一種煤礦井下人員定位與瓦斯濃度動態監測方法及系統的製作方法

2023-12-12 23:28:42

專利名稱：一種煤礦井下人員定位與瓦斯濃度動態監測方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種煤礦井下人員定位與瓦斯濃度檢測系統，尤其是涉 及一種使用無線傳感器技術實現人員定位和瓦斯檢測功能，該系統的另 一個特點是將人員定位和動態瓦斯檢測報警功能合併在一套系統中，進 而實現了煤礦井下綜合智能管理系統。
背景技術：
我國作為世界最大的產煤國，煤礦安全事故頻頻發生。為了保障礦 工的生命安全，國家對煤礦安全的重視和監管力度的不斷加強，我國大 中型煤礦及廣大鄉鎮小煤礦已大量裝備了煤礦安全生產監控系統，這些 安全裝備的推廣應用大大改善了我國煤礦安全生產狀況。但是，目前煤 礦井下使用的監控設備，普遍存在著功能不完善，維護、操作比較複雜， 使用效率低等問題。多數煤礦仍然存在入井人員管理困難，井上人員難 以及時掌握井下的情況和人員的動態分布及作業情況，對井下事故隱患 不能隨時監控，事故隱患區域人員情況難以掌握，不能及時組織井下人 員撤離。 一旦事故發生，現有監控系統對井下瓦斯、溫度、壓力、有毒 有害氣體等情況難以監測，井下人員位置難以確定，不能為救援提供可靠信息。現有的煤礦井下監控系統與井下人員考勤定位系統為2個分立系 統，使用兩套計算機控制系統獨立控制，人員監控系統都是採用RFID 射頻技術，不能夠實現動態的瓦斯監測。 一旦發生安全事故，不能夠了 解井下人員所在位置的瓦斯情況，影響人員疏散和救援。發明內容本發明的目的是要提供基於智能傳感器網絡技術的面向煤礦安全生 產過程監控的多功能遠程監控系統，其可攜式移動節點設備具有動態瓦 斯濃度動態監測及超標報警、井下移動人員實時定位等功能，本發明提 供一種煤礦井下人員定位與瓦斯濃度動態監測方法及系統。為實現上述目的，本發明的第一方面，提供一種煤礦井下人員定位 與瓦斯濃度動態監測的系統包括CAN總線網絡中的數據按照標準CAN2.0B通訊協議進行通訊； 無線傳感器網絡中的數據按照串行通訊協議通過RS232串口進行通訊；CAN總線網絡，與無線傳感器網絡通過數據轉換裝置和直接匯聚點 單元電氣連接，用於將其控制命令、採樣指令以及通訊信息傳輸給無線 傳感器網絡。根據本發明的實施例，所述數據轉換裝置包括CAN轉換器，用於將標準CAN2.0B數據轉換為RS232串行數據；智能分站，用於對兩種不同通訊協議的網絡之間進行數據交互。根據本發明的實施例，所述CAN總線網絡的硬體包括主控計算 機、井下智能分站、CAN總線和需要控制的設備組成，其中主控計算機，用於生成監控指令、網絡數據交換命令、傳感器數據 採樣指令信息，用於控制智能分站工作；智能分站、CAN總線分別通過連接電纜與主控計算機連接，用於 轉發監控計算機的命令和指令，以及生成對無線傳感器網絡數據採樣點、 採樣傳感器的指令，並存儲獲得的無線網絡採樣數據和採樣點地址信息-,需要控制的設備，這些設備通過電纜直接連接在CAN總線上，構 成CAN網絡的終端被控設備。根據本發明的實施例，所述無線傳感網絡由無線節點和傳感器組成， 無線節點分為固定節點和移動節點，固定節點包括直接匯聚節點模塊和 中繼匯聚節點模塊、移動節點即是移動節點模塊，傳感器連接在移動節點模塊上，其中直接匯聚節點模塊和中繼匯聚節點模塊、移動節點模塊結構相同， 直接匯聚節點模塊上安裝有直接匯聚節點單元，中繼匯聚節點上模塊安 裝有中繼匯聚節點單元，移動節點模塊上安裝的是移動節點單元；直接 匯聚節點模塊通過電纜直接連接在智能分站和CAN總線上；中繼匯聚節點模塊通過中繼通訊鏈路與直接匯聚節點模塊交換數據 和信息；直接匯聚節點模塊和中繼匯聚節點模塊與接收範圍內的移動節 點模塊通訊和交換數據；移動節點模塊，用於負責瓦斯傳感器數據的採集； 