基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安全監測系統的製作方法

2023-05-09 19:35:01

專利名稱：基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安全監測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及煤礦安全與傳感器網絡領域，是一種基於2.4GHz與433MHz頻段'混 合組網的井下無線安全監測系統。
技術背景長期以來，煤礦行業就是高危行業，工業事故率高，煤礦瓦斯爆炸、礦井坍塌時 有發生，對井下工作人員的生命構成嚴重威脅。如何在事故前發出預警，並告知井下 工作人員，實施人員緊急疏散；如何在礦難發生後進行及時有效的救援，是井下安全 監測系統研究的重點。現有的井下安全監測系統， 一般以傳感器、分站、傳輸系統和監控中心組成，採 用有線傳輸。這些系統的應用對井下安全監控起到了一些作用，但是也存在一些問題， 由於採用有線傳輸，這就導致設備移動不方便，維護困難，且功能少。隨著傳感器網 絡技術的發展，各種基於傳感器網絡的井下無線系統方案陸續提出，但這些系統都是 通過有線與無線相結合的方式，並不是一個全無線的系統。 發明內容本發明的目的在於提供一種基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安 全監測系統。本系統能實時監測井下瓦斯濃度與溫度、對人員進行定位及生理參數採 集，經數據融合以後，向地面主機傳輸數據，地面主機分析井下數據，若有異常，發 出聲光報警，並向井下發布緊急疏散命令，以達到預防危險的目的。若發生礦難，則 根據人員歷史位置信息，進行及時有效的救援。為達到上述目的，本發明採用下述技術方案一種基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安全監測系統，由移動節 點、固定節點、網關節點、傳輸節點、地面主機構成的傳感器網絡，特徵在於移動 節點採集計算的礦工位置信息、監測的生理參數信息，固定節點採集的瓦斯濃度與溫 度信息，採用樹型路由算法，傳輸給網關節點，然後經傳輸節點，通過多跳方式傳輸 給地面主機；由多個移動節點與固定節點組成2.4GHz頻段網絡由多個傳輸節點組成 433MHz頻段網絡；在2.4GHz和433MHz頻段混合無線自組網絡的架構上，實時採集井下環境信息(瓦斯、溫度)和井下人員生理信息(脈搏、體溫)，能及時向井下 人員發布緊急避險信息，並能對井下人員進行區域位置的實時跟蹤；地面主機收集井 下採集的數據，顯示實時數據與歷史數據，實施危險信息聲光報警，並能向井下發布 緊急避險信息。上述的2.4GHz頻段網絡的路由協議採用樹型路由協議，傳輸數據至網關節點。 上述的433MHz頻段網絡通過多跳方式把數據傳輸至地面主機。 上述的網關節點通過串口傳輸的方式連接2.4GHz網絡與433MHz網絡。 上述的移動節點由礦工攜帶，帶有體溫傳感器，脈搏傳感器，負責監測礦工體溫和脈搏信息，並根據固定節點位置計算出礦工的位置，不負責轉發任務。上述的固定節點以固定位置放置於煤礦巷道內，帶有瓦斯傳感器，溫度傳感器，負責採集周圍的瓦斯濃度和溫度信息，並充當信標作用，以便移動節點完成定位，自身承擔轉發任務。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點是顯著優點本 發明含有2.4GHz與433MHz頻段混合組網，能將數據通過串口，傳輸於地面主機， 從而能通過預警軟體可以實時查看員工區域位置、員工生理參數信息、煤礦瓦斯濃度 和溫度信息，並且把數據存入資料庫中。 一旦數據異常，預警軟體就發出聲光報警， 並提示危險原因及危險位置，井上監控人員可以立即發布緊急命令至井下，以達到預 防危險目的。若發生礦難，則能根據井下人員歷史位置信息，進行及時有效救援。


附圖1為總體結構示意圖；附圖2為無線傳感器節點基本構成圖；附圖3為樹形路由示意圖；具體實施方式
本發明的一個優選實施例結合附圖詳述如下參見圖1，本基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安全監測系統， 系統網絡由多個移動節點1與固定節點2組成的2.4GHz頻段網絡、多個傳輸節點4 組成的433MHz頻段網絡、連接2.4GHz頻段網絡與433MHz頻段網絡的網關節點3 和井上主機5組成。移動節點1安裝於礦工礦帽內，帶有體溫傳感器、脈搏傳感器和 警報蜂鳴器。移動節點1每隔一段時間向周圍固定節點2發送定位信息，固定節點2 收到移動節點信息以後，首先判斷是何種信息類型，如果是定位信息，則返回一信息，移動節點1收到周圍固定節點2返回的信息計算出自己的位置，並把計算出的自身位 置信息與監測的體溫和脈搏信息一起，上傳至井上主機。