专利名称：矿井用定位监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电子通信与检测领域，涉及一种矿井用定位监测系统。
背景技术：
煤炭工业是国民经济的基础和重要组成部分。但煤矿也是我国当前安全 生产事故多发的重点行业，安全生产形势十分严峻。近年来，由于种种原因，
我国的矿难事故频繁发生，给国家和人民带来了严重的生命及财产损失。2006 年全国原煤产量23.25亿吨，死亡4746人，百万吨死亡率2.04。这样的数据 是西方发达国家的几十倍甚至上百倍，令人触目惊心。这种局面若不能得到 有效控制，势必影响我国经济的可持续健康发展和全面建设和谐社会宏伟目 标的实现。
国内目前投入使用的矿井人员定位系统有很多种，但普遍存在以下缺点 1.功能单一，仅具备人员定位功能，不能监测井下的瓦斯浓度等环境参数， 不能进行危险预警。2.多采用单一的主从通讯方式或多主通讯方式，系统的 实时性、稳定性差。3.矿难发生时，缺少辅助的配套搜救设备， 一旦发生矿 难，被困人员的搜救效率低。4 .多采用传统的RFID技术进行井下人员定位， 难以解决RFID漏读问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种矿井用定位监测系统。本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是 一种矿井用定位监测系统，其特征在于，包括监控主机、定位基站和多个 智能卡，监控主机与定位基站连接，定位基站设置在井下，与多个智能卡无 线通信连接。
多个智能卡和定位基站的通信采用基于时分复用的RFID无线通信模式。
(RFID是Radio Frequency Identification的縮写，即射频识别，俗称电子标 签，是一种无线的非接触式的自动识别技术)
监控主机和定位基站之间采用主从通讯和多主通讯相结合的通讯模式。 正常工作状态时采用主从通讯模式，故障时采用多主通讯模式。
定位基站为多个，通过CAN总线与监控主机连接。CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串 行通信网络。
作为改进，智能卡上有微处理器、模数转换器和瓦斯传感器，瓦斯传感 器通过模数转换器与智能卡中的微处理器连接。
作为改进，智能卡还设置有温湿度传感器，该温湿度传感器通过模数转 换器与智能卡中的微处理器连接。
作为改进，监控主机通过因特网或无线通信系统与远程的服务器或数据 处理终端通信连接，用于将现场数据发送到远程的服务器或数据处理终端， 以便实现远程监控。所述的无线通信系统包括GSM、 CDMA、第三代移动通 信系统等，需要在监控主机端配置相关的无线收发装置。
本实用新型的有益效果是
(1)对井下工作人员定位和位置的实时监控每一个井下工作人员配置 一个智能卡，并将现场的数据实时发送到监控主机，由监控主机对现场进行监控。
(2) 安全性高。通过瓦斯传感器和温湿度传感器，实时检测现场的瓦斯 浓度和温湿度参数，瓦斯浓度超标时及时报警，有效提高系统的安 全性。
(3) 采用TDMA (时分复用)技术解决RFID漏读问题。
(4) 远程监控。本系统通过因特网或无线通信系统与远程的装置通信， 实现远程的监控。
(5) 矿难发生时，可以提高救援速度。根据对具体的井下工作人员的位 置的监控，矿难发生时，根据位置信息迅速找到矿难发生的具体位 置，可以及时组织有效救援。
该系统的实时性、稳定性好，正常情况可对井下人员进行定位跟踪、 对瓦斯进行监测和浓度超标报警，矿难发生时可对井下人员进行定位搜救。
图1本实用新型整体结构示意图2本实用新型智能卡内部结构示意图3本实用新型定位基站内部结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明。 实施例1:
如图l所示矿井人员定位搜救系统由地面的监控主机、WEB服务器、通