用於對與直接匯聚節點模塊和中繼匯聚節點模塊之間的通訊； 用於實時向直接匯聚節點模塊和中繼匯聚節點模塊傳送自己的特徵 碼和所在地點的瓦斯濃度信息，這些信息通過直接匯聚節點模塊和中繼 匯聚節點模塊傳送到智能分站上，運行智能分站對瓦斯濃度數據進行分 析和處理，當瓦斯濃度超限時，智能分站發出報警信號，並由智能分站 直接對危險區域進行區域斷電保護處理，同時通過CAN總線上傳瓦斯 濃度數據到主控計算機中；需要控制的設備上的安全檢測傳感器和設備供電電源開關連接在智 能分站上，用於在瓦斯濃度超限時，智能分站直接控制斷電。根據本發明的實施例，所述直接匯聚節點模塊和中繼匯聚節點模塊 的安裝位置是按照礦井下巷道地理位置設置。根據本發明的實施例，所述主控計算機中存儲著每個直接匯聚節點 模塊和中繼匯聚節點模塊所在的位置和每個移動節點模塊佩戴人的信 息，根據這些信息，主控計算機上運行的綜合管理單元確定任意一個移 動節點模塊在井下的區域位置和所在區域的瓦斯濃度。根據本發明的實施例，所述直接匯聚節點模塊和中繼匯聚節點模塊 的通訊通過RS232串口連接在智能分站上，還通過CAN2.0B轉接器將 RS232接口轉換為CAN接口再連接到CAN總線上；還通過一定數量的 中繼匯聚節點模塊採取無線傳遞方式實現通訊。為實現上述目的，本發明的第二方面，提供一種煤礦井下人員定位與瓦斯濃度動態監測方法，監測步驟如下步驟1.系統啟動，在主制計算機的控制下，如下單元進入運行狀態綜合管理單元，智能分站中運行智能分站控制單元，直按匯聚節點 模塊中運行直接匯聚節點單元；步驟2.直接匯聚節點單元向周圍廣播通訊命令；步驟3.中繼匯聚節點單元接收直接匯聚節點單元通訊命令而啟動， 向周圍廣播中繼通訊消息，並進入接收狀態，準備接收移動節點單元發 來的信息；步驟4.移動節點單元接收到直接匯聚節點單元通訊命令而啟動， 並開啟瓦斯傳感器，開始讀取瓦斯傳感器監測到的瓦斯濃度，並將瓦斯 濃度和移動節點的特徵號碼發送給直接匯聚節點單元；步驟5.中繼匯聚節點單元把收集到的移動節點信息，按照一定周 期發送到直接匯聚節點單元中；步驟6.直接匯聚節點單元把收到的來自移動節點單元的數據和信 息發送到智能分站單元中；智能分站單元將接收到的數據存儲在本地硬 盤中，同時對數據進行初步分析，如果瓦斯濃度超出設定極限則報警， 並對區域內的可控設備實現斷電保護；步驟7.智能分站單元按照一定周期向數據通訊與分配單元發送數 據和信息，數據通訊與分配單元將數據分配給綜合管理單元的不同模塊； 瓦斯濃度數據分配給數據保存、分析模塊，移動節點特徵碼分配給人員 考勤、人員定位模塊；步驟8.綜合管理單元中的數據保存、分析模塊將讀取來的原始數 據存儲在硬碟裡，同時開始計算和分析採集到的數據，形成瓦斯濃度動 態監測文件；步驟9.綜合管理單元中的人員考勤、人員定位模塊根據運動節點 特徵碼，識別出節點綁定的人員，以及某個時間段運動節點通訊範圍內 的匯聚節點，從而得到人員考勤和定位文件；步驟IO.通過綜合管理單元的人機操作界面，設置各種參數、査詢 井下人員的位置、動態查詢井下瓦斯濃度，輸出井下人員運動路徑和出入情況，輸出瓦斯濃度動態監測圖形，形成上報表格列印輸出。本發明的積極效果本發明中繼匯聚節點的設計，克服了傳統方法中搭設有線通訊線路 的弱點，中繼匯聚節點可以隨著採煤工作面的變化而重新放置，大大節 省了布線成本和布線時間。直接匯聚節點和中繼匯聚節點的通訊配置能 夠大大減少井下布線距離和井下智能分站的使用數量，節約資金投入， 方便維護，增加了無線監測的靈活性。本發明系統將人員定位與瓦斯濃度動態監測有機的結合在一個系統 中，主控計算機中的智能處理對這些傳感器數據和節點狀態數據實施分 析和處理，形成瓦斯濃度和井下人員分布情況圖表，能夠及時、準確的 獲得井下人員位置和人員所在區域的安全狀況，為煤礦安全生產提供井 下的實時動態數據。這些數據不僅在安全生產中必不可少， 一旦發生安 全事故時，通過人員區域定位數據，最大限度地避免事故發生和人員傷 亡，能夠獲得事故發生前井下的人員分布和移動機械設備的分布，為及 時解救被困礦工、避免二次災害提供可靠的數據。本發明系統能夠隨時 監測瓦斯濃度，實時監控井下安全狀況，及時採取局部區域生產斷電保 護，並及時組織危險區域人員撤離。