固定節點2布置於煤礦巷道 內，每隔15米一20米放置，帶有瓦斯傳感器、溫度傳感器和警報蜂鳴器，負責煤礦 環境參數的監測、充當2.4GHz頻段網絡的傳輸節點、充當定位信標點。移動節點l 和固定節點2共同組成2.4GHz頻段網絡，完成了對巷道區域人員定位、區域環境參 數的監測的任務。考慮到2.4GHz網絡傳輸距離較短，而井下巷道和主井狹長的特點， 採用傳輸距離較遠的433MHz頻段節點來完成對數據的傳輸任務。傳輸節點4布置於 不考慮定位的狹長巷道與主井內，每隔100米一200米放置，不帶有傳感器，只負責 數據的傳輸。網關節點3為雙頻節點，用於連接2.4GHz頻段網絡與433MHz頻段網 絡。為減小通信數據量，網關節點3對2.4GHz頻段網絡的傳輸數據，經過數據融合 後，再發送至433MHz網絡。井上主機5收到數據以後，實時顯示並存儲，對數據進 行分析，發現數據異常，則發送避險信息，避險信息通過無線傳輸至對應的節點，對 應的節點通過警報蜂鳴器，通知井下人員緊急撤離。參見圖2，無線傳感器網絡基本構成模塊為電源模塊、處理器模塊、無線收發 模塊和傳感器模塊。其中，電源模塊都是採用乾電池。移動節點1和固定節點2的處 理器模塊採用ATmegal28單片機，它是一款基於AVR內核，採用先進的RISC結構， 低功耗COMS單片機。無線收發模塊採用CC2420無線收發晶片，它是Chipon As 公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4標準的射頻收發器，工作於ISM免費頻帶 上，符合歐洲l EIEN 300 328、 EN 300 440 class2，美國FCC CFR47 15部分標準和日 本ARIBSD-T66標準。它具有良好的性能，滿足傳感器節點功耗低、成本低、體積 小等硬體條件，應用非常廣泛。本發明中CC2420晶片主要用於收發無線數據，形成 網絡拓撲結構；提供節點物理層、MAC層的網絡協議棧，維護不同節點之間的通信； 為井下無線定位提供RSSI測距基礎等。移動節點1帶有體溫傳感器和脈搏傳感器， 固定節點2帶有瓦斯傳感器和溫度傳感器。傳輸節點3的處理器模塊採用LPC2214 晶片，它是一種基於一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI—STM CPU的微 控制器，並帶有256KB嵌入的高速片內Flash存儲器。無線收發模塊採用CC1100無 線收發晶片，它是一種低成本真正單片的UHF收發器，為低功耗無線應用而設計， 電路主要設定為在315、 433、 868和915MHz的ISM和SRD頻率波段。網關節點3 為雙頻節點，它為以上兩種頻段網絡節點的結合，通過串口線連接，以完成兩種不同 頻段網絡的連接。圖3為樹形路由示意圖，l號節點為根節點，2號節點為1號節點子節點，同時 2號節點又是3號節點和4號節點的上級節點，3號節點又有5號節點和6號節點2 個子節點，以此類推。節點只能與自己的直接上級或直接下級節點進行數據通信，而 與其它節點不進行通信。本發明中採用的路由協議，是一種先應式路由，每個節點通 過周期性廣播HELLO分組，來維護一個路由表，該路由表中含自己的上級節點(只 有一個)和所有的下級節點，使網絡拓撲為樹形結構。當要發送或轉發點到點分組時，如果在路由表中有該節點路由，則發給路由表中 相應下一跳節點，如果沒有，則發給自已的上級節點。以下為路由建立過程(1) 根節點1定時發送跳數為0的廣播HELLO包(2) 節點2收到後，與節點l建立上下級路由關係(3) 節點2定時發送跳數為1的廣播HELLO包(4) 節點3和4與節點2建立上下級路由關係(5) 同樣，節點5和6與節點3建立上下級路由關係上下級路由建立按跳數最小原則，每個節點只和自己鄰居節點中跳數標記最小的 設為自己的上級。節點的幾種狀態□ DISCONNECTION,斷網狀態，節點不發消息，可接收其它節點消息，以更新 鄰居列表□ CONNECTION,正常連接狀態，定時發HELLO□ RELOAD,如果和上級節點失去聯繫或發現環路，同進入重啟路由狀態□ SILENCE,節點不再發HELLO，只接收其它節點HELLO 關鍵問題口上級節點切換(按距根節點跳數最近原則) □單向路由判別 □環路判別□ HELLO包中同時含本節點及下級節點採集的數據信息□ HELLO時間自動調整本網絡中的2.4GHz頻段網絡，採用此樹形路由協議，其中固定節點2可以有上 級節點和下級節點，移動節點l只有上級節點，而沒有下級節點，為樹的葉子，只完成人員生理參數的監測和人員定位並向上級傳輸數據的功能。本網絡定位方案為分布式定位，即每個待測節點收到信標點發來的信息之後，自己計算自己的位置坐標，將這些信息通過Hello包(路由維護包)，經無線信道發給信標點，再由信標點傳至上層網關節點，最後在井上的監測系統中實時顯示。