一種礦井實時通訊方法
2023-05-11 16:22:16 1
專利名稱：一種礦井實時通訊方法
技術領域：
本發明涉及礦井通訊方法，尤其是涉及一種基於IEEE 802. 15. 4無線網絡技術的礦井下人員進行實時通訊的方法。
背景技術：
煤炭是我國最為重要的能源資源，近年來煤炭礦井事故頻發，安全生產面臨著非常嚴峻的考驗。因而，國家礦山安全監察局把礦山應急救援擺上了重要日程，先後組建了礦山救援指揮中心、生產安全應急救援辦公室、礦山醫療救援中心、礦山事故救援基地以及礦山救援技術研究中心等礦山安全及應急救援研究體系。礦山救援「十一五」發展規劃關於明確指出我國礦山應急救援存在問題方面包括救援設備落後、通訊信息不暢，遠不能適應礦山應急救援的整體需要。而廣泛應用信息技術也是加強和改善煤礦安全生產工作的有效手段，所以，推廣煤礦信息化技術應用已刻不容緩。因此，研究煤礦救援通訊方法的設計理論，研究可以快速組網的具有傳輸語音、災區環境參數數據等信號的煤礦救援應急通訊技術，實時、準確地把災區救援過程中的信息傳送到井下救護基地和地面救援指揮部以及各級救援指揮中心，對最大限度地降低事故造成的損失、增強煤礦救援決策能力、構建國家快速高效應對體系具有重要意義。近年來，伴隨著無線通訊技術的發展和煤礦信息化的要求，無線通訊技術包括 SDR(Short Distance Radio，短距離無線通訊)等技術也開始在煤礦安全生產中得到了廣泛的應用。但是，現有的礦井通訊方法通常無法快速實現井上人員與井下的作業人員之間以及井下作業人員之間進行實時通訊，影響了礦井的調度和應急救援。
發明內容
本發明為了解決現有技術礦井通訊方法通常無法快速實現井上人員與井下的作業人員之間以及井下作業人員之間進行實時通訊，影響了礦井的調度和應急救援的技術問題，提供了一種礦井實時通訊方法。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為設計一種礦井實時通訊方法，包括
在井下設置相連的若干基站，並使所述基站與井上的程控交換機建立通訊連接； 在井下作業人員身上設置位於基站內並受其所屬基站管理和控制的ZigBee移動終
端；
利用所述基站和ZigBee移動終端構建基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的無線通信網絡；
各基站和該基站內的ZigBee移動終端之間採用基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議進行無線通信。所述ZigBee移動終端與基站之間的無線通訊採用以下撥號協議所述ZigBee移動終端發起一個通話請求到其所屬基站，所述基站收到後回復一個確認，並向目的ZigBee
4移動終端發送通話請求，當目的ZigBee移動終端收到後向所述基站回復一個確認；如果目的ZigBee移動終端確認接聽，則向所述基站發送一個接聽指令，所述基站收到目的 ZigBee移動終端發來的接聽指令後打開ZigBee移動終端和所述目的ZigBee移動終端之間的通道，並向ZigBee移動終端發送接聽確認，而後ZigBee移動終端和所述目的ZigBee 移動終端通過所述基站的轉發來發送和接收語音包，直到ZigBee移動終端和所述目的 ZigBee移動終端中的一方發送關閉通話指令，所述基站向另一方發送關閉通話指令並關閉通道。所述礦井實時通訊方法還包括每一基站內的各ZigBee移動終端之間的通訊由該基站接續完成。所述礦井實時通訊方法還包括採用以下方法實現不同基站之間的ZigBee移動終端的跨站呼叫一基站內的ZigBee移動終端首先與其所屬基站建立連接以交換信令，再通過該基站與程控交換機交換有關信令，程控交換機對所有基站發出選呼信令，另一基站的ZigBee移動終端接收所述選呼信號，從而實現不同基站之間的ZigBee移動終端的跨站呼叫。所述礦井實時通訊方法還包括採用以下方法進行ZigBee移動終端所屬基站網絡的切換ZigBee移動終端根據其檢測到的基站發射信號強度切換ZigBee移動終端所屬基站網絡。所述切換方法為所述ZigBee移動終端先向新基站發送請求加入網絡申請，如果新基站允許其加入，就向其回復加入確認，並把其加入網絡，當ZigBee移動終端收到加入確認時向原基站發送離網指令離網。所述ZigBee移動終端檢測基站發射信號強度的計算方法為所述ZigBee移動終端檢測到的基站發射信號強度用接收功率P(d)來表示，且P(d) =P (do) -IOalog (d/dO)； 其中，P(d)表示距離基站d處的接收功率，其單位為dbm，P(dO)表示距離基站d0處的接收功率，a為路徑損耗指數，通過實際的測量來獲得。