礦井井下智能無線監控與定位系統基站的製作方法
2023-05-11 07:36:26
專利名稱：礦井井下智能無線監控與定位系統基站的製作方法
技術領域：
本發明是一種礦井井下智能無線監控與定位系統基站，屬於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。無線基站是完善監控和精確定位的基礎。目前一些專利涉及 了這方面的研究。CN 201096877Y公布了一種基於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提出了基於ZIGBEE和RFID的礦井無線定位系統及其布設方法。 採用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，採用基於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幹擾因素太多，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 是對於礦井定位的關鍵問題如何利用無線系統進行準確的定位，該專利並沒有提出新的 算法。CN201234272Y煤礦井下無線傳感器網絡節點設備。提出了煤礦井下基於無線傳感 器網路的人員定位和環境監測的硬體平臺。但是對於礦井救援和監控來說，這些硬體是最 基本也是最常規的，該專利並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 涉及一些硬體。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提出了一種基於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。提出了基於無線傳感器網絡的人 員定位和環境監測的硬體平臺。但該設備沒有解決有效的利用礦井現有條件組網問題，因 為無線信號在井下幹擾大，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 應該採用有線通訊方式。同時該設備沒有解決基於融合方法的定位問題。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術產品的缺陷，提供一種新的礦井井下智能無線監控 與定位系統基站，與其它無線基站所不同的是本發明無線基站實現了有線和無線通訊無縫切換；當井下發生礦井事故交流電切斷時，無線基站照樣能工作，為救援提供信息保證。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基站，包括核心處 理器、電源系統、通訊接口、氣體傳感器，所述核心處理器中設有嵌入式軟體，其特徵在於 所述核心處理器為ARM處理器，所述通訊接口由分別與核心處理器相連的無線ZigBee模 塊、工業CAN總線接口組成，所述無線ZigBee模塊與核心處理器通過SPI 口連接通訊。所述電源系統包括電源管理模塊、與電源管理模塊分別相連的電池、防爆開關電 源，所述防爆開關電源與井下交流電相連。所述電池為鋰電池或鉛酸電池。所述無線ZigBee模塊與工業CAN總線接口通過無縫切換的方式進行相互切換。所述核心處理器的嵌入式軟體中設有定時中斷、SPI中斷和CAN中斷三個中斷，在 定時中斷中，採集氣體傳感器數據，檢測工業CAN總線是否通訊正常，當工作正常時，通過 工業CAN總線接口將氣體傳感器的數據發送給中繼站，當工業CAN總線不能正常工作時，通 過SPI接口發送給無線ZigBee模塊一個標誌字節，這樣無線ZigBee模塊將自己設為路由 器，直接將信號數據通過無線方式發送給下個無線基站。當SPI接收到來自無線ZigBee模 塊的數據時，將數據打包通過工業CAN總線接口發送給中繼站。本發明礦井井下智能無線監控與定位系統基站由硬體和嵌入式軟體組成。在硬體 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。硬體系統中的核心處理器完成所有模塊的控制，並採集氣體傳感器的數據，監控 巷道氣體的含量。本發明有兩種通訊接口 (1)無線ZigBee模塊；(2)工業CAN總線接口。 兩種接口是無縫切換的當有線工業CAN總線接口連接到數據分析處理與傳輸中繼站時， 無線基站通過有線工業CAN總線接口發送數據給中繼站。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，將數據轉發給中繼 站，或者通過無線信號直接給中繼站。無線ZigBee模塊接收來自移動載體的數據，並將系統其它部分的數據及命令發 送給移動載體。當有線通訊不能工作時，無線基站能夠將數據轉發給附近的基站，然後通過 基站發送給中繼站，再傳輸到地面工作站。本發明無線監控與定位系統基站是通過自組織方式進行組網，每個基站都是一個 接收終端，同時也是個路由器，能將無線數據轉發給其它的無線基站。無線基站安裝了高質量的氣體傳感器，這個氣體傳感器既是無線監控體系的一個 節點，同時也可對無線定位的數據進行修正。本發明的無線基站，實現了在礦難時，提供礦井巷道信息的緊急服務。在安全生產 時，提供完善的監控與定位。在特殊的工作場合，不方便布置有線線路時，可以方便使用無 線網絡建立基站。本發明的有益效果是(1)在該無線基站中，實現了有線和無線通訊無縫切換。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，無線基站通過有線接口發送 數據給中繼站。如果有線信號不能工作時或沒有連接時，通過無線ZigBee將數據信號給其
4它基站，通過其它基站，將數據轉發給中繼站，或者通過無線信號直接給中繼站。(2)雙電源 供電，包括電池和井下交流電。主要目的是，當井下發生礦井事故交流電切斷時，無線基站 照樣能發揮作用，為救援提供信息保證。(3)無線基站包括高質量氣體傳感器的數據，既可 以監控巷道氣體的含量。也可以通過傳感器的數據對定位進行修正。
