專利名稱：礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，屬于礦井井下定位與監(jiān)控領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
建立煤礦井下完善的監(jiān)控體系和精確的人員定位系統(tǒng)是目前貫徹以“預(yù)防為主” 的安全生產(chǎn)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(tǒng)。該專利主要問題是 (1)只是利用當(dāng)前的信息來定位，而不是將歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)在數(shù)據(jù)融合進(jìn)行定位；(2)沒有融 合礦井監(jiān)控功能。CN 101369944A提出了基于ZIGBEE和RFID的礦井無線定位系統(tǒng)及其布設(shè)方法。 采用RFID進(jìn)行定位，通過ZIGBEE進(jìn)行定位信息的發(fā)送。此專利的主要問題(1)沒有結(jié)合 定位與監(jiān)控；(2) RFID是單向的；(3)只是利用當(dāng)前的信息來定位，而不是將歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn) 在數(shù)據(jù)融合進(jìn)行定位；CN200710171812.2井下煤礦人員實(shí)時(shí)無線定位方法提出了一種井下煤礦人員實(shí) 時(shí)無線定位方法，采用基于無線節(jié)點(diǎn)射頻信號(hào)強(qiáng)度的分布式實(shí)時(shí)定位方法或接收信號(hào)功率 指標(biāo)。RSSI與實(shí)際距離之間的轉(zhuǎn)換方法。但是無線信號(hào)的強(qiáng)度受到的干擾因素太多，比如 當(dāng)人體進(jìn)入該場景時(shí)，也會(huì)影響無線信號(hào)的強(qiáng)度。因此定位不準(zhǔn)確。CN200620101832. 3礦井工作人員定位系統(tǒng)提出了無線定位和監(jiān)控的一個(gè)概念，但 是對于礦井定位的關(guān)鍵問題如何利用無線系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。提出了煤礦井下基于無線傳感 器網(wǎng)路的人員定位和環(huán)境監(jiān)測的硬件平臺(tái)。但是對于礦井救援和監(jiān)控來說，這些硬件是最 基本也是最常規(guī)的，該專利并沒有解決如何利用這些設(shè)備進(jìn)行礦井定位的系統(tǒng)問題，僅僅 涉及一些硬件。同時(shí)該設(shè)備也沒有解決移動(dòng)節(jié)點(diǎn)傳感器的標(biāo)定和精度問題。CN201408358Y提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井監(jiān)控設(shè)備。但是該設(shè)備在實(shí) 際中無法應(yīng)用(1)沒有解決傳感器的標(biāo)定，因此容易經(jīng)常導(dǎo)致誤報(bào)；(2)沒有有效的定位 方案。CN101621431A煤礦井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 人員定位和環(huán)境監(jiān)測的硬件平臺(tái)。但該設(shè)備沒有解決有效的利用礦井現(xiàn)有條件組網(wǎng)問題， 因?yàn)闊o線信號(hào)在井下干擾大，有時(shí)無法發(fā)送數(shù)據(jù)，導(dǎo)致礦井監(jiān)控不利。關(guān)鍵的傳感器固定節(jié) 點(diǎn)應(yīng)該采用有線通訊方式。同時(shí)該設(shè)備沒有解決基于融合方法的定位問題。CN101051079A提出了藍(lán)牙進(jìn)行定位系統(tǒng)。但是藍(lán)牙的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)受到限 制。CN201007797Y —種煤礦井下人員定位與瓦斯?jié)舛葎?dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。與專利 CN201408358Y—樣，(1)沒有解決傳感器的標(biāo)定，因此容易經(jīng)常導(dǎo)致誤報(bào)；(2)沒有有效的
4定位方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種礦井井下智能無線監(jiān)控與定 位系統(tǒng)，該系統(tǒng)將監(jiān)控與定位有效結(jié)合，在監(jiān)控中利用礦井中最活躍的人作為測量載體，結(jié) 合定位固定無線基站的測量傳感器，形成一個(gè)全礦區(qū)的完善監(jiān)控三維分布圖，對礦井實(shí)現(xiàn) 完整的監(jiān)控和預(yù)報(bào)。在人員和物品定位中，利用無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和礦井巷道特征，通過融合移 動(dòng)載體即井下工作人員的歷史位置和當(dāng)前位置，并結(jié)合無線基站的傳感器數(shù)據(jù)，精確判斷 人員和物品在礦井井下的位置。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在于包 括移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊、有線和無線通訊無縫切換無線基站、數(shù)據(jù)分析處理與傳輸 中繼站、地面信息系統(tǒng)處理工作站、地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站 通過無線ZigBee模塊或有線工業(yè)CAN總線接口接收來自移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊的數(shù) 據(jù)與有線和無線通訊無縫切換無線基站的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并打包，通過光纖或 以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面信息系統(tǒng)處理工作站，所述地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)通過無線ZigBee 模塊與移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊進(jìn)行無線通訊。所述移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊包括電池、移動(dòng)載體處理器、與移動(dòng)載體處理器 分別相連的催化燃燒氣體傳感器、LED驅(qū)動(dòng)模塊、LED燈控制開關(guān)、無線ZigBee模塊、電源轉(zhuǎn) 換模塊，所述電源轉(zhuǎn)換模塊分別與催化燃燒氣體傳感器、LED驅(qū)動(dòng)模塊、無線ZigBee模塊、 電池相連。所述移動(dòng)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(yè)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(guān)電源，所述無線 基站防爆開關(guān)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(shù)據(jù)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(yè)CAN總線接口、光纖接口、以太網(wǎng)接口、中繼站電源管理系統(tǒng)，所 述中繼站電源管理系統(tǒng)還分別與光纖接口、無線ZigBee模塊、以太網(wǎng)接口、電池、中繼站防 爆開關(guān)電源相連，所述中繼站防爆開關(guān)電源還與井下交流電相連。