所述基站網絡切換的條件為=ZigBee移動終端檢測到的原基站信號強度 P (d) <45dbm,且連續2次檢測到新基站信號強度強於原基站。所述礦井實時通訊方法還包括在各基站內按一定距離設置若干路由器，且使所述路由器加入所述基站和ZigBee移動終端構建的基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的無線通信網絡，使所述路由器與基站之間以及路由器與ZigBee移動終端之間採用基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議進行無線通訊。所述程控交換機與所述基站通過有線連接，所述各基站之間通過RS485電纜連接。本發明通過設置基站和ZigBee移動終端，利用所述基站和ZigBee移動終端構建基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的無線通信網絡；各基站和該基站內的ZigBee移動終端之間採用基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議進行無線通信。因此，只要每個井下作業人員攜帶一個ZigBee移動終端，如帶ZigBee網絡模塊終端的手機，成為基於IEEE 802. 15. 4 無線網絡協議的無線通信網絡中的一個節點，即可以利用本發明實現井下作業人員之間的實時通訊。由於ZigBee技術具有功率小和通信效率高的優點，非常適合於礦井通道環境使用。同時，由於在井上設置程控交換機，井上人員可通過程控交換機、基站與ZigBee移動終端進行實時通訊，實現井上人員與井下作業人員之間的實時通訊，有利於礦井的調度和應
急救援。
下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明，其中 圖1是本發明礦井實時通訊方法的硬體構成原理圖2是本發明礦井實時通訊方法的流程圖； 圖3是本發明ZigBee移動終端與基站之間的撥號協議原理圖； 圖4是無線信號傳播理論屏蔽模型的RSSI接收曲線圖。
具體實施例方式請參見圖1。本發明礦井實時通訊方法主要利用ZigBee技術的實現礦井下人員實時通訊，為礦井下人員信息統計和災後搜救工作提供了強有力的保障。礦井實時通訊方法的硬體採用井上設置程控交換機、井下設置基站和ZigBee移動終端，利用程控交換機、 基站和ZigBee移動終端構件三級小區制礦井調度移動通信系統網絡結構。在本具體實施例中，基站包括基站Sl、基站S2、基站S3和基站S4, ZigBee移動終端設置在基站內，並受基站管理和控制，如在圖1中，在基站Sl內設置的ZigBee移動終端Zl和在基站S4內設置的 ZigBee移動終端Z4。系統的話務接續與各種調度功能的實現是由基站配合地面的程控交換機來完成的，基站通過有線方式與程控交換機直接相連，各ZigBee移動終端由其所屬的小區基站進行管理和控制。基站和ZigBee移動終端構建為基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的無線通信網絡，每個井下作業人員攜帶一個ZigBee移動終端，如帶ZigBee網絡模塊終端的手機，成為基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的無線通信網絡中的一個節點，即可以利用本發明實現井下作業人員之間的實時通訊。同時，井上人員可通過程控交換機、基站與ZigBee移動終端進行實時通訊，實現井上人員與井下作業人員之間的實時通訊，有利於礦井的調度和應急救援。請參見圖2，本發明礦井實時通訊方法，包括
1、在井下設置相連的若干基站，並使所述基站與井上的程控交換機建立通訊連接。基站與礦井上的程控交換機通過乙太網或RS485通信協議進行通信，所述程控交換機與所述基站通過有線連接，所述各基站之間通過RS485電纜依次連接。2、在井下作業人員身上設置位於基站內並受其所屬基站管理和控制的ZigBee移動終端。ZigBee移動終端可為內置ZigBee技術的手機等各種便攜的裝置。3、利用所述基站和ZigBee移動終端構建基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的無線通信網絡。在井下的礦井通道建立基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議通信的無線通信網絡。 在礦井通道中設置一個或多個具有樹狀、星狀或網狀等網絡結構的網絡，每個網絡由一個基站和若干個路由器組成；基站設置在網絡的起始端，沿著網絡延伸方向按一定的通信距離設置多個路由器，在礦井工作人員身上設置ZigBee移動終端。