專利名稱：礦井井下智能無線監控與定位系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種礦井井下智能無線監控與定位系統，屬于礦井井下定位與監控領 域。
背景技術：
建立煤礦井下完善的監控體系和精確的人員定位系統是目前貫徹以“預防為主” 的安全生產理念的前提條件。目前一些專利涉及了這方面的研究。CN 201096877Y公布了一種基于ZIGBEE的無線定位系統。該專利主要問題是 (1)只是利用當前的信息來定位，而不是將歷史數據和現在數據融合進行定位；(2)沒有融 合礦井監控功能。CN 101369944A提出了基于ZIGBEE和RFID的礦井無線定位系統及其布設方法。 采用RFID進行定位，通過ZIGBEE進行定位信息的發送。此專利的主要問題(1)沒有結合 定位與監控；(2) RFID是單向的；(3)只是利用當前的信息來定位，而不是將歷史數據和現 在數據融合進行定位；CN200710171812.2井下煤礦人員實時無線定位方法提出了一種井下煤礦人員實 時無線定位方法，采用基于無線節點射頻信號強度的分布式實時定位方法或接收信號功率 指標。RSSI與實際距離之間的轉換方法。但是無線信號的強度受到的干擾因素太多，比如 當人體進入該場景時，也會影響無線信號的強度。因此定位不準確。CN200620101832. 3礦井工作人員定位系統提出了無線定位和監控的一個概念，但 是對于礦井定位的關鍵問題如何利用無線系統進行準確的定位，該專利并沒有提出新的 算法。CN201234272Y煤礦井下無線傳感器網絡節點設備。提出了煤礦井下基于無線傳感 器網路的人員定位和環境監測的硬件平臺。但是對于礦井救援和監控來說，這些硬件是最 基本也是最常規的，該專利并沒有解決如何利用這些設備進行礦井定位的系統問題，僅僅 涉及一些硬件。同時該設備也沒有解決移動節點傳感器的標定和精度問題。CN201408358Y提出了一種基于無線傳感器網絡的礦井監控設備。但是該設備在實 際中無法應用(1)沒有解決傳感器的標定，因此容易經常導致誤報；(2)沒有有效的定位 方案。CN101621431A煤礦井下無線傳感器網絡節點設備。提出了基于無線傳感器網絡的 人員定位和環境監測的硬件平臺。但該設備沒有解決有效的利用礦井現有條件組網問題， 因為無線信號在井下干擾大，有時無法發送數據，導致礦井監控不利。關鍵的傳感器固定節 點應該采用有線通訊方式。同時該設備沒有解決基于融合方法的定位問題。CN101051079A提出了藍牙進行定位系統。但是藍牙的組網和網絡節點數受到限 制。CN201007797Y —種煤礦井下人員定位與瓦斯濃度動態監測系統。與專利 CN201408358Y—樣，(1)沒有解決傳感器的標定，因此容易經常導致誤報；(2)沒有有效的
4定位方案。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的缺陷，提供一種礦井井下智能無線監控與定 位系統，該系統將監控與定位有效結合，在監控中利用礦井中最活躍的人作為測量載體，結 合定位固定無線基站的測量傳感器，形成一個全礦區的完善監控三維分布圖，對礦井實現 完整的監控和預報。在人員和物品定位中，利用無線網絡系統和礦井巷道特征，通過融合移 動載體即井下工作人員的歷史位置和當前位置，并結合無線基站的傳感器數據，精確判斷 人員和物品在礦井井下的位置。本發明是這樣實現的一種礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于包 括移動載體的定位與監控模塊、有線和無線通訊無縫切換無線基站、數據分析處理與傳輸 中繼站、地面信息系統處理工作站、地面傳感器自動標定系統；數據分析處理與傳輸中繼站 通過無線ZigBee模塊或有線工業CAN總線接口接收來自移動載體的定位與監控模塊的數 據與有線和無線通訊無縫切換無線基站的數據，對這些數據進行處理并打包，通過光纖或 以太網絡發送給地面信息系統處理工作站，所述地面傳感器自動標定系統通過無線ZigBee 模塊與移動載體的定位與監控模塊進行無線通訊。