块。
3.无线供电发射部件(803)，如采用无线电供电方式，则采用环形发射线圈，线圈外径48mm，线圈内径30mm，线圈厚度0.6mm；如采用红外或激光供电方式，则以半导体激光器作为发射部件。
如图9所示为无线节点设备的硬件组成示意图，主要组成包括：
3.处理器(901)，采用Atheros AR7161无线网络处理器，工作频率600Mhz。
4.存储单元(902)；包括快速闪存和随机存储器。快速闪存采用32M Flash；随机存储器采用128M SDRAM。
5.无线通信单元(903)：包括无线通信模块和天线。无线通信模块核心芯片采用Atheros AR9220；天线采用FPC板型内置天线，通过柔性专用转接线与主板上AR9220引出的IPX接口连接，最大增益不小于3.5dBi。
6.最靠近巷道出口的无线节点设备除起无线移动终端设备无线的接入的作用外，还具有将应急无线通信网络接入井上有线网络的功能，所以此无线节点设备具有有线通信单元。有线通信单元(904)包括有线通信模块和通信接口。有线通信模块核心芯片采用Atheros AR8035，支持千兆以太网。通信接口采用标准以太网通信接口。
7.电源单元(905)：包括电池、电压转换和电池充放电管理部分，电池使用锂离子蓄电池，锂电池应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有有外保护电路，具备防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换负责将锂电池输出电压转换为其它单元元件所需电压，采用MAX1724电源芯片。电池充电管理核心芯片采用CS0301锂电池充电管理芯片。
8.无线供电单元(906)：包括无线供电接收管理模块和能量接收部件。如采用无线电供电方式，无线供电接收管理模块采用XKT-830B接收模块，能量接收部件采用环形线圈，接收线圈外径30mm，线圈内径15mm，线圈厚度0.6mm；如采用红外或激光供电方式，则以单晶硅光电转换板作为能量接收部件，并使用与之匹配的无线供电接收管理模块。
应急通信时，如井下无线移动终端设备发起通信，所述系统的工作流程如图10所示：
1.(1001)按下无线移动终端设备的紧急呼叫按钮及呼叫号码，无线移动终端设备发送网络链路建立请求。
2.(1002)最近的无线节点设备接收无线移动终端设备网络链路建立请求，如无线节点设备处于省电状态，则从省电状态转入正常工作状态。
3.(1003)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。
4.(1004)无线节点设备根据路由判断网络链路方向，如被呼叫设备由本无线节点设备接入，则执行(1007)；如被呼叫设备的路由级数较低，则执行(1005)；如被呼叫设备的路由级数较高则执行(506)。
5.(1005)依次唤醒上行方向上处于省电状态的无线节点设备，直至被呼叫所在区域的无线节点设备，如被呼叫设备是井上设备，则唤醒上行方向的所有无线节点设备。
6.(1006)依次唤醒下行方向上处于省电状态的无线节点设备，直至被呼叫设备所在区域的无线节点设备。
7.(1007)网络链路所需设备都被唤醒后，建立呼叫设备和被呼叫设备之间的网络链路。
8.(1008)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。
9.(1009)呼叫设备或被呼叫设备任一方主动结束通信，或超过设定时间网络链路无数据通信，则断开网络链路。
10.(1010)断开网络链路延迟设定时间后，此网络链路上原处于省电状态的无线节点设备再次转入省电状态。
应急通信时，如井上设备发起同井下的无线移动终端设备的通信，所述系统的工作流程如图11所示：
1.(1101)井上设备呼叫井下的无线移动终端设备。
2.(1102)接入有线网络的无线节点设备接收井上设备的网络链路建立请求。
3.(1103)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。
4.(1104)依次唤醒下行方向上处于省电状态的无线节点设备，直至被呼叫设备所在区域的无线节点设备。
5.(1105)网络链路所需设备都被唤醒后，建立呼叫设备和被呼叫设备之间的网络链路。
6.(1106)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。
7.(1107)呼叫设备或被呼叫设备任一方主动结束通信，或超过设定时间网络链路无数据通信，则断开网络链路。
8.(1108)断开网络链路延迟设定时间后，此网络链路上原处于省电状态的无线节点设备再次转入省电状态。
Claims (8)
1.一种抗灾变矿井应急通信与定位系统，其特征在于：在井下间隔一定距离安装无线节点设备，无线节点设备采用无线多跳通信方式组成无线通信网络；井下的无线移动终端设备由无线节点设备接入无线通信网络；无线节点设备内置蓄电池；无线节点设备由无线供电设备提供工作电能和蓄电池充电电能；无线供电设备由供电线缆提供电源输入；无线供电设备可采用红外供电方式的红外供电设备、或采用激光供电方式的激光供电设备、或采用无线电供电方式的无线电供电设备。
2.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于：无线节点设备外壳包括顶部和底部，无线节点设备底部紧贴安装面固定，外壳剖面应具有以下特征，侧面呈流线型，顶部没有锐角或直角，底部与顶部交界角为锐角；顶部材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温隔热材料；底部材料采用具有良好导热特性的材料；无线节点设备外壳具有防水功能。
3.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于：供电线缆采用漏泄电缆。
4.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于：无线供电设备的电源输入可采用统一供电方式也可采用分区供电方式；当采用统一供电方式时，所有无线供电设备并联在同一路直流供电线缆上，由此路直流供电线缆统一供电，电源由并联在此路直流供电线缆上的各交/直流电转换设备共同提供；当采用分区供电方式时，各区域的无线式供电设备并联在本区域的直流供电线缆上，由此路区域直流供电线缆供电，电源由本区域的交/直流电转换设备单独提供。
5.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于：无线供电设备的电源输入可采用交流直接供电方式，当采用此供电方式时，无线供电设备内置有交/直流转换模块，可直接连接交流供电线缆实现供电。
6.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于：无线移动终端设备包括手机、定位卡、具有无线通信功能的矿灯、具有无线通信功能的便携仪器和其它具有无线通信功能的设备。
7.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于：无线移动终端设备设有紧急呼叫按钮，用于激活通信区域内的无线节点设备。
8.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于：无线节点设备安装于巷道侧壁或顶部和井筒壁，也可安装于巷道侧壁或顶部和井筒壁牢固的且在巷道使用期内永久性保留的附属设施上。
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Cited By (1)
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| CN107820220A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-03-20 | 拜城县众维煤业有限公司 | 一种矿用应急救援多功能通信节点 |
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2016
- 2016-05-05 CN CN201620398702.4U patent/CN205830041U/zh active Active
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