圖1是本發明監測系統整體結構框2本發明實施例監測系統結構示意3是本發明實施例監測系統礦井下工作示意4是本發明實施例監測系統軟體結構框圖具體實施方式
下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實 施例僅旨在便於對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。本發明是利用無線傳感器網絡的自組織、多跳、數據採集與處理、 以及無線通訊的特性，設計了一個適合在煤礦井下實現出、入井人員考 勤，人員和移動車輛區域定位，並能夠實現井下瓦斯濃度動態監測的系 統。為煤礦安全生產提供井下的實時動態數據。這些數據不僅在安全生 產中必不可少， 一旦發生安全事故時，通過人員區域定位數據，能夠獲 得事故發生前井下的人員分布和移動機械設備的分布，為及時解救被困 礦工、避免二次災害提供可靠的數據。本發明的系統採用CAN總線網絡結合無線傳感器網絡兩種技術。根據如下系統的硬體系統如圖1本發明監測系統整體結構框圖和如圖2是本發明實施例監測系統結構示意圖，對本發明進行進一步的描述，其中包括CAN總線網絡1和無線傳感網絡2， CAN轉換器31、智能分 站32、直接匯聚節點單元21。CAN總線網絡1中的數據是按照標準CAN2.0B通訊協議進行通訊 的，無線傳感器網絡2中的數據是按照串行通訊協議通過RS232串口進 行通訊的，因此，兩種不同通訊協議的網絡之間進行數據交互，需要中 間數據轉換環節裝置3，在本發明中，數據轉換環節裝置3有兩種設備 完成CAN轉換器31和井下智能分站32。 CAN轉換器31可使用任何 一種能夠將標準CAN2.0B數據轉換為RS232串行數據的產品，井下智 能分站32可使用符合國家安全規定的、可在煤礦井下使用的任意一種智 能分站產品。無線傳感網絡2中的無線節點可使用符合IEEE 802.15.4標 準併兼容zigbee的無線節點。CAN總線網絡1主要包括主控計算機11、井下智能分站32、 CAN 總線連接13，安全檢測傳感器和需要控制的設備14;需要控制的設備14主要包括礦井下排風設備、採掘設備；這些設備 上攜帶的安全檢測傳感器，如斷電傳感器、風門傳感器、風速傳感器等。 這些安全檢測傳感器和設備的供電電源開關連接在井下智能分站32上， 以便在瓦斯濃度超限時，井下智能分站單元63直接控制斷電。主控計算機11與井下智能分站12構成的CAN總線網絡1與無線傳感器網絡2之間的連接方式有兩種 一種是直接匯聚點模塊21的 RS232串口通過電纜與井下分站32的RS232串口直接電器連接；另一種是直接匯聚點模塊21的RS232串口通過CAN轉接器31與井下智能 分站32的CAN接口直接電器連接，或是直接匯聚點模塊21的RS232 串口通過CAN轉接器31直接連接在CAN總線13上。主控計算機11中安裝有CAN通訊卡110， CAN通訊卡110通過CAN 總線13連接到井下設備，井下設備包括井下智能分站32、安全檢測傳 感器或其他需要控制的設備24。帶有CAN接口的安全檢測傳感器或需 要控制的設備24可以直接連接在CAN總線13上，帶有串口的傳感器 或需要控制的設備24，則通過CAN轉換器31連接到CAN總線13上。井下智能分站32帶有2個接口即串口 120和CAN接口 121。串 口 120與無線傳感網絡2中的直接匯聚節點21.連接，CAN接口 121與 安全檢測傳感器或需要控制的設備24連接。