所述地面信息系統(tǒng)處理工作站包括工作站服務(wù)器、與工作站服務(wù)器分別相連的工 作站顯示接口、光纖接口、以太網(wǎng)接口、工作站穩(wěn)壓模塊，所述工作站穩(wěn)壓模塊還分別與UPS 模塊、地面交流電相連。所述工作站服務(wù)器采用IBM System x3950M2。所述地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)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(biāo)定系統(tǒng)顯示接口、標(biāo)定系統(tǒng)氣體傳感器、標(biāo)定系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊，所述標(biāo)定系 統(tǒng)穩(wěn)壓模塊還與地面交流電相連。地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)通過無線ZigBee模塊與移動(dòng) 載體的定位與監(jiān)控模塊進(jìn)行無線通訊。所述地面無線模塊采用ARM微處理器。所述移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊內(nèi)置于礦燈中。所述的處理器為ARM處理器。所述移動(dòng)載體處理器的工作流程主要為首先初始化，進(jìn)入主程序，在主程序中，
5收數(shù)據(jù)中斷，另一個(gè)是定時(shí)中斷；然后建立循環(huán)，在循環(huán)中， 主要完成對按鍵的檢測，按鍵檢測通過LED燈光調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)；在無線中斷中，首先對收到的 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析所得數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的子程序；當(dāng)數(shù)據(jù)是來自地面信息系統(tǒng)處理工 作站的警報(bào)指令時(shí)，改變LED的顏色和顯示；當(dāng)數(shù)據(jù)是來自地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，此時(shí) 修正移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊上的催化燃燒傳感器的參數(shù)，以便催化燃燒傳感器能準(zhǔn)確 測定礦井巷道的氣體參數(shù)；定時(shí)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(shù)據(jù)發(fā)送給有限和無線通訊無縫切換無線基站，同時(shí)也是作為定位的信號(hào)。移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊設(shè)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(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站也安裝在礦井巷道中，作為 第一級(jí)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。地面信息系統(tǒng)處理工作站安裝在地面的指揮中心。對整個(gè)礦區(qū)的 信息進(jìn)行處理與分析，并進(jìn)行預(yù)測。地面移動(dòng)載體傳感器自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)對井下的移動(dòng)載體 (礦燈)的傳感器進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定。移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊主要由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包括移動(dòng)載體處 理器、無線ZigBee模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、催化燃燒氣體傳感器、LED燈控制開關(guān)、電源轉(zhuǎn)換模 塊、鋰電池組成。軟件嵌入于移動(dòng)載體處理器中，軟件主要包含對傳感器信號(hào)的處理、LED燈 的驅(qū)動(dòng)和控制、無線信號(hào)的接收和發(fā)送、催化燃燒氣體氣體傳感器的自動(dòng)標(biāo)定。移動(dòng)載體的 定位與監(jiān)控模塊發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)本身就是定位的無線信號(hào)。有線和無線通訊無縫切換無線基站與移動(dòng)載體的定位與監(jiān)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(tǒng)中，其電源有兩種供應(yīng) 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(shí)接入， 通過無線基站電源管理模塊進(jìn)行管理。當(dāng)有交流電時(shí)，直流電停止工作，由交流電工作。如 果此時(shí)直流電電池的電壓不足時(shí)，交流電對直流電池進(jìn)行充電。當(dāng)交流電停電時(shí)，直流電自 動(dòng)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(shù)據(jù)，監(jiān)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(yè)CAN總線接口。無線ZigBee模塊接收來自移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng) 其它部分的數(shù)據(jù)及命令發(fā)送給移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊。有線和無線通訊無縫切換是指 當(dāng)有線工業(yè)CAN總線接口連接到數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站時(shí)，有線和無線通訊無縫切換 無線基站通過有線接口發(fā)送數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站。如果有線信號(hào)不能工作時(shí) 或沒有連接時(shí)，通過無線ZigBee模塊將數(shù)據(jù)信號(hào)給其它基站，通過其它基站，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 給數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站，或者通過無線信號(hào)直接給數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站。數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站是第一級(jí)的定位與監(jiān)控處理站，同時(shí)也將移動(dòng)載體發(fā) 送的數(shù)據(jù)通過光纖接口或者以太網(wǎng)接口發(fā)送給地面信息系統(tǒng)處理工作站。