信处理机、打印机、大屏幕显示器和井下的定位基站、智能卡组成。定位基站通过CAN总线与监控主机连接。本实施例的矿井用定位监测系统由地面监 控子系统和井下人员定位子系统两部分组成。所述的地面监控子系统硬件部 分由监控主机、WEB服务器、通信处理机、打印机、显示器等组成。其中通 信处理机负责将井下CAN总线信号转换为RS-232信号；HUB用于地面设备 网络连接；监控主机用来运行管理软件，在计算机屏幕上直观动态显示井下 人员的分布情况，使管理者一目了然；WEB服务器里存放数据库，供监管部 门通过INTERNET (因特网)远程监控；打印机主要用来打印人员监测管理 等报表。
所述监控子系统软件部分实时监控、信息管理、远程监控三大模块组成。 实时监控模块的主要功能是实时监控信息数据采集以及数据入库保存。信息 管理模块的主要功能是对已保存的数据査询并进行数据挖掘和统计、报表等 功能。对于不需要公开和敏感的数据可以通过用户端(Client端)由授权用户 进行管理，对于可以公开的数据通过Web服务器进行发布，方便公众通过网 络进行査询。
所述的井下人员定位子系统由定位基站、CAN总线和智能卡组成。其中 定位基站负责采集处理矿井人员的身份编码、坑道内的瓦斯浓度、温湿度等 信息，并将它们送给地面监控主机；智能卡里保存有员工的身份编码，并不 断的向周围发送该编码，矿难发生时可发无线报警信号。
目前国内矿井人员定位系统的通信网络多采用主从通讯或多主通讯两种 单一的通讯模式。在主从通讯方式中，不会出现通信冲突，但从站只有接收 到主站的查询要求时，才能与主站通信，系统不能及时响应突发事件，实时 性较差；多主通讯模式中的各节点都可主动发送数据，但会出现通信冲突， 若系统的容量很大，稳定性将大大降低。因此，结合两种通讯模式的优点，本系统采用主从通讯和多主通讯相结合的通讯模式。正常情况下，系统采用
主从通讯模式，监控机(监控主机)每20秒将矿井巷道或工作面里的所有基 站(定位基站)查询一次，任何时刻只有主站(监控主机)有权请求通信， 各从站(定位基站)只有收到主站的请求后才能发送信息。异常情况下，系 统采用多主通讯模式，基站先向主机(监控主机)发远程告警帧，主机收到 此帧后根据其内容向基站请求相关告警信息，基站收到主站的请求帧后将详 细的报警信息发给主机。若多个基站同时向主机主动报警，这些CAN节点将 通过CSMA/CD方式竞争总线，优先权高的先与主机通信。
目前国内矿井人员定位系统采用传统的RFID防碰撞算法如时隙 ALOHA、动态帧时隙ALOHA法、二进制搜索法等，这些算法吞吐率低、难 以解决大容量的射频卡识别问题、而且漏读率高，难以满足井下人员定位的 要求。因此，本系统创新的采用网络通信中常见TDMA技术解决射频卡的碰 撞及漏读问题。TDMA技术通过合理的分配读卡器与各射频卡的通信时隙将 点对多点的通信方式转化为点对点的通信，以达到避免碰撞的目的。
所述的智能卡内部结构如图2所示。其中按键用于报警；电源负责为射 频芯片提供工作电源；ROM用来存储应用程序；A/D转换器(模数转换器) 可接8路模拟量输入，用于扩展无线传感功能；MCU (微处理器)负责控制 射频收发器收发；SPI 口负责射频收发器与MCU间的通信；射频收发器与天 线构成射频收发电路，负责与读卡器的通信，收到读卡器的请求信号后将员 工编码发射给读卡器。智能卡采用CC2430芯片作为射频通信芯片。CC2430 是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它支持 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议。该片上系统的功能模块集成了 CC2420 RF 收发器、增强工业标准的8051MCU和8输入14位A/D转换器，硬件支持避免冲突得载波侦听多路存取技术。该卡空旷地最大收发距离可达200米，楼 道内收发也能达100米，其最大发射功率仅ODBm (1毫瓦)，收发状态切换 时间小于192微秒，非常适合井下无线数据传输，达到井下人员定位要求。