所述移動載體的定位與監控模塊包括電池、移動載體處理器、與移動載體處理器 分別相連的催化燃燒氣體傳感器、LED驅動模塊、LED燈控制開關、無線ZigBee模塊、電源轉 換模塊，所述電源轉換模塊分別與催化燃燒氣體傳感器、LED驅動模塊、無線ZigBee模塊、 電池相連。所述移動載體處理器采用ARM處理器。所述有線和無線通訊無縫切換無線基站包括無線基站處理器、分別與無線基站處 理器相連的無線基站電源管理模塊、無線ZigBee模塊、有線工業CAN總線接口、無線基站紅 外氣體傳感器，所述無線基站電源管理模塊還連有電池、無線基站防爆開關電源，所述無線 基站防爆開關電源還與井下交流電相連。所述無線ZigBee模塊與所述無線基站處理器之間通過SPI 口連接通訊。所述數據分析處理與傳輸中繼站包括中繼站處理器、與中繼站處理器分別相連的 無線ZigBee模塊、有線工業CAN總線接口、光纖接口、以太網接口、中繼站電源管理系統，所 述中繼站電源管理系統還分別與光纖接口、無線ZigBee模塊、以太網接口、電池、中繼站防 爆開關電源相連，所述中繼站防爆開關電源還與井下交流電相連。所述地面信息系統處理工作站包括工作站服務器、與工作站服務器分別相連的工 作站顯示接口、光纖接口、以太網接口、工作站穩壓模塊，所述工作站穩壓模塊還分別與UPS 模塊、地面交流電相連。所述工作站服務器采用IBM System x3950M2。所述地面傳感器自動標定系統包括地面無線模塊、與地面無線模塊分別相連的無 線ZigBee模塊、標定系統顯示接口、標定系統氣體傳感器、標定系統穩壓模塊，所述標定系 統穩壓模塊還與地面交流電相連。地面傳感器自動標定系統通過無線ZigBee模塊與移動 載體的定位與監控模塊進行無線通訊。所述地面無線模塊采用ARM微處理器。所述移動載體的定位與監控模塊內置于礦燈中。所述的處理器為ARM處理器。所述移動載體處理器的工作流程主要為首先初始化，進入主程序，在主程序中，
5收數據中斷，另一個是定時中斷；然后建立循環，在循環中， 主要完成對按鍵的檢測，按鍵檢測通過LED燈光調節來實現；在無線中斷中，首先對收到的 數據進行分析，根據分析所得數據，執行相應的子程序；當數據是來自地面信息系統處理工 作站的警報指令時，改變LED的顏色和顯示；當數據是來自地面傳感器自動標定系統，此時 修正移動載體的定位與監控模塊上的催化燃燒傳感器的參數，以便催化燃燒傳感器能準確 測定礦井巷道的氣體參數；定時中斷主要完成催化燃燒傳感器的采集，并將采集的催化燃 燒傳感器數據發送給有限和無線通訊無縫切換無線基站，同時也是作為定位的信號。移動載體的定位與監控模塊設置在井下工作人員的礦燈中。有線和無線通訊無縫 切換無線基站安裝在礦井巷道中。數據分析處理與傳輸中繼站也安裝在礦井巷道中，作為 第一級的數據處理設備。地面信息系統處理工作站安裝在地面的指揮中心。對整個礦區的 信息進行處理與分析，并進行預測。地面移動載體傳感器自動標定系統對井下的移動載體 (礦燈)的傳感器進行自動標定。移動載體的定位與監控模塊主要由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包括移動載體處 理器、無線ZigBee模塊、LED驅動模塊、催化燃燒氣體傳感器、LED燈控制開關、電源轉換模 塊、鋰電池組成。軟件嵌入于移動載體處理器中，軟件主要包含對傳感器信號的處理、LED燈 的驅動和控制、無線信號的接收和發送、催化燃燒氣體氣體傳感器的自動標定。