地面信息系統(tǒng)處理工作站是地面大型的數(shù)據(jù)處理中心。工作站服務(wù)器運(yùn)行大型的 數(shù)據(jù)庫軟件。利用礦井巷道的位置資料，采用多數(shù)據(jù)融合技術(shù)包括移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控 模塊的運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)、有線和無線通訊無縫切換無線基站的傳感器數(shù)據(jù)、有線和無線通訊 無縫切換無線基站接收到的移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊無線數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)精確的井下人員 定位。同時(shí)根據(jù)移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊、有線和無線通訊無縫切換無線基站的傳感器 數(shù)據(jù)，形成井下氣體數(shù)據(jù)分布圖。在整個(gè)系統(tǒng)中，移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊是井下完善監(jiān)控的基礎(chǔ)。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(zhì)量的傳感器。本發(fā)明中，利用移動(dòng) 載體地面充電時(shí)，采用智能算法，對移動(dòng)載體上的傳感器進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定。實(shí)現(xiàn)了低成本的傳 感器在進(jìn)行發(fā)揮完善監(jiān)控作用。本發(fā)明的有益效果是解決了礦井的完善監(jiān)控和精確的定位(1)在該系統(tǒng)中無 線監(jiān)控與定位有效結(jié)合。井下人員攜帶的定位裝置即移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊同時(shí)也 是移動(dòng)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)本身就是定位的無線信 號(hào)。井下人員定位的有線和無線通訊無縫切換無線基站同時(shí)也是固定的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。通過移 動(dòng)的節(jié)點(diǎn)和固定的節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)完善的監(jiān)控體系。在定位中，監(jiān)控的傳感器的數(shù)據(jù)同時(shí)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(shù)據(jù)融合技術(shù) 包括移動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)、無線基站的傳感器數(shù)據(jù)、無線基站接收到的移動(dòng)載體無線 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精確的井下人員定位。(3)采用電池和交流電源雙供電，當(dāng)井下發(fā)生事故時(shí)，交流 電切斷，電池照樣能繼續(xù)工作，因此能發(fā)揮事故后的指導(dǎo)工作。(4)組網(wǎng)方便、簡單，由于無 線監(jiān)控和無線定位有效結(jié)合，減少了井下系統(tǒng)的安裝。(5)在礦井井下智能無線監(jiān)控與定位 系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了有線通訊和無線通訊無縫切換技術(shù)；(6)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)載體傳感器的自動(dòng)標(biāo) 定技術(shù)。


圖1是移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖2是有線和無線通訊無縫切換無線基站的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站結(jié)構(gòu)框圖；圖4是地面信息系統(tǒng)處理工作站的結(jié)構(gòu)框圖；圖5是地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；圖6是移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊的軟件結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作出進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以使本專業(yè)的技 術(shù)人員在閱讀后，能夠進(jìn)一理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)圖1、圖6，移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊該模塊充分利用井下移動(dòng)載體攜帶 的設(shè)備，采用井下工作人員攜帶的礦燈，將移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊設(shè)置在礦燈中。在煤 礦井下，井下工作人員已經(jīng)形成了一個(gè)分布式的測量網(wǎng)絡(luò)。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(dòng)以及電池電壓隨電量降低而降低，因此通過電源轉(zhuǎn)換模塊 先將電壓轉(zhuǎn)換為各種穩(wěn)定的電壓3. 3V，5V等。電源轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)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(dòng)載體處理器，供5V給催化燃 燒氣體傳感器、LED驅(qū)動(dòng)模塊。催化燃燒氣體傳感器采集移動(dòng)載體所經(jīng)過區(qū)域的氣體含量。 LED驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)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(gè)全色LED組成，通過智能驅(qū)動(dòng)，全色LED能變化出256種顏色。可以在特殊情況下，起到 報(bào)警和通訊的作用，因?yàn)椴煌念伾?，代表不同的情況。移動(dòng)載體處理器是智能軟件的運(yùn)行 硬件平臺(tái)，運(yùn)行嵌入式軟件。如圖6，嵌入式軟件的工作流程是所述移動(dòng)載體處理器的工 作流程主要為首先初始化，進(jìn)入主程序，在主程序中，先設(shè)定兩個(gè)中斷，一個(gè)是無線接收數(shù)