直接匯聚節點模塊21通過 無線方式與中繼匯聚節點模塊22和移動節點模塊23通訊並交換數據， 移動節點模塊23上連接有瓦斯傳感器25。無線傳感網絡2由無線節點和傳感器組成無線節點有固定節點和 移動節點兩種，固定節點即是匯聚節點，包括直接匯聚節點模塊21和中 繼匯聚節點模塊22，移動節點即為移動節點模塊23;以及連接在運動節 點模塊23上的傳感器25。每一個無線節點包括直接匯聚節點、中繼 匯聚節點和移動節點，都有一個固定屬於自己的特徵碼，這個特徵碼和 採樣數據一起傳輸到主控計算機11中，主控計算機11根據固定節點即 匯聚點的位置，確定移動節點所在的位置，即採樣地址，具體的如下直接匯聚節點模塊21和中繼匯聚節點模塊22的作用是接收無線通 訊範圍內移動節點模塊23和其他中繼匯聚節點模塊22的信息和數據。 匯聚節點模塊與移動節點模塊的二者的硬體結構和配置是相同的，可以 採用任何一種符合正EE 802.15.4標準並可以兼容zigbee的無線傳感器節 點，帶有一個標準得RS232接口，主要區別在於節點模塊上運行的軟體 節點單元作用不同，直接匯聚節點模塊21上安裝有直接匯聚節點單元， 中繼匯聚節點模塊22上安裝有中繼匯聚節點單元，移動節點模塊23上安裝的是移動節點單元。直接匯聚節點單元、中繼匯聚節點單元、移動 節點單元採用C語言編制軟體。直接匯聚節點模塊21的作用是把接收到的數據通過RS232串行通訊口 120傳送到智能分站12中，或者通過CAN 轉接器3直接連接到CAN總線13上。中繼匯聚節點模塊22 —般是固 定安裝在工作面或比較細小的巷道裡，中繼匯聚節點模塊22支持多跳功 能，這種節點模塊除了接收附近移動節點模塊23的信息，還有為其他中 繼匯聚節點模塊22充當通訊中繼的作用，既在接收移動節點模塊23信 息和數據的同時，作為通訊橋，為不能與直接匯聚節點模塊21建立無線 通訊鏈路的其他中繼匯聚節點模塊22轉接信息。傳感器25採用的微型紅外瓦斯傳感器或可攜式紅外甲烷氣體監測 儀，傳感器25還可釆用微型瓦斯傳感器、或微型溫度、溼度、壓力等傳 感器；移動節點單元23和瓦斯傳感器25採用電池供電。如圖3是本發明監測系統礦井下工作示意圖所示，圖中標記為□ 智能分站 參 匯聚點 移動節點(帶有瓦斯濃度傳感器) 一CAN總線無線通訊鏈路 中繼通訊鏈路主控計算機11放置在地面控制室中，主控計算機11中安裝有 CAN2.0B通訊卡110， CAN通訊卡110通過PCI或ISA總線插槽安裝在 計算機中。井下智能分站32安裝在礦井下的巷道裡，井下智能分站32 的安裝個數取決於礦井巷道的結構和分布情況。CAN通訊卡110和各個 智能分站32之間通過電纜連接，直接匯聚節點模塊21和中繼匯聚節點 模塊22通過CAN轉接器31，連接在CAN總線13上。在井下巷道的 轉彎處、分支路口，都需要布置匯聚節點，直接匯聚節點模塊21都安裝 在巷道的轉彎處。當攜帶移動節點模塊23的人員經過這些匯聚節點或在匯聚節點附近工作時，移動節點模塊23的身份碼和瓦斯傳感器25的數 據就會被匯聚節點收集到，並且實時發送到智能分站32和主控計算機 11中。具體的工作如圖3，直接匯聚節點模塊1布置在入井口，直接匯聚 節點模塊2布置在滑軌上的滑車停止處，這兩個匯聚點的作用是收集集 中乘坐滑車入井人員的信息；中繼匯聚點模塊1和中繼匯聚點模塊2安裝在掘進採煤工作面上，隨著掘進深度的增加，可增加中繼節點模塊放 置個數，保持節點之間的無線連接通路，確保對採煤工作面的人員與瓦 斯濃度監測。中繼節點模塊3、中繼節點模塊4和中繼節點模塊5放置 在回採工作面和回採巷道裡，通過這幾個匯聚節點模塊的中繼，回採面 的人員信息和動態瓦斯監控數據能夠順利傳輸到直接匯集節點模塊4 中，並通過直接匯聚點模塊4，上傳到智能分站32和主控計算機11中。我們採用一臺高性能計算機PC機作為主控計算機11，這臺計算機 CPU主頻為P4-2.8G，內存為512M,硬碟80G。