移動載體的 定位與監控模塊發送的傳感器數據本身就是定位的無線信號。有線和無線通訊無縫切換無線基站與移動載體的定位與監控模塊一樣，由硬件和 嵌入式軟件組成。在有線和無線通訊無縫切換無線基站的硬件系統中，其電源有兩種供應 方式，(1)電池，可以是鋰電池，也可以是鉛酸電池。(2)井下交流電。兩種電源同時接入， 通過無線基站電源管理模塊進行管理。當有交流電時，直流電停止工作，由交流電工作。如 果此時直流電電池的電壓不足時，交流電對直流電池進行充電。當交流電停電時，直流電自 動工作。無線基站處理器采用ARM處理器，它采集氣體傳感器的數據，監控巷道氣體的含 量。有線和無線通訊無縫切換無線基站有兩種通訊接口 (1)無線ZigBee模塊；(2)有線工 業CAN總線接口。無線ZigBee模塊接收來自移動載體的定位與監控模塊的數據，并將系統 其它部分的數據及命令發送給移動載體的定位與監控模塊。有線和無線通訊無縫切換是指 當有線工業CAN總線接口連接到數據分析處理與傳輸中繼站時，有線和無線通訊無縫切換 無線基站通過有線接口發送數據給數據分析處理與傳輸中繼站。如果有線信號不能工作時 或沒有連接時，通過無線ZigBee模塊將數據信號給其它基站，通過其它基站，將數據轉發 給數據分析處理與傳輸中繼站，或者通過無線信號直接給數據分析處理與傳輸中繼站。數據分析處理與傳輸中繼站是第一級的定位與監控處理站，同時也將移動載體發 送的數據通過光纖接口或者以太網接口發送給地面信息系統處理工作站。地面信息系統處理工作站是地面大型的數據處理中心。工作站服務器運行大型的 數據庫軟件。利用礦井巷道的位置資料，采用多數據融合技術包括移動載體的定位與監控 模塊的運動過程數據、有線和無線通訊無縫切換無線基站的傳感器數據、有線和無線通訊 無縫切換無線基站接收到的移動載體的定位與監控模塊無線數據等，實現精確的井下人員 定位。同時根據移動載體的定位與監控模塊、有線和無線通訊無縫切換無線基站的傳感器 數據，形成井下氣體數據分布圖。在整個系統中，移動載體的定位與監控模塊是井下完善監控的基礎。因此對其傳感器的要求比較高。但是由于成本的限制，無法采用高質量的傳感器。本發明中，利用移動 載體地面充電時，采用智能算法，對移動載體上的傳感器進行自動標定。實現了低成本的傳 感器在進行發揮完善監控作用。本發明的有益效果是解決了礦井的完善監控和精確的定位(1)在該系統中無 線監控與定位有效結合。井下人員攜帶的定位裝置即移動載體的定位與監控模塊同時也 是移動的監控節點，移動載體的定位與監控模塊發送的傳感器數據本身就是定位的無線信 號。井下人員定位的有線和無線通訊無縫切換無線基站同時也是固定的監控節點。通過移 動的節點和固定的節點，形成一個完善的監控體系。在定位中，監控的傳感器的數據同時也 用于定位修正。(2)在井下人員定位中，利用礦井巷道的位置資料，采用多數據融合技術 包括移動載體的運動過程數據、無線基站的傳感器數據、無線基站接收到的移動載體無線 數據，實現精確的井下人員定位。(3)采用電池和交流電源雙供電，當井下發生事故時，交流 電切斷，電池照樣能繼續工作，因此能發揮事故后的指導工作。(4)組網方便、簡單，由于無 線監控和無線定位有效結合，減少了井下系統的安裝。(5)在礦井井下智能無線監控與定位 系統中，實現了有線通訊和無線通訊無縫切換技術；(6)實現了移動載體傳感器的自動標 定技術。