7據(jù)中斷，另一個(gè)是定時(shí)中斷；然后建立循環(huán)，在循環(huán)中，主要完成對按鍵的檢測，按鍵檢測通 過LED燈光調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)；在無線中斷中，首先對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析所得數(shù)據(jù)， 執(zhí)行相應(yīng)的子程序；當(dāng)數(shù)據(jù)是來自地面信息系統(tǒng)處理工作站的警報(bào)指令時(shí)，改變LED的顏 色和顯示；當(dāng)數(shù)據(jù)是來自地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，此時(shí)修正移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊 上的催化燃燒傳感器的參數(shù)，以便催化燃燒傳感器能準(zhǔn)確測定礦井巷道的氣體參數(shù)；定時(shí) 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(shù)據(jù)發(fā)送給有限和無線 通訊無縫切換無線基站，同時(shí)也是作為定位的信號(hào)。根據(jù)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(gè)電源進(jìn)行 管理。當(dāng)有交流電時(shí)，切斷電池供電。當(dāng)電池電量不足時(shí)，交流電給電池充電。當(dāng)交流電無 法供電時(shí)，此時(shí)電池供電。這種雙電源供電在遇到礦井災(zāi)難等緊急事情時(shí)，能發(fā)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(yōu) 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(jìn)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(shù)據(jù)。這種方式在礦井中非常實(shí)用。當(dāng)?shù)V井布 線困難時(shí)，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(dāng)出現(xiàn)礦難時(shí)，有線 被破壞時(shí)，本發(fā)明同樣能進(jìn)行工作。無線ZigBee模塊接收移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊發(fā)送 過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給巷道中的下個(gè)基站或發(fā)送給數(shù)據(jù)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(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也 是作為人員定位的參考值，來修正移動(dòng)載體的定位值。根據(jù)圖3，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yè)CAN總線接口 ；(3)光纖接口 ；(4)以太網(wǎng)接口。在四種通訊接口中，數(shù)據(jù)分析處理 與傳輸中繼站通過無線ZigBee模塊或有線工業(yè)CAN總線接口接收來自移動(dòng)載體的定位與 監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)、有線和無線通訊無縫切換無線基站的數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對這 些數(shù)據(jù)打包，通過光纖接口或以太網(wǎng)接口發(fā)送給地面信息系統(tǒng)處理工作站。圖4為地面信息系統(tǒng)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(shí)，數(shù)據(jù)丟失。工作站服務(wù)器接收來自數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站的光纖或以太網(wǎng) 的數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。在工作站服務(wù)器中，運(yùn)行智能監(jiān)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(shù)據(jù)融合技術(shù)包括移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊 的運(yùn)動(dòng)過程數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)、有 線和無線通訊無縫切換無線基站所接收到的移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊的無線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn) 精確的井下人員定位。同時(shí)根據(jù)移動(dòng)載體的定位與監(jiān)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(shù)據(jù)，形成井下氣體數(shù)據(jù)分布 圖。多數(shù)據(jù)融合技術(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼的三維信息是已知 的。當(dāng)移動(dòng)載體(井下工作人員)攜帶移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊下井時(shí)，礦井的有線和無 線通訊無縫切換無線基站能接收到移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊發(fā)送的催化燃燒氣體傳感
8器數(shù)據(jù)，說明移動(dòng)載體在有線和無線通訊無縫切換無線基站的無線范圍內(nèi)，記錄各個(gè)無線 基站接收催化燃燒氣體傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間，預(yù)測移動(dòng)載體的速度和運(yùn)動(dòng)位移，同時(shí)當(dāng)移動(dòng) 載體移動(dòng)到有線和無線通訊無縫切換無線基站附近時(shí)，無線基站紅外氣體傳感器和催化燃 燒氣體傳感器的數(shù)據(jù)有一定相似性，利用這些因素來預(yù)測和判斷移動(dòng)載體在巷道的位置。
移動(dòng)載體的定位與監(jiān)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(jīng)常標(biāo)定氣體傳感器的參數(shù)。本發(fā)明采用自動(dòng)標(biāo)定方法。圖5表示地 面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，當(dāng)移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊從礦井到地面進(jìn)行充電時(shí)，地面無 線模塊通過無線ZigBee模塊將經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)定系統(tǒng)氣體傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)載體的無 線定位與監(jiān)控模塊。
權(quán)利要求