圖1是本發明結構示意框圖；圖2是本發明核心處理器軟體的定時中斷結構流程示意圖；圖3是本發明核心處理器軟體的SPI接收中斷的結構流程示意圖；圖4是本發明無線ZigBee模塊的結構流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明，以使本專業的技術 人員在閱讀後，能夠進一步地掌握和理解本發明的結構特徵。根據圖1，本發明由核心處理器、無線ZigBee模塊、工業CAN總線接口、電源管理模 塊、電池、防爆開關電源、井下交流電構成。本發明有兩種供電方式，一種是電池供電，另一 種是井下交流電供電。電源管理模塊對兩個電源進行管理。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。雙電源供電 在礦井中非常關鍵。因為當遇到礦井災難等緊急事情時，井下的交流電應該切斷，此時備用 的電池供電，這樣救援隊員能通過該基站獲取巷道環境的信息。在圖1中，核心處理器採用高性能的ARM處理器。有兩種通訊接口 (1)無線 ZigBee模塊；(2)工業CAN總線接口。這兩種接口之間進行無縫切換，無線ZigBee模塊與 核心處理器之間通過SPI 口連接通訊，在核心處理器的軟體中，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，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，無線基站可以採用無線方式工作。當出現礦難時，有線被破壞 時，無線監控與定位系統同樣能進行工作。無線ZigBee模塊接收移動載體發送過來的數 據，並將數據轉發給巷道中的下個基站或發送給中繼站。在實際應用中應用多個相同的本發明作為多個節點組成監控網絡，本發明基站中 安裝有高質量的氣體傳感器，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 定位系統中的參考值，來修正移動載體的定位值。根據圖2、圖3，圖4，本發明礦井井下智能無線監控與定位系統基站的核心處理器 的軟體中，設有三個中斷，一個是定時中斷，二是SPI中斷，三是CAN中斷。在定時中斷中， 採集氣體傳感器數據，檢測工業CAN總線接口是否通訊正常，當工作正常時，通過工業CAN 總線接口將傳感器數據發送給中繼站，當工業CAN總線接口不能正常工作時，通過SPI 口發 送給無線ZigBee模塊一個標誌字節，這樣無線ZigBee模塊將自己設為路由器，直接將信號 數據通過無線方式發送給下個無線基站。當SPI 口接收到來自無線ZigBee模塊的數據時， 將數據打包通過工業CAN總線接口發送給中繼站。本發明涉及的無線基站，實現了在礦難時，無線基站仍然正常工作，為救援隊員提 供礦井巷道信息的緊急服務。在安全生產時，提供完善的監控與定位。在特殊的工作場合，
5不方便布置有線線路時，可以方便使用無線網絡建立基站。
權利要求
一種礦井井下智能無線監控與定位系統基站，包括核心處理器、電源系統、通訊接口、氣體傳感器，所述核心處理器中設有嵌入式軟體，其特徵在於所述核心處理器為ARM處理器，所述通訊接口由分別與核心處理器相連的無線ZigBee模塊、工業CAN總線接口組成，所述無線ZigBee模塊與核心處理器通過SPI口連接通訊。
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基站，其特徵在於所述 電源系統包括電源管理模塊、與電源管理模塊分別相連的電池、防爆開關電源，所述防爆開 關電源與井下交流電相連。
3.根據權利要求2所述的礦井井下智能無線監控與定位系統基站，其特徵在於所述 電池為鋰電池或鉛酸電池。
4.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基站，其特徵在於所述 無線ZigBee模塊與工業CAN總線接口通過無縫切換的方式進行相互切換。
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基站，其特徵在於所述 核心處理器的嵌入式軟體中設有定時中斷、SPI中斷和CAN中斷三個中斷，在定時中斷中， 採集氣體傳感器數據，檢測工業CAN總線是否通訊正常，當工作正常時，通過工業CAN總線 接口將氣體傳感器的數據發送給中繼站，當工業CAN總線不能正常工作時，通過SPI接口發 送給無線ZigBee模塊一個標誌字節，這樣無線ZigBee模塊將自己設為路由器，直接將信號 數據通過無線方式發送給下個無線基站，當SPI接收到來自無線ZigBee模塊的數據時，將 數據打包通過工業CAN總線接口發送給中繼站。
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基站。它包括核心處理器、電源系統、通訊接口、氣體傳感器，所述核心處理器中設有嵌入式軟體，所述核心處理器為ARM處理器，所述通訊接口由分別與核心處理器相連的無線ZigBee模塊、工業CAN總線接口組成，所述無線ZigBee模塊與核心處理器通過SPI口連接通訊。本發明的優點是(1)在該無線基站中，實現了有線和無線通訊無縫切換。(2)雙電源供電，包括電池和井下交流電。主要目的是，當井下發生礦井事故交流電切斷時，無線基站照樣能發揮作用，為救援提供信息保證。(3)無線基站包括高質量氣體傳感器的數據，既可以監控巷道氣體的含量。也可以通過傳感器的數據對定位進行修正。
文檔編號H04B1/74GK101917211SQ201010237439
公開日2010年12月15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:上海中為智慧機器人有限公司