專利名稱：礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電子通信與檢測(cè)領(lǐng)域，涉及一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤炭工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和重要組成部分。但煤礦也是我國(guó)當(dāng)前安全 生產(chǎn)事故多發(fā)的重點(diǎn)行業(yè)，安全生產(chǎn)形勢(shì)十分嚴(yán)峻。近年來，由于種種原因，
我國(guó)的礦難事故頻繁發(fā)生，給國(guó)家和人民帶來了嚴(yán)重的生命及財(cái)產(chǎn)損失。2006 年全國(guó)原煤產(chǎn)量23.25億噸，死亡4746人，百萬(wàn)噸死亡率2.04。這樣的數(shù)據(jù) 是西方發(fā)達(dá)國(guó)家的幾十倍甚至上百倍，令人觸目驚心。這種局面若不能得到 有效控制，勢(shì)必影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康發(fā)展和全面建設(shè)和諧社會(huì)宏偉目 標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
國(guó)內(nèi)目前投入使用的礦井人員定位系統(tǒng)有很多種，但普遍存在以下缺點(diǎn) 1.功能單一，僅具備人員定位功能，不能監(jiān)測(cè)井下的瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境參數(shù)， 不能進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)警。2.多采用單一的主從通訊方式或多主通訊方式，系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性差。3.礦難發(fā)生時(shí)，缺少輔助的配套搜救設(shè)備， 一旦發(fā)生礦 難，被困人員的搜救效率低。4 .多采用傳統(tǒng)的RFID技術(shù)進(jìn)行井下人員定位， 難以解決RFID漏讀問題。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括監(jiān)控主機(jī)、定位基站和多個(gè) 智能卡，監(jiān)控主機(jī)與定位基站連接，定位基站設(shè)置在井下，與多個(gè)智能卡無 線通信連接。
多個(gè)智能卡和定位基站的通信采用基于時(shí)分復(fù)用的RFID無線通信模式。
(RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識(shí)別，俗稱電子標(biāo) 簽，是一種無線的非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù))
監(jiān)控主機(jī)和定位基站之間采用主從通訊和多主通訊相結(jié)合的通訊模式。 正常工作狀態(tài)時(shí)采用主從通訊模式，故障時(shí)采用多主通訊模式。
定位基站為多個(gè)，通過CAN總線與監(jiān)控主機(jī)連接。CAN(Controller Area Network)屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串 行通信網(wǎng)絡(luò)。
作為改進(jìn)，智能卡上有微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和瓦斯傳感器，瓦斯傳感 器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與智能卡中的微處理器連接。
作為改進(jìn)，智能卡還設(shè)置有溫濕度傳感器，該溫濕度傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn) 換器與智能卡中的微處理器連接。
作為改進(jìn)，監(jiān)控主機(jī)通過因特網(wǎng)或無線通信系統(tǒng)與遠(yuǎn)程的服務(wù)器或數(shù)據(jù) 處理終端通信連接，用于將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的服務(wù)器或數(shù)據(jù)處理終端， 以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。所述的無線通信系統(tǒng)包括GSM、 CDMA、第三代移動(dòng)通 信系統(tǒng)等，需要在監(jiān)控主機(jī)端配置相關(guān)的無線收發(fā)裝置。
本實(shí)用新型的有益效果是
(1)對(duì)井下工作人員定位和位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控每一個(gè)井下工作人員配置 一個(gè)智能卡，并將現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)，由監(jiān)控主機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控。
(2) 安全性高。通過瓦斯傳感器和溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯 濃度和溫濕度參數(shù)，瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)及時(shí)報(bào)警，有效提高系統(tǒng)的安 全性。
(3) 采用TDMA (時(shí)分復(fù)用)技術(shù)解決RFID漏讀問題。