在主控計算機11的PCI 插槽中，主控計算機11中安裝有一塊研華CAN2.0B通訊卡110， 在 CAN通訊卡IIO的通訊埠上連接電纜，電纜上可以分接出電氣連接端 子，能夠和支持CAN2.0B標準的設備直接連接。電纜的另一端連接在一 個井下智能分站32的CAN 口 121上，智能分站32的串口 120連接了 匯聚點，能夠與無線傳感器網絡2中的直接匯聚點模塊21和中繼匯聚點 模塊22連接，也能夠連接多種需要控制的設備14。電纜上分接出的電 器連接端子連接了 一個RS232串口轉CAN2.0B接口的CAN轉接器31 ， CAN轉接器31的CAN接口聯接在電纜的分出端子上，RS232接口連接 到另一個匯聚點的串口。系統中使用了 3個中繼節點模塊22，通過中繼 節點模塊22，將數據傳送到智能分站32連接的匯聚點節點模塊21和22 上。在這個實現實例中，使用了 20個無線移動節點模塊23佩戴在工作 人員身上。在本實例中，匯聚節點模塊21和22和移動節點模塊23的發 射接收頻率為2.4G，無線傳輸距離為100米。其中3個移動節點23上 安裝了微型紅外瓦斯濃度傳感器。如圖4本發明監測系統軟體結構框圖所示，綜合分析管理單元61、數據通訊與分配單元62、井下智能分站控制單元63、直接匯聚節點單元 64、中繼匯聚節點單元65、移動節點單元66，在這些單元中運行的軟體主要包括綜合管理系統軟體、分站數據釆集處理軟體、無線傳感器網絡 控制軟體。硬體配置和軟體功能都可根據系統使用的環境和具體要求設 計與實現。本實例中，基於WINDOWS XP作業系統，採用VC十+6.0編制的監 控系統軟體有綜合管理單元61軟體主要包括人-機交互界面611、綜 合分析管理子單元612，數據通訊與分配單元62軟體。人-機交互界面611是操作員與監控系統交互的接口包括主要負責完成參數設置、命令輸入、列印設置和數據上報，其中參數設置主要參數包括人員考勤參數，上下班時間、班次、請假 分類、報表生成和上報時間等；瓦斯超限報警參數瓦斯超限級別、報警強度和次數，緊急處理方式等。綜合分析管理子單元612包括瓦斯數據保存、數據分析、危險度 評價、人員信息資料庫等，其中這個單元是整個系統軟體的主體，負責瓦斯監控數據的分析和處理， 歷史數據的保存和瓦斯超限建模，瓦斯爆炸危險度評價、以及井下人員 分布和定位。本發明實現的系統經過一段時間的運行，效果良好，表明本發明的 內容達到了瓦斯動態監測和人員考勤定位的目的。監控系統軟體工作流 程如下1. 系統啟動，在主控計算機ll的控制下，如下單元進入運行狀態 綜合管理單元61，井下智能分站中運行智能分站控制單元63，直接匯聚節點中運行直接匯聚節點單元64;2. 直接匯聚節點單元64向周圍廣播通訊命令；3. 接收到直接匯聚節點單元64通訊命令的中繼匯聚節點單元65啟 動，向周圍廣播中繼通訊消息，並進入接收狀態，準備接收移動節點單 元66發來的信息；4. 接收到直接匯聚節點單元64通訊命令的移動節點單元66啟動，並開啟瓦斯傳感器，開始讀取瓦斯傳感器監測到的瓦斯濃度，並將瓦斯濃度和移動節點模塊23的特徵號碼發送給直接匯聚節點單元64。接收 到中繼匯聚節點單元65通訊消息的移動節點單元66啟動並開啟瓦斯傳 感器，開始讀取瓦斯傳感器監測到的瓦斯濃度，並將瓦斯濃度和移動節 點模塊23的特徵號碼發送給中繼匯聚節點單元65;5. 中繼匯聚節點單元65把收集到的移動節點模塊23信息，按照一 定周期發送到直接匯聚節點單元64中；6. 直接匯聚節點單元64把收到的來自移動節點單元23的數據和信 息發送到井下智能分站控制單元63中。井下智能分站控制單元63將接 收到的數據存儲在本地硬碟中，同時對數據進行初步分析，如果瓦斯濃 度超出設定極限則報警，並對區域內的可控設備實現斷電保護；7. 井下智能分站控制單元63按照一定周期向數據通訊與分配單元 62發送數據和信息，數據通訊與分配單元62將數據分配給綜合管理單 元61的不同子單元。