利用分布式方案無疑增加了每個待測節點的運算量和能耗，但是相對於集中式方案在定位數據傳輸上的開銷來說就小得多。因為集中式是將每個節點的鄰居信息向上層發送，最終由網關節點3甚至是井上的監控中心軟體來計算，儘管這樣計算精度能夠提高，但是通信開銷頗大，並且網關節點3會因為傳送數據過多，負荷過大，縮短了其生存時間，從而導致整個網絡發生癱瘓，而與網關節點3位置較近的節點也會因為通信開銷大而過早地消耗完電能，導致整個網絡與網關節點3信息交流的中斷，無法進行實時定位。在分布式定位方案中，由於待測節點只發送自己的位置，並不將自己周圍的信標點的情況進行發送，因此理論上用於定位的通信開銷基本是集中式的一半左右。基於傳感器節點功耗低、運算能力不強等硬體限制條件，在實際運用中，考慮到 節點的生存時間和定位有效性，勢必在算法設計上不能太複雜，應該以滿足定位精度 要求、簡單、快速為前提。很多高精度的迭代運算，矩陣乘，求逆等運算很難在實際 節點上進行。再者，井下煤礦具有其特殊的地形特點掘進面主要是呈"U"字形，如圖l所 示，距地表深度也有幾十米至上百米，兩邊的運煤通道長可達幾公裡，而中間的挖煤坑道實際長度從200 500m不等，寬度則相對比較窄，只有幾米。對井下監測而言， 容易發生礦難、塌方的地方也就是實際需要定位的區域。因此本發明設計的定位方案 是一種一維的區域定位。
權利要求
1、一種基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安全監測系統，由移動節點(1)、固定節點(2)、網關節點(3)、傳輸節點(4)、地面主機(5)構成的傳感器網絡，特徵在於移動節點(1)採集計算的礦工位置信息、監測的生理參數信息，固定節點(2)採集的瓦斯濃度與溫度信息，採用樹型路由算法，傳輸給網關節點(3)，然後經傳輸節點(4)，通過多跳方式傳輸給地面主機(5)；由多個移動節點(1)與固定節點(2)組成2.4GHz頻段網絡由多個傳輸節點(4)組成433MHz頻段網絡；在2.4GHz和433MHz頻段混合無線自組網絡的架構上，實時採集井下環境信息(瓦斯、溫度)和井下人員生理信息(脈搏、體溫)，能及時向井下人員發布緊急避險信息，並能對井下人員進行區域位置的實時跟蹤；地面主機(5)收集井下採集的數據，顯示實時數據與歷史數據，實施危險信息聲光報警，並能向井下發布緊急避險信息。
2. 根據權利要求I所述的一種基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安 全監測系統，其特徵在於2.4GHz頻段網絡的路由協議採用樹型路由協議，傳輸 數據至網關節點(3)。
3. 根據權利要求1所述的一種基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安 全監測系統，其特徵在於433MHz頻段網絡通過多跳方式把數據傳輸至地面主 機(5)。
4. 根據權利要求1所述的一種基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安 全監測系統，其特徵在於網關節點(3)通過串口傳輸的方式連接2.4GHz網絡 與433MHz網絡。
5. 根據權利要求1所述的一種基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安 全監測系統，其特徵在於移動節點(1)由礦工攜帶，帶有體溫傳感器，脈搏傳 感器，負責監測礦工體溫和脈搏信息，並根據固定節點(2)位置計算出礦工的位 置，不負責轉發任務。
6. 根據權利要求1所述的一種基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安 全監測系統，其特徵在於固定節點(2)以畫定位置放置於煤礦巷道內，帶有瓦 斯傳感器，溫度傳感器，負責採集周圍的瓦斯濃度和溫度信息，並充當信標作用, 以便移動節點完成定位，自身承擔轉發任務。
全文摘要
本發明涉及一種基於2.4GHz與433MHz頻段混合組網的井下無線安全監測系統。該系統由移動節點、固定節點、網關節點、傳輸節點、地面主機構成。移動節點主要由礦工攜帶，帶有傳感器，可以監測礦工體溫脈搏。固定節點放置於煤礦巷道內，帶有傳感器，可以實時監測周圍的瓦斯濃度。地面主機接收井下採集的數據，實時顯示人員定位信息和人員生理參數信息，實時顯示瓦斯濃度曲線，並能設置超限報警和向井下發布緊急避險信息。
文檔編號G08C17/00GK101221689SQ200710171799
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月6日 優先權日2007年12月6日
發明者施惠昌, 沈明華, 田金鵬, 敏 蔣 申請人:上海大學