(4) 遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)通過因特網(wǎng)或無線通信系統(tǒng)與遠(yuǎn)程的裝置通信， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控。
(5) 礦難發(fā)生時(shí)，可以提高救援速度。根據(jù)對(duì)具體的井下工作人員的位 置的監(jiān)控，礦難發(fā)生時(shí)，根據(jù)位置信息迅速找到礦難發(fā)生的具體位 置，可以及時(shí)組織有效救援。
該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性好，正常情況可對(duì)井下人員進(jìn)行定位跟蹤、 對(duì)瓦斯進(jìn)行監(jiān)測(cè)和濃度超標(biāo)報(bào)警，礦難發(fā)生時(shí)可對(duì)井下人員進(jìn)行定位搜救。


圖1本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖2本實(shí)用新型智能卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖3本實(shí)用新型定位基站內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。 實(shí)施例1:
如圖l所示礦井人員定位搜救系統(tǒng)由地面的監(jiān)控主機(jī)、WEB服務(wù)器、通
信處理機(jī)、打印機(jī)、大屏幕顯示器和井下的定位基站、智能卡組成。定位基站通過CAN總線與監(jiān)控主機(jī)連接。本實(shí)施例的礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面監(jiān) 控子系統(tǒng)和井下人員定位子系統(tǒng)兩部分組成。所述的地面監(jiān)控子系統(tǒng)硬件部 分由監(jiān)控主機(jī)、WEB服務(wù)器、通信處理機(jī)、打印機(jī)、顯示器等組成。其中通 信處理機(jī)負(fù)責(zé)將井下CAN總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232信號(hào)；HUB用于地面設(shè)備 網(wǎng)絡(luò)連接；監(jiān)控主機(jī)用來運(yùn)行管理軟件，在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀動(dòng)態(tài)顯示井下 人員的分布情況，使管理者一目了然；WEB服務(wù)器里存放數(shù)據(jù)庫(kù)，供監(jiān)管部 門通過INTERNET (因特網(wǎng))遠(yuǎn)程監(jiān)控；打印機(jī)主要用來打印人員監(jiān)測(cè)管理 等報(bào)表。
所述監(jiān)控子系統(tǒng)軟件部分實(shí)時(shí)監(jiān)控、信息管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控三大模塊組成。 實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)入庫(kù)保存。信息 管理模塊的主要功能是對(duì)已保存的數(shù)據(jù)査詢并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等 功能。對(duì)于不需要公開和敏感的數(shù)據(jù)可以通過用戶端(Client端)由授權(quán)用戶 進(jìn)行管理，對(duì)于可以公開的數(shù)據(jù)通過Web服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布，方便公眾通過網(wǎng) 絡(luò)進(jìn)行査詢。
所述的井下人員定位子系統(tǒng)由定位基站、CAN總線和智能卡組成。其中 定位基站負(fù)責(zé)采集處理礦井人員的身份編碼、坑道內(nèi)的瓦斯?jié)舛取貪穸鹊?信息，并將它們送給地面監(jiān)控主機(jī)；智能卡里保存有員工的身份編碼，并不 斷的向周圍發(fā)送該編碼，礦難發(fā)生時(shí)可發(fā)無線報(bào)警信號(hào)。
目前國(guó)內(nèi)礦井人員定位系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)多采用主從通訊或多主通訊兩種 單一的通訊模式。在主從通訊方式中，不會(huì)出現(xiàn)通信沖突，但從站只有接收 到主站的查詢要求時(shí)，才能與主站通信，系統(tǒng)不能及時(shí)響應(yīng)突發(fā)事件，實(shí)時(shí) 性較差；多主通訊模式中的各節(jié)點(diǎn)都可主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，但會(huì)出現(xiàn)通信沖突， 若系統(tǒng)的容量很大，穩(wěn)定性將大大降低。因此，結(jié)合兩種通訊模式的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用主從通訊和多主通訊相結(jié)合的通訊模式。正常情況下，系統(tǒng)采用
主從通訊模式，監(jiān)控機(jī)(監(jiān)控主機(jī))每20秒將礦井巷道或工作面里的所有基 站(定位基站)查詢一次，任何時(shí)刻只有主站(監(jiān)控主機(jī))有權(quán)請(qǐng)求通信， 各從站(定位基站)只有收到主站的請(qǐng)求后才能發(fā)送信息。異常情況下，系 統(tǒng)采用多主通訊模式，基站先向主機(jī)(監(jiān)控主機(jī))發(fā)遠(yuǎn)程告警幀，主機(jī)收到 此幀后根據(jù)其內(nèi)容向基站請(qǐng)求相關(guān)告警信息，基站收到主站的請(qǐng)求幀后將詳 細(xì)的報(bào)警信息發(fā)給主機(jī)。若多個(gè)基站同時(shí)向主機(jī)主動(dòng)報(bào)警，這些CAN節(jié)點(diǎn)將 通過CSMA/CD方式競(jìng)爭(zhēng)總線，優(yōu)先權(quán)高的先與主機(jī)通信。