基站和ZigBee移動終端之間採用自組織網通信方式構成一個組網靈活、通信可靠的網絡。路由器在各基站內按一定距離設置，且使所述路由器加入所述基站和ZigBee移動終端構建的基於IEEE 802. 15. 4 無線網絡協議的無線通信網絡，使所述路由器與基站之間以及路由器與ZigBee移動終端之間採用基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議進行無線通信。4、各基站和該基站內的ZigBee移動終端之間採用基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議進行無線通信。在基站、路由器與定位器之間採用基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的ZigBee無線網絡進行通信，而基站與礦井上的程控交換機通過乙太網或RS485通信協議進行通信。請參見圖3。本發明礦井實時通訊方法的ZigBee移動終端與基站之間的無線通訊採用以下撥號協議ZigBee移動終端A發起一個通話請求(Dial up)到其所屬基站，所述基站收到後回復一個確認，並向目的ZigBee移動終端即ZigBee移動終端B發送通話請求(Call down)，當目的ZigBee移動終端收到後向所述基站回復一個確認(Up_foimd)； 如果目的ZigBee移動終端確認接聽，則向基站發送一個接聽指令(Acc印t)，基站收到目的 ZigBee移動終端發來的接聽指令後打開ZigBee移動終端和所述目的ZigBee移動終端之間的通道，並向ZigBee移動終端發送接聽確認，而後ZigBee移動終端和所述目的ZigBee移動終端通過所述基站的轉發來發送和接收語音包(Voice)，直到ZigBee移動終端和所述目的ZigBee移動終端中的一方發送關閉通話指令(Close)，所述基站向另一方發送關閉通話指令並關閉通道。本發明礦井實時通訊方法的呼叫方式包括如下兩種 1、站內呼
每一基站內的各ZigBee移動終端之間的通訊由該基站接續完成。由於井下調度通信的重點在生產第一線，特別是局部小區範圍內工作人員的通信聯絡佔有較大比重。因此，為方便小區基站內的通信聯絡，基站內各ZigBee移動終端之間的呼叫、通話可由小區基站進行接續完成，而不必通過地面移動程控交換機。這種呼叫方式即為站內呼。2、跨站呼
當主呼ZigBee移動終端不確知被呼ZigBee移動終端的位置時，採用跨站呼的方式通訊。跨站呼叫採用了「一齊呼」的方式。所謂「一齊呼」的方式是指主呼ZigBee移動終端首先與其所在小區基站建立連結以交換信令，再通過小區基站與程控交換機交換有關信令， 由程控交換機指令系統對所有基站發出選呼信令，以確保呼出指令被被呼ZigBee移動終端接受。採用「一齊呼」的方式可解決移動臺在網內「漫遊」的問題。不同基站之間的ZigBee移動終端之間的通訊也採用跨站呼的方式一基站內的 ZigBee移動終端首先與其所屬基站建立連接以交換信令，再通過該基站與程控交換機交換有關信令，程控交換機對所有基站發出選呼信令，另一基站的ZigBee移動終端接收所述選呼信號，從而實現不同基站之間的ZigBee移動終端的跨站呼叫。為了便於實現ZigBee移動終端在各基站之間漫遊，本發明礦井實時通訊方法還設置進行ZigBee移動終端所屬基站網絡的切換的方法，即ZigBee移動終端根據其檢測到的基站發射信號強度切換ZigBee移動終端所屬基站網絡。具體為所述ZigBee移動終端先向新基站發送請求加入網絡申請，如果新基站允許其加入，就向其回復加入確認，並把其加入網絡，當ZigBee移動終端收到加入確認時向原基站發送離網指令離網。無線信號傳播理論模型基本的有三個自由空間模型(the Free Space Model,FSM)，雙向地面反射模型(Two-ray Ground Reflection Model, TGRM)和屏蔽模型(the Shadowing Model, SM )。FSM和TGRM模型通過傳播距離的確定性函數來預測接收信號的功率，該模型都把通信範圍描述成理想的圓。實際上，由於多徑幹擾損耗等因素的影響，在某個距離上接收到的信號功率是個隨機的值。屏蔽模型則將理想的圓形模型擴展為更合適的統計模型，其傳輸損耗模型為
在距離基站d處上接收功率P (d) [dBm]採用距離基站參考點d0的接收信號的強度作為參考，P (d)根據下列式子求得
權利要求