瓦斯濃度數據分配給數據保存、分析子單元，移動 節點模塊23特徵碼分配給人員考勤、人員定位子單元；8. 綜合管理單元61中的數據保存、分析子單元將讀取來的原始數據 存儲在硬碟裡。同時開始計算和分析採集到的數據，形成瓦斯濃度動態 監測文件；9. 綜合管理單元61中的人員考勤、人員定位模塊根據移動節點模塊 23的特徵碼，識別出移動節點模塊23節點綁定的人員，以及某個時間段移動節點通訊範圍內的匯聚節點，從而得到人員考勤和定位文件；10. 通過綜合管理單元61的人機操作界面611，可以設置各種參數、査詢井下人員的位置、動態査詢井下瓦斯濃度，輸出井下人員運動路徑 和出入情況，輸出瓦斯濃度動態監測圖形，還可以形成上報表格列印輸 出；以下給出一段數據處理子單元的程序原始碼，該程序段的作用是處 理異常通道數據，即當數據採集通道出現異常時，對採樣數據的處理過 程，具體處理例子如下所述〃1)異常通道氺氺**氺氺氺/〃如果類型項數為零，則這次沒有數據，返回BYTE byteExecptionLength = data[nLength ++];//異常通道項數if (nTypeLength =二 0 && byteExecptionLength =二 0)return ; g—csDevProblem. Lock;DealDeviceProblem(DIArr， AIArr， data, nLength， time, byteExec ptionLength);〃DealDeviceProblem(byteGateway, byteStation， data, nLength ，time, byteExecptionLength);g一csDevProblem. Unlock ;〃2) DO:數字輸出if (data[nLength] =二 0x00)nLength ++; nTypeLength —; g—csRTDO. Lock ;DealRTDOData(DOArr， data, nLength， time);/DealRTDOData(byteGateway， byteStation, data, nLength, time); g—csRTDO. Unlock ;〃3) DI:數字輸入if(data[nLength] == 0x01)nLength ++;nTypeLength —;g—csRTDL Lock;DealRTDIData(DIArr， data, nLength， time);〃DealRTDIData(byteGateway， byteStation, data, nLength, time); g—csRTDI. Unlock ;if(nTypeLength <= 0)return ;〃4) AI，模擬輸入量if(data[nLength] == 0x02)nLength ++; nTypeLength --； g一csRTAI. Lock;DealRTAIData(AIArr, data, nLength， time);〃DealRTAIData(byteGateway, byteStation, data, nLength, time); g—csRTAI. Unlock ;if (nTypeLength 〈二 0) return;〃5)FSK，和其他if (data[nLength] == 0x03)nlength ++; nTypeLength —; g—csRTAI. Lock;DealRTAIData(AIArr， data, nLength， time);/DealRTAIData(byteGateway， byteStation,data, nLength, time); g—csRTAI. Unlock ;以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並 不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可理 解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內，因此，本發 明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1. 