圖1是移動載體的定位與監控模塊結構框圖；圖2是有線和無線通訊無縫切換無線基站的結構框圖；圖3是數據分析處理與傳輸中繼站結構框圖；圖4是地面信息系統處理工作站的結構框圖；圖5是地面傳感器自動標定系統的結構框圖；圖6是移動載體的定位與監控模塊的軟件結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作出進一步的詳細說明，以使本專業的技 術人員在閱讀后，能夠進一理解本發明的結構特征。根據圖1、圖6，移動載體的定位與監控模塊該模塊充分利用井下移動載體攜帶 的設備，采用井下工作人員攜帶的礦燈，將移動載體的定位與監控模塊設置在礦燈中。在煤 礦井下，井下工作人員已經形成了一個分布式的測量網絡。在圖1中，鋰電池提供所有模塊 的電源，但是由于電池電壓波動以及電池電壓隨電量降低而降低，因此通過電源轉換模塊 先將電壓轉換為各種穩定的電壓3. 3V，5V等。電源轉換模塊根據不同的模塊電壓要求，提 供不同的電源給各種模塊。供3. 3V給無線ZigBee模塊和移動載體處理器，供5V給催化燃 燒氣體傳感器、LED驅動模塊。催化燃燒氣體傳感器采集移動載體所經過區域的氣體含量。 LED驅動模塊驅動兩路LED，一路是大功率的白光照明LED，另一路是指示LED，該LED由四 個全色LED組成，通過智能驅動，全色LED能變化出256種顏色。可以在特殊情況下，起到 報警和通訊的作用，因為不同的顏色，代表不同的情況。移動載體處理器是智能軟件的運行 硬件平臺，運行嵌入式軟件。如圖6，嵌入式軟件的工作流程是所述移動載體處理器的工 作流程主要為首先初始化，進入主程序，在主程序中，先設定兩個中斷，一個是無線接收數
7據中斷，另一個是定時中斷；然后建立循環，在循環中，主要完成對按鍵的檢測，按鍵檢測通 過LED燈光調節來實現；在無線中斷中，首先對收到的數據進行分析，根據分析所得數據， 執行相應的子程序；當數據是來自地面信息系統處理工作站的警報指令時，改變LED的顏 色和顯示；當數據是來自地面傳感器自動標定系統，此時修正移動載體的定位與監控模塊 上的催化燃燒傳感器的參數，以便催化燃燒傳感器能準確測定礦井巷道的氣體參數；定時 中斷主要完成催化燃燒傳感器的采集，并將采集的催化燃燒傳感器數據發送給有限和無線 通訊無縫切換無線基站，同時也是作為定位的信號。根據圖2，有線和無線通訊無縫切換無線基站在該無線基站中，有兩種供電方 式，一種是電池供電，另一種是井下交流電供電。無線基站電源管理模塊對這兩個電源進行 管理。當有交流電時，切斷電池供電。當電池電量不足時，交流電給電池充電。當交流電無 法供電時，此時電池供電。這種雙電源供電在遇到礦井災難等緊急事情時，能發揮重要的作 用。在有線和無線通訊無縫切換無線基站中，無線基站處理器采用高性能的ARM處理器，優 選ARM7以上的處理器。無線ZigBee模塊與無線基站處理器之間通過SPI 口連接通訊。在 無線基站處理器中，有專門的線程對有線通訊是否連接進行檢測，如果沒有有線通訊，有線 和無線通訊無縫切換無線基站通過無線傳輸數據。這種方式在礦井中非常實用。當礦井布 線困難時，有線和無線通訊無縫切換無線基站可以采用無線方式工作。當出現礦難時，有線 被破壞時，本發明同樣能進行工作。無線ZigBee模塊接收移動載體的定位與監控模塊發送 過來的數據，并將數據轉發給巷道中的下個基站或發送給數據分析處理與傳輸中繼站。在 無線基站中，安裝有紅外氣體傳感器，這些傳感器作為整個監控網絡中的一個節點，同時也 是作為人員定位的參考值，來修正移動載體的定位值。根據圖3，數據分析處理與傳輸中繼站該中繼站與有線和無線通訊無縫切換無 線基站類似。在數據分析處理與傳輸中繼站，共有四種通訊接口 (1)無線ZigBee模塊；(2) 有線工業CAN總線接口 ；(3)光纖接口 ；(4)以太網接口。在四種通訊接口中，數據分析處理 與傳輸中繼站通過無線ZigBee模塊或有線工業CAN總線接口接收來自移動載體的定位與 監控模塊的數據、有線和無線通訊無縫切換無線基站的數據。對這些數據進行處理，并對這 些數據打包，通過光纖接口或以太網接口發送給地面信息系統處理工作站。