所述的定位基站内部结构如图3所示。其中瓦斯检测电路接口与瓦斯传 感器电路相连，主要用来检测通道里的瓦斯浓度；温湿度检测电路用来采集 中继器附近的温湿度；MCU是基站的信息处理中心；报警电路在通道内瓦斯 浓度超标时，发出报警信号；隔爆电源主要是利用矿井通道里现有的电力传 输系统为基站供电，以保证其在正常情况下的运行；备用电池可以保证定位 基站在异常情况下工作；CAN协议控制器和CAN驱动电路构成了 CAN通信 电路，负责MCU对总线的访问及信号转换；读卡器接口电路与读卡器相连， 负责接收矿工携带智能卡发出的员工编码或无线报警信号。定位基站中的微 控制器采用ATMEL公司的AT89C52芯片；读卡器采用nRF24芯片，结构与 智能卡类似，该电路通过扩展口与微控制器相连；CAN总线通信电路由 SJA1000CAN总线控制器、6N137光隔电路、PCA82C250 CAN驱动器组成； 温湿度检测电路采用SHTll传感器设计；瓦斯检测电路采用MJC4/3.0L传感 器设计；电源电路由L7805和AMS1117组成，给系统提供+5V和+3.3V直流 电源。
本实施例工作原理如下正常情况下，井下定位基站中的读卡器不断向 其周围发送无线信号。每个基站(定位基站)有一个有效的信号覆盖区。矿 工随身携带的智能卡进入这些信号覆盖区后被激活，将保存在其内的员工数 据信息发送给基站；基站将代表巷道地理位置的基站编码连同收到的员工数 据一起打包送至地面计算机(监控主机)；地面监控计算机收到此信息后，经 相应的监控软件分析计算矿井人员所在具体位置。矿难发生时，员工通过智能卡发报警信号，该信号通过总线传到地面。 地面主控计算机收到该信号后，通过调用相应软件进行分析便可得出事故发 生地的大概位置。此后，可由搜救人员下井搜救，以实现准确搜救。
本矿井用定位监测系统具备以下功能1.人员定位检测功能。实时检测 下井人员所处的区域信息，实现对下井员工的人员定位和跟踪管理功能。2.井 下环境参数监控功能。实时监控井下安全相关敏感数据信息，能够检测井下 瓦斯浓度、 一氧化碳浓度、温度、湿度等物理信息。3.自动报警功能。当井 下定位基站、相关传感器设备或通信电缆及传输接口出现故障时，井上监控 主机有相应的显示和报警功能；当检测到井下某处的瓦斯浓度超标时，定位 基站和井上监控主机均能发出报警；当有矿工误入井下禁区时，定位基站报 警。4.安全保障功能。系统根据数据库中储存下来的历史数据信息，可迅速 知道井下人员及重要设备的分布情况， 一旦出现矿井灾难，可迅速对现场被 困人员进行定位和搜寻。5.考勤管理功能。通过操作平台专用管理软件对下 井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统计，便于考核，实现工作 人员的考勤统计管理功能和有关报表的打印。6.生产调度功能。通过调用数
据库中的数据，可以査询井下人员分布情况并根据需要迅速进行人员调配， 实现井下有限资源的优化配置，达到事半功倍的效果。
权利要求1. 一种矿井用定位监测系统，其特征在于，包括监控主机、定位基站和多个智能卡，监控主机与定位基站连接，定位基站设置在井下，与多个智能卡无线通信连接。
2. 如权利要求1所述的一种矿井用定位监测系统，其特征在于，多个 智能卡和定位基站的通信采用基于时分复用的RFID无线通信模式。
3. 如权利要求1所述的一种矿井用定位监测系统，其特征在于，监控 主机和定位基站之间采用主从通讯和多主通讯相结合的通讯模式。
4. 如权利要求1所述的一种矿井用定位监测系统，其特征在于，定位 基站为多个，通过CAN总线与监控主机连接。
5. 如权利要求1所述的一种矿井用定位监测系统，其特征在于，所述 的智能卡上有微处理器、模数转换器和瓦斯传感器，瓦斯传感器通过模数转 换器与智能卡中的微处理器连接。
6. 如权利要求5所述的一种矿井用定位监测系统，其特征在于，所述 的智能卡还设置有温湿度传感器，该温湿度传感器通过模数转换器与智能卡 中的微处理器连接。
7. 如权利要求1至6任一项所述的一种矿井用定位监测系统，其特征 在于，监控主机通过因特网或无线通信系统与远程的服务器或数据处理终端 通信连接。
专利摘要本实用新型公开了一种矿井用定位监测系统，其特征在于，包括监控主机、定位基站和多个智能卡，监控主机与定位基站连接，定位基站设置在井下，与多个智能卡无线通信连接。多个智能卡和定位基站的通信采用基于时分复用的RFID无线通信模式。本系统采用主从通讯和多主通讯相结合的通讯模式。本系统具有实时性强，安全性高，人员定位检测、井下环境参数监控等功能。
文档编号H04L12/28GK201237641SQ20082005353
公开日2009年5月13日 申请日期2008年6月26日 优先权日2008年6月26日
发明者李晓乐, 春 杨, 翚 林, 聪 赵, 靳松魁 申请人:湖南大学