一種煤礦井下人員定位與瓦斯濃度動態監測的系統，其特徵在於，包括CAN總線網絡(1)中的數據按照標準CAN2.0B通訊協議進行通訊；無線傳感器網絡(2)中的數據按照串行通訊協議通過RS232串口進行通訊；CAN總線網絡(1)，與無線傳感器網絡(2)通過數據轉換裝置(3)和直接匯聚點單元(21)電氣連接，用於將其控制命令、採樣指令以及通訊信息傳輸給無線傳感器網絡(2)。
2、 根據權利要求l所述的監測系統，其特徵在於，數據轉換裝置3 包括CAN轉換器(31)，用於將標準CAN2.0B數據轉換為RS232串行 數據；智能分站(32)，用於對兩種不同通訊協議的網絡之間進行數據交互。
3、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述CAN總線網絡 (1)的硬體包括主控計算機(11)、井下智能分站(32) 、 CAN總線(13)和需要控制的設備(14)組成，其中主控計算機(11)，用於生成監控指令、網絡數據交換命令、傳感器數據採樣指令信息，用於控制智能分站(32)工作；智能分站(32) 、 CAN總線(13)分別通過連接電纜與主控計算 機(11)連接，用於轉發監控計算機(11)的命令和指令，以及生成對 無線傳感器網絡(2)數據採樣點、採樣傳感器的指令，並存儲獲得的無 線網絡釆樣數據和釆樣點地址信息；需要控制的設備(14)，這些設備通過電纜直接連接在CAN總線 上，構成CAN網絡的終端被控設備。
4、根據權利要求1所述的系統，其特徵在於無線傳感網絡(2) 由無線節點和傳感器組成，無線節點分為固定節點和移動節點，固定節點包括直接匯聚節點模塊(21)和中繼匯眾節點模塊(22)、移動節點 即是移動節點模塊(23)，傳感器(25)連接在移動節點模塊(23)上， 其中直接匯聚節點模塊(21)和中繼匯聚節點模塊(22)、移動節點模 塊(23)結構相同，直接匯聚節點模塊(21)上安裝有直接匯聚節點單 元，中繼匯聚節點上模塊(22)安裝有中繼匯聚節點單元，移動節點模 塊(23)上安裝的是移動節點單元；直接匯聚節點模塊(21)通過電纜 直接連接在智能分站(32)和CAN總線(13)上；中繼匯聚節點模塊(22)通過中繼通訊鏈路與直接匯聚節點模塊(21) 交換數據和信息；直接匯聚節點模塊(21)和中繼匯聚節點模塊(22) 與接收範圍內的移動節點模塊(23)通訊和交換數據；移動節點模塊(23)，用於負責瓦斯傳感器(25)數據的採集；用於對與直接匯聚節點模塊(21)和中繼匯聚節點模塊(22)之間 的通訊；用於實時向直接匯聚節點模塊(21)和中繼匯聚節點模塊(22)傳 送自己的特徵碼和所在地點的瓦斯濃度信息，這些信息通過直接匯聚節 點模塊(21)和中繼匯聚節點模塊(22)傳送到智能分站(32)上，運 行智能分站(32)對瓦斯濃度數據進行分析和處理，當瓦斯濃度超限時， 智能分站(32)發出報警信號，並由智能分站(32)直接對危險區域進 行區域斷電保護處理，同時通過CAN總線(13)上傳瓦斯濃度數據到 主控計算機(11)中；需要控制的設備(14)上的安全檢測傳感器和設備供電電源開關連 接在智能分站(32)上，用於在瓦斯濃度超限時，智能分站(32)直接 控制斷電。
5、 根據權利要求4所述的系統，其特徵在於直接匯聚節點模塊(21) 和中繼匯聚節點模塊(22)的安裝位置是按照礦井下巷道地理位置設置。