圖4為地面信息系統處理工作站該工作站采用交流電供電，并使用UPS模塊，防 止斷電時，數據丟失。工作站服務器接收來自數據分析處理與傳輸中繼站的光纖或以太網 的數據。將這些數據存儲在數據庫中。在工作站服務器中，運行智能監控與定位軟件。在 定位中，利用礦井巷道的位置資料，采用多數據融合技術包括移動載體的定位與監控模塊 的運動過程數據、有線和無線通訊無縫切換無線基站的無線基站紅外氣體傳感器數據、有 線和無線通訊無縫切換無線基站所接收到的移動載體的定位與監控模塊的無線數據，實現 精確的井下人員定位。同時根據移動載體的定位與監控模塊中催化燃燒氣體傳感器、有線 和無線通訊無縫切換無線基站的無線基站紅外氣體傳感器的數據，形成井下氣體數據分布 圖。多數據融合技術的簡單流程是首先將有線和無線通訊無縫切換無線基站、數據分析 處理與傳輸中繼站安裝在礦井的巷道中，礦井巷道三維信息是已知信息，因此安裝在礦井 巷道中的有線和無線通訊無縫切換無線基站、數據分析處理與傳輸中繼的三維信息是已知 的。當移動載體(井下工作人員)攜帶移動載體的定位與監控模塊下井時，礦井的有線和無 線通訊無縫切換無線基站能接收到移動載體的定位與監控模塊發送的催化燃燒氣體傳感
8器數據，說明移動載體在有線和無線通訊無縫切換無線基站的無線范圍內，記錄各個無線 基站接收催化燃燒氣體傳感器數據的時間，預測移動載體的速度和運動位移，同時當移動 載體移動到有線和無線通訊無縫切換無線基站附近時，無線基站紅外氣體傳感器和催化燃 燒氣體傳感器的數據有一定相似性，利用這些因素來預測和判斷移動載體在巷道的位置。
移動載體的定位與監控模塊的傳感器是采用低成本的催化燃燒氣體傳感器，因此 要確保其精度，需要經常標定氣體傳感器的參數。本發明采用自動標定方法。圖5表示地 面傳感器自動標定系統，當移動載體的定位與監控模塊從礦井到地面進行充電時，地面無 線模塊通過無線ZigBee模塊將經過標定的標定系統氣體傳感器數據發送給移動載體的無 線定位與監控模塊。
權利要求
一種礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于包括移動載體的定位與監控模塊、有線和無線通訊無縫切換無線基站、數據分析處理與傳輸中繼站、地面信息系統處理工作站、地面傳感器自動標定系統；數據分析處理與傳輸中繼站通過無線ZigBee模塊或有線工業CAN總線接口接收來自移動載體的定位與監控模塊的數據與有線和無線通訊無縫切換無線基站的數據，對這些數據進行處理并打包，通過光纖或以太網絡發送給地面信息系統處理工作站，所述地面傳感器自動標定系統通過無線ZigBee模塊與移動載體的定位與監控模塊進行無線通訊。
2.根據權利要求1所述的礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于所述移動 載體的定位與監控模塊包括電池、移動載體處理器、與移動載體處理器分別相連的催化燃 燒氣體傳感器、LED驅動模塊、LED燈控制開關、無線ZigBee模塊、電源轉換模塊，所述電源 轉換模塊分別與催化燃燒氣體傳感器、LED驅動模塊、無線ZigBee模塊、電池相連。
3.根據權利要求1所述的礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于所述有線 和無線通訊無縫切換無線基站包括無線基站處理器、分別與無線基站處理器相連的無線基 站電源管理模塊、無線ZigBee模塊、有線工業CAN總線接口、無線基站紅外氣體傳感器，所 述無線基站電源管理模塊還連有電池、無線基站防爆開關電源，所述無線基站防爆開關電 源還與井下交流電相連。