1.一種礦井實時通訊方法，其特徵在於包括在井下設置相連的若干基站，並使所述基站與井上的程控交換機建立通訊連接；在井下作業人員身上設置位於基站內並受其所屬基站管理和控制的ZigBee移動終端；利用所述基站和ZigBee移動終端構建基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的無線通信網絡；各基站和該基站內的ZigBee移動終端之間採用基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議進行無線通信。
2.根據權利要求1所述的礦井實時通訊方法，其特徵在於所述ZigBee移動終端與基站之間的無線通訊採用以下撥號協議所述ZigBee移動終端發起一個通話請求到其所屬基站，所述基站收到後回復一個確認，並向目的ZigBee移動終端發送通話請求，當目的 ZigBee移動終端收到後向所述基站回復一個確認；如果目的ZigBee移動終端確認接聽，則向所述基站發送一個接聽指令，所述基站收到目的ZigBee移動終端發來的接聽指令後打開ZigBee移動終端和所述目的ZigBee移動終端之間的通道，並向ZigBee移動終端發送接聽確認，而後ZigBee移動終端和所述目的ZigBee移動終端通過所述基站的轉發來發送和接收語音包，直到ZigBee移動終端和所述目的ZigBee移動終端中的一方發送關閉通話指令，所述基站向另一方發送關閉通話指令並關閉通道。
3.根據權利要求1所述的礦井實時通訊方法，其特徵在於所述礦井實時通訊方法還包括每一基站內的各ZigBee移動終端之間的通訊由該基站接續完成。
4.根據權利要求1所述的礦井實時通訊方法，其特徵在於所述礦井實時通訊方法還包括採用以下方法實現不同基站之間的ZigBee移動終端的跨站呼叫一基站內的ZigBee 移動終端首先與其所屬基站建立連接以交換信令，再通過該基站與程控交換機交換有關信令，程控交換機對所有基站發出選呼信令，另一基站的ZigBee移動終端接收所述選呼信號，從而實現不同基站之間的ZigBee移動終端的跨站呼叫。
5.根據權利要求1所述的礦井實時通訊方法，其特徵在於所述礦井實時通訊方法還包括採用以下方法進行ZigBee移動終端所屬基站網絡的切換ZigBee移動終端根據其檢測到的基站發射信號強度切換ZigBee移動終端所屬基站網絡。
6.根據權利要求5所述的礦井實時通訊方法，其特徵在於所述切換方法為所述 ZigBee移動終端先向新基站發送請求加入網絡申請，如果新基站允許其加入，就向其回復加入確認，並把其加入網絡，當ZigBee移動終端收到加入確認時向原基站發送離網指令離網。
7.根據權利要求5所述的礦井實時通訊方法，其特徵在於所述ZigBee移動終端檢測基站發射信號強度的計算方法為所述ZigBee移動終端檢測到的基站發射信號強度用接收功率P (d)來表示，且P (d) =P (d0) -IOalog (d/dO)；其中，P (d)表示距離基站d處的接收功率，其單位為dbm，P(dO)表示距離基站d0處的接收功率，a為路徑損耗指數，通過實際的測量來獲得。
8.根據權利要求7所述的礦井實時通訊方法，其特徵在於所述基站網絡切換的條件為=ZigBee移動終端檢測到的原基站信號強度P(d)<45dbm，且連續2次檢測到新基站信號強度強於原基站。
9.根據權利要求1所述的礦井實時通訊方法，其特徵在於所述礦井實時通訊方法還包括在各基站內按一定距離設置若干路由器，且使所述路由器加入所述基站和ZigBee移動終端構建的基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議的無線通信網絡，使所述路由器與基站之間以及路由器與ZigBee移動終端之間採用基於IEEE 802. 15. 4無線網絡協議進行無線通訊。
10.根據權利要求1所述的礦井實時通訊方法，其特徵在於所述程控交換機與所述基站通過有線連接，所述各基站之間通過RS485電纜連接。
全文摘要
本發明公開了一種礦井實時通訊方法，旨在提供一種可實現井下作業工業之間以及井上人員與井下作業人員之間進行實時通訊的方法，其包括在井下設置依次相連的若干基站，並使所述基站與井上的程控交換機建立通訊連接；在井下作業人員身上設置位於基站內並受其所屬基站管理和控制的ZigBee移動終端；利用所述基站和ZigBee移動終端構建基於IEEE802.15.4無線網絡協議的無線通信網絡；各基站和該基站內的ZigBee移動終端之間採用基於IEEE802.15.4無線網絡協議進行無線通信。本發明可用於礦井調度和應急救援等。
文檔編號H04W84/18GK102291851SQ201110210229
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月26日 優先權日2011年7月26日
發明者崔榮濤, 文智力, 王體, 陳洵 申請人:深圳市翌日科技有限公司