6、 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於主控計算機(11)中存儲著每個直接匯聚節點模塊(21)和中繼匯聚節點模塊(22)所在的 位置和每個移動節點模塊(23)佩戴人的信息，根據這些信息，主控計 算機(11)上運行的綜合管理單元(61)確定任意一個移動節點模塊(23) 在井下的區域位置和所在區域的瓦斯濃度。
7、 根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，直接匯聚節點模塊(21) 和中繼匯聚節點模塊(22)的通訊通過RS232串口連接在智能分站(32) 上，還通過CAN2.0B轉接器(26)將RS232接口轉換為CAN接口再連 接到CAN總線(13)上；還通過一定數量的中繼匯聚節點模塊(22)採取無線傳遞方式實現通訊。
8、 一種煤礦井下人員定位與瓦斯濃度動態監測的方法，其特徵在於， 監測步驟如下步驟1.系統啟動，在主制計算機的控制下，如下單元進入運行狀態綜合管理單元，智能分站中運行智能分站控制單元，直接匯聚節點模塊中運行直接匯聚節點單元；步驟2.直接匯聚節點單元向周圍廣播通訊命令；步驟3.中繼匯聚節點單元接收直接匯聚節點單元通訊命令而啟動， 向周圍廣播中繼通訊消息，並進入接收狀態，準備接收移動節點單元發 來的信息；步驟4.移動節點單元接收到直接匯聚節點單元通訊命令而啟動，並開啟瓦斯傳感器，開始讀取瓦斯傳感器監測到的瓦斯濃度，並將瓦斯濃度和移動節點的特徵號碼發送給直接匯聚節點單元；步驟5.中繼匯聚節點單元把收集到的移動節點信息，按照一定周期發送到直接匯聚節點單元中；步驟6.直接匯聚節點單元把收到的來自移動節點單元的數據和信 息發送到智能分站單元中；智能分站單元將接收到的數據存儲在本地硬 盤中，同時對數據進行初步分析，如果瓦斯濃度超出設定極限則報警， 並對區域內的可控設備實現斷電保護；步驟7.智能分站單元按照一定周期向數據通訊與分配單元發送數 據和信息，數據通訊與分配單元將數據分配給綜合管理單元的不同模塊;瓦斯濃度數據分配給數據保存、分析模塊，移動節點特徵碼分配給人員 考勤、人員定位模塊；步驟8.綜合管理單元中的數據保存、分析模塊將讀取來的原始數 據存儲在硬碟裡，同時開始計算和分析採集到的數據，形成瓦斯濃度動 態監測文件；步驟9.綜合管理單元中的人員考勤、人員定位模塊根據運動節點 特徵碼，識別出節點綁定的人員，以及某個時間段運動節點通訊範圍內 的匯聚節點，從而得到人員考勤和定位文件；步驟IO.通過綜合管理單元的人機操作界面，設置各種參數、查詢 井下人員的位置、動態査詢井下瓦斯濃度，輸出井下人員運動路徑和出 入情況，輸出瓦斯濃度動態監測圖形，形成上報表格列印輸出。
全文摘要
本發明公開一種煤礦井下人員定位與瓦斯濃度動態監測方法及系統，系統包括CAN總線網絡、無線傳感器網絡和數據轉換裝置。方法通過數據轉接裝置，將CAN網絡與無線傳感網絡連接起來，並利用無線傳感器網絡的自組織、多跳、數據採集與處理、以及無線通訊的特性，設計了一個適合在煤礦井下實現出、入井人員考勤，人員和移動車輛區域定位，並能夠實現井下瓦斯濃度動態監測。該系統和方法克服了目前瓦斯監控系統與人員定位系統分別運行的不足，不僅能夠實現人員區域定位和動態瓦斯檢測，而且能夠獲得事故發生前井下的人員分布和移動機械設備的分布，為及時解救被困礦工、避免二次災害提供可靠的數據。
文檔編號H04L12/28GK101240717SQ20071006369
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月7日 優先權日2007年2月7日
發明者侯增廣, 張文亞, 景奉水, 恩 李, 猛 柏, 梁自澤, 王曉東, 麗 蔡, 民 譚, 趙曉光 申請人:中國科學院自動化研究所