一種礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在于包括移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊、有線和無線通訊無縫切換無線基站、數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站、地面信息系統(tǒng)處理工作站、地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站通過無線ZigBee模塊或有線工業(yè)CAN總線接口接收來自移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)與有線和無線通訊無縫切換無線基站的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并打包，通過光纖或以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面信息系統(tǒng)處理工作站，所述地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)通過無線ZigBee模塊與移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊進(jìn)行無線通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在于所述移動(dòng) 載體的定位與監(jiān)控模塊包括電池、移動(dòng)載體處理器、與移動(dòng)載體處理器分別相連的催化燃 燒氣體傳感器、LED驅(qū)動(dòng)模塊、LED燈控制開關(guān)、無線ZigBee模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊，所述電源 轉(zhuǎn)換模塊分別與催化燃燒氣體傳感器、LED驅(qū)動(dòng)模塊、無線ZigBee模塊、電池相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，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(yè)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(guān)電源，所述無線基站防爆開關(guān)電 源還與井下交流電相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求1所述的礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù) 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(yè)CAN總線接口、光纖接口、以太網(wǎng)接口、中繼站電源管理系統(tǒng)，所述中繼站電源管 理系統(tǒng)還分別與光纖接口、無線ZigBee模塊、以太網(wǎng)接口、電池、中繼站防爆開關(guān)電源相 連，所述中繼站防爆開關(guān)電源還與井下交流電相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在于所述地面 信息系統(tǒng)處理工作站包括工作站服務(wù)器、與工作站服務(wù)器分別相連的工作站顯示接口、光 纖接口、以太網(wǎng)接口、工作站穩(wěn)壓模塊，所述工作站穩(wěn)壓模塊還分別與UPS模塊、地面交流 電相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在于所述地面 傳感器自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)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(biāo) 定系統(tǒng)顯示接口、標(biāo)定系統(tǒng)氣體傳感器、標(biāo)定系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊，所述標(biāo)定系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊還與地 面交流電相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在于所述移動(dòng) 載體的定位與監(jiān)控模塊內(nèi)置于礦燈中。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、3、5中任意一項(xiàng)所述的礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征 在于所述的處理器為ARM處理器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)，其特征在于所 述移動(dòng)載體處理器的工作流程主要為首先初始化，進(jìn)入主程序，在主程序中，先設(shè)定兩個(gè) 中斷，一個(gè)是無線接收數(shù)據(jù)中斷，另一個(gè)是定時(shí)中斷；然后建立循環(huán)，在循環(huán)中，主要完成對 按鍵的檢測，按鍵檢測通過LED燈光調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)；在無線中斷中，首先對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)分析所得數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的子程序；當(dāng)數(shù)據(jù)是來自地面信息系統(tǒng)處理工作站的警報(bào) 指令時(shí)，改變LED的顏色和顯示；當(dāng)數(shù)據(jù)是來自地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，此時(shí)修正移動(dòng)載 體的定位與監(jiān)控模塊上的催化燃燒傳感器的參數(shù)，以便催化燃燒傳感器能準(zhǔn)確測定礦井巷 道的氣體參數(shù)；定時(shí)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(shù) 據(jù)發(fā)送給有限和無線通訊無縫切換無線基站，同時(shí)也是作為定位的信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明為一種礦井井下智能無線監(jiān)控與定位系統(tǒng)。它包括移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊、有線和無線通訊無縫切換無線基站、數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站、地面信息系統(tǒng)處理工作站、地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)；數(shù)據(jù)分析處理與傳輸中繼站通過無線ZigBee模塊或有線工業(yè)CAN總線接口接收來自移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)與有線和無線通訊無縫切換無線基站的數(shù)據(jù)，通過光纖或以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給地面信息系統(tǒng)處理工作站，所述地面?zhèn)鞲衅髯詣?dòng)標(biāo)定系統(tǒng)通過無線ZigBee模塊與移動(dòng)載體的定位與監(jiān)控模塊進(jìn)行無線通訊。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是解決了礦井的完善監(jiān)控和精確的定位；采用電池和交流電源雙供電，當(dāng)井下發(fā)生事故時(shí)，交流電切斷，電池照樣能繼續(xù)工作；組網(wǎng)方便、簡單。
文檔編號(hào)H04W84/18GK101937216SQ20101023744
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)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(jī)器人有限公司