目前國(guó)內(nèi)礦井人員定位系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的RFID防碰撞算法如時(shí)隙 ALOHA、動(dòng)態(tài)幀時(shí)隙ALOHA法、二進(jìn)制搜索法等，這些算法吞吐率低、難 以解決大容量的射頻卡識(shí)別問題、而且漏讀率高，難以滿足井下人員定位的 要求。因此，本系統(tǒng)創(chuàng)新的采用網(wǎng)絡(luò)通信中常見TDMA技術(shù)解決射頻卡的碰 撞及漏讀問題。TDMA技術(shù)通過合理的分配讀卡器與各射頻卡的通信時(shí)隙將 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式轉(zhuǎn)化為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，以達(dá)到避免碰撞的目的。
所述的智能卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中按鍵用于報(bào)警；電源負(fù)責(zé)為射 頻芯片提供工作電源；ROM用來存儲(chǔ)應(yīng)用程序；A/D轉(zhuǎn)換器(模數(shù)轉(zhuǎn)換器) 可接8路模擬量輸入，用于擴(kuò)展無線傳感功能；MCU (微處理器)負(fù)責(zé)控制 射頻收發(fā)器收發(fā)；SPI 口負(fù)責(zé)射頻收發(fā)器與MCU間的通信；射頻收發(fā)器與天 線構(gòu)成射頻收發(fā)電路，負(fù)責(zé)與讀卡器的通信，收到讀卡器的請(qǐng)求信號(hào)后將員 工編碼發(fā)射給讀卡器。智能卡采用CC2430芯片作為射頻通信芯片。CC2430 是Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議。該片上系統(tǒng)的功能模塊集成了 CC2420 RF 收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU和8輸入14位A/D轉(zhuǎn)換器，硬件支持避免沖突得載波偵聽多路存取技術(shù)。該卡空曠地最大收發(fā)距離可達(dá)200米，樓 道內(nèi)收發(fā)也能達(dá)100米，其最大發(fā)射功率僅ODBm (1毫瓦)，收發(fā)狀態(tài)切換 時(shí)間小于192微秒，非常適合井下無線數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到井下人員定位要求。
所述的定位基站內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中瓦斯檢測(cè)電路接口與瓦斯傳 感器電路相連，主要用來檢測(cè)通道里的瓦斯?jié)舛?；溫濕度檢測(cè)電路用來采集 中繼器附近的溫濕度；MCU是基站的信息處理中心；報(bào)警電路在通道內(nèi)瓦斯 濃度超標(biāo)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；隔爆電源主要是利用礦井通道里現(xiàn)有的電力傳 輸系統(tǒng)為基站供電，以保證其在正常情況下的運(yùn)行；備用電池可以保證定位 基站在異常情況下工作；CAN協(xié)議控制器和CAN驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成了 CAN通信 電路，負(fù)責(zé)MCU對(duì)總線的訪問及信號(hào)轉(zhuǎn)換；讀卡器接口電路與讀卡器相連， 負(fù)責(zé)接收礦工攜帶智能卡發(fā)出的員工編碼或無線報(bào)警信號(hào)。定位基站中的微 控制器采用ATMEL公司的AT89C52芯片；讀卡器采用nRF24芯片，結(jié)構(gòu)與 智能卡類似，該電路通過擴(kuò)展口與微控制器相連；CAN總線通信電路由 SJA1000CAN總線控制器、6N137光隔電路、PCA82C250 CAN驅(qū)動(dòng)器組成； 溫濕度檢測(cè)電路采用SHTll傳感器設(shè)計(jì)；瓦斯檢測(cè)電路采用MJC4/3.0L傳感 器設(shè)計(jì)；電源電路由L7805和AMS1117組成，給系統(tǒng)提供+5V和+3.3V直流 電源。
本實(shí)施例工作原理如下正常情況下，井下定位基站中的讀卡器不斷向 其周圍發(fā)送無線信號(hào)。每個(gè)基站(定位基站)有一個(gè)有效的信號(hào)覆蓋區(qū)。礦 工隨身攜帶的智能卡進(jìn)入這些信號(hào)覆蓋區(qū)后被激活，將保存在其內(nèi)的員工數(shù) 據(jù)信息發(fā)送給基站；基站將代表巷道地理位置的基站編碼連同收到的員工數(shù) 據(jù)一起打包送至地面計(jì)算機(jī)(監(jiān)控主機(jī))；地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)收到此信息后，經(jīng) 相應(yīng)的監(jiān)控軟件分析計(jì)算礦井人員所在具體位置。礦難發(fā)生時(shí)，員工通過智能卡發(fā)報(bào)警信號(hào)，該信號(hào)通過總線傳到地面。 地面主控計(jì)算機(jī)收到該信號(hào)后，通過調(diào)用相應(yīng)軟件進(jìn)行分析便可得出事故發(fā) 生地的大概位置。此后，可由搜救人員下井搜救，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確搜救。
本礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備以下功能1.人員定位檢測(cè)功能。實(shí)時(shí)檢測(cè) 下井人員所處的區(qū)域信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)下井員工的人員定位和跟蹤管理功能。2.井 下環(huán)境參數(shù)監(jiān)控功能。實(shí)時(shí)監(jiān)控井下安全相關(guān)敏感數(shù)據(jù)信息，能夠檢測(cè)井下 瓦斯?jié)舛取?一氧化碳濃度、溫度、濕度等物理信息。3.自動(dòng)報(bào)警功能。當(dāng)井 下定位基站、相關(guān)傳感器設(shè)備或通信電纜及傳輸接口出現(xiàn)故障時(shí)，井上監(jiān)控 主機(jī)有相應(yīng)的顯示和報(bào)警功能；當(dāng)檢測(cè)到井下某處的瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)，定位 基站和井上監(jiān)控主機(jī)均能發(fā)出報(bào)警；當(dāng)有礦工誤入井下禁區(qū)時(shí)，定位基站報(bào) 警。4.安全保障功能。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存下來的歷史數(shù)據(jù)信息，可迅速 知道井下人員及重要設(shè)備的分布情況， 一旦出現(xiàn)礦井災(zāi)難，可迅速對(duì)現(xiàn)場(chǎng)被 困人員進(jìn)行定位和搜尋。5.考勤管理功能。通過操作平臺(tái)專用管理軟件對(duì)下 井人員進(jìn)行下井次數(shù)、井下停留時(shí)間等信息分類統(tǒng)計(jì)，便于考核，實(shí)現(xiàn)工作 人員的考勤統(tǒng)計(jì)管理功能和有關(guān)報(bào)表的打印。6.生產(chǎn)調(diào)度功能。通過調(diào)用數(shù)
據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，可以査詢井下人員分布情況并根據(jù)需要迅速進(jìn)行人員調(diào)配， 實(shí)現(xiàn)井下有限資源的優(yōu)化配置，達(dá)到事半功倍的效果。
權(quán)利要求1. 一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括監(jiān)控主機(jī)、定位基站和多個(gè)智能卡，監(jiān)控主機(jī)與定位基站連接，定位基站設(shè)置在井下，與多個(gè)智能卡無線通信連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè) 智能卡和定位基站的通信采用基于時(shí)分復(fù)用的RFID無線通信模式。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，監(jiān)控 主機(jī)和定位基站之間采用主從通訊和多主通訊相結(jié)合的通訊模式。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，定位 基站為多個(gè)，通過CAN總線與監(jiān)控主機(jī)連接。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 的智能卡上有微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和瓦斯傳感器，瓦斯傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn) 換器與智能卡中的微處理器連接。
6. 如權(quán)利要求5所述的一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述 的智能卡還設(shè)置有溫濕度傳感器，該溫濕度傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與智能卡 中的微處理器連接。
7. 如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征 在于，監(jiān)控主機(jī)通過因特網(wǎng)或無線通信系統(tǒng)與遠(yuǎn)程的服務(wù)器或數(shù)據(jù)處理終端 通信連接。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種礦井用定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括監(jiān)控主機(jī)、定位基站和多個(gè)智能卡，監(jiān)控主機(jī)與定位基站連接，定位基站設(shè)置在井下，與多個(gè)智能卡無線通信連接。多個(gè)智能卡和定位基站的通信采用基于時(shí)分復(fù)用的RFID無線通信模式。本系統(tǒng)采用主從通訊和多主通訊相結(jié)合的通訊模式。本系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，安全性高，人員定位檢測(cè)、井下環(huán)境參數(shù)監(jiān)控等功能。
文檔編號(hào)H04L12/28GK201237641SQ20082005353
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月26日
發(fā)明者李曉樂, 春 楊, 翚 林, 聰 趙, 靳松魁 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)