4.根據權利要求3所述的礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于所述無線 ZigBee模塊與所述無線基站處理器之間通過SPI 口連接通訊。
5.根據權利要求1所述的礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于所述數據 分析處理與傳輸中繼站包括中繼站處理器、與中繼站處理器分別相連的無線ZigBee模塊、 有線工業CAN總線接口、光纖接口、以太網接口、中繼站電源管理系統，所述中繼站電源管 理系統還分別與光纖接口、無線ZigBee模塊、以太網接口、電池、中繼站防爆開關電源相 連，所述中繼站防爆開關電源還與井下交流電相連。
6.根據權利要求1所述的礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于所述地面 信息系統處理工作站包括工作站服務器、與工作站服務器分別相連的工作站顯示接口、光 纖接口、以太網接口、工作站穩壓模塊，所述工作站穩壓模塊還分別與UPS模塊、地面交流 電相連。
7.根據權利要求1所述的礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于所述地面 傳感器自動標定系統包括地面無線模塊、與地面無線模塊分別相連的無線ZigBee模塊、標 定系統顯示接口、標定系統氣體傳感器、標定系統穩壓模塊，所述標定系統穩壓模塊還與地 面交流電相連。
8.根據權利要求1所述的礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于所述移動 載體的定位與監控模塊內置于礦燈中。
9.根據權利要求2、3、5中任意一項所述的礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征 在于所述的處理器為ARM處理器。
10.根據權利要求1和2所述的礦井井下智能無線監控與定位系統，其特征在于所 述移動載體處理器的工作流程主要為首先初始化，進入主程序，在主程序中，先設定兩個 中斷，一個是無線接收數據中斷，另一個是定時中斷；然后建立循環，在循環中，主要完成對 按鍵的檢測，按鍵檢測通過LED燈光調節來實現；在無線中斷中，首先對收到的數據進行分析，根據分析所得數據，執行相應的子程序；當數據是來自地面信息系統處理工作站的警報 指令時，改變LED的顏色和顯示；當數據是來自地面傳感器自動標定系統，此時修正移動載 體的定位與監控模塊上的催化燃燒傳感器的參數，以便催化燃燒傳感器能準確測定礦井巷 道的氣體參數；定時中斷主要完成催化燃燒傳感器的采集，并將采集的催化燃燒傳感器數 據發送給有限和無線通訊無縫切換無線基站，同時也是作為定位的信號。
全文摘要
本發明為一種礦井井下智能無線監控與定位系統。它包括移動載體的定位與監控模塊、有線和無線通訊無縫切換無線基站、數據分析處理與傳輸中繼站、地面信息系統處理工作站、地面傳感器自動標定系統；數據分析處理與傳輸中繼站通過無線ZigBee模塊或有線工業CAN總線接口接收來自移動載體的定位與監控模塊的數據與有線和無線通訊無縫切換無線基站的數據，通過光纖或以太網絡發送給地面信息系統處理工作站，所述地面傳感器自動標定系統通過無線ZigBee模塊與移動載體的定位與監控模塊進行無線通訊。本發明的優點是解決了礦井的完善監控和精確的定位；采用電池和交流電源雙供電，當井下發生事故時，交流電切斷，電池照樣能繼續工作；組網方便、簡單。
文檔編號H04W84/18GK101937216SQ20101023744
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者周勇, 楊伯群, 王宣, 蔣金鵬, 邱平平, 陳琳 申請人:上海中為智能機器人有限公司