专利名称：矿井井下智能无线监控与定位系统基站的制作方法
技术领域：
本发明是一种矿井井下智能无线监控与定位系统基站，属于矿井井下定位与监控 领域。
背景技术：
建立煤矿井下完善的监控体系和精确的人员定位系统是目前贯彻以“预防为主” 的安全生产理念的前提条件。无线基站是完善监控和精确定位的基础。目前一些专利涉及 了这方面的研究。CN 201096877Y公布了一种基于ZIGBEE的无线定位系统。该专利主要问题是 (1)只是利用当前的信息来定位，而不是将历史数据和现在数据融合进行定位；(2)没有融 合矿井监控功能。CN 101369944A提出了基于ZIGBEE和RFID的矿井无线定位系统及其布设方法。 采用RFID进行定位，通过ZIGBEE进行定位信息的发送。此专利的主要问题(1)没有结合 定位与监控；(2) RFID是单向的；(3)只是利用当前的信息来定位，而不是将历史数据和现 在数据融合进行定位；CN200710171812.2井下煤矿人员实时无线定位方法提出了一种井下煤矿人员实 时无线定位方法，采用基于无线节点射频信号强度的分布式实时定位方法或接收信号功率 指标。RSSI与实际距离之间的转换方法。但是无线信号的强度受到的干扰因素太多，比如 当人体进入该场景时，也会影响无线信号的强度。因此定位不准确。CN200620101832. 3矿井工作人员定位系统提出了无线定位和监控的一个概念，但 是对于矿井定位的关键问题如何利用无线系统进行准确的定位，该专利并没有提出新的 算法。CN201234272Y煤矿井下无线传感器网络节点设备。提出了煤矿井下基于无线传感 器网路的人员定位和环境监测的硬件平台。但是对于矿井救援和监控来说，这些硬件是最 基本也是最常规的，该专利并没有解决如何利用这些设备进行矿井定位的系统问题，仅仅 涉及一些硬件。同时该设备也没有解决移动节点传感器的标定和精度问题。CN201408358Y提出了一种基于无线传感器网络的矿井监控设备。但是该设备在实 际中无法应用(1)没有解决传感器的标定，因此容易经常导致误报；(2)没有有效的定位 方案。CN101621431A煤矿井下无线传感器网络节点设备。提出了基于无线传感器网络的人 员定位和环境监测的硬件平台。但该设备没有解决有效的利用矿井现有条件组网问题，因 为无线信号在井下干扰大，有时无法发送数据，导致矿井监控不利。关键的传感器固定节点 应该采用有线通讯方式。同时该设备没有解决基于融合方法的定位问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术产品的缺陷，提供一种新的矿井井下智能无线监控 与定位系统基站，与其它无线基站所不同的是本发明无线基站实现了有线和无线通讯无缝切换；当井下发生矿井事故交流电切断时，无线基站照样能工作，为救援提供信息保证。本发明是这样实现的一种矿井井下智能无线监控与定位系统基站，包括核心处 理器、电源系统、通讯接口、气体传感器，所述核心处理器中设有嵌入式软件，其特征在于 所述核心处理器为ARM处理器，所述通讯接口由分别与核心处理器相连的无线ZigBee模 块、工业CAN总线接口组成，所述无线ZigBee模块与核心处理器通过SPI 口连接通讯。所述电源系统包括电源管理模块、与电源管理模块分别相连的电池、防爆开关电 源，所述防爆开关电源与井下交流电相连。所述电池为锂电池或铅酸电池。所述无线ZigBee模块与工业CAN总线接口通过无缝切换的方式进行相互切换。所述核心处理器的嵌入式软件中设有定时中断、SPI中断和CAN中断三个中断，在 定时中断中，采集气体传感器数据，检测工业CAN总线是否通讯正常，当工作正常时，通过 工业CAN总线接口将气体传感器的数据发送给中继站，当工业CAN总线不能正常工作时，通 过SPI接口发送给无线ZigBee模块一个标志字节，这样无线ZigBee模块将自己设为路由 器，直接将信号数据通过无线方式发送给下个无线基站。当SPI接收到来自无线ZigBee模 块的数据时，将数据打包通过工业CAN总线接口发送给中继站。本发明矿井井下智能无线监控与定位系统基站由硬件和嵌入式软件组成。在硬件 系统中，其电源有两种供应方式，(1)电池，可以是锂电池，也可以是铅酸电池。(2)井下交 流电。两种电源同时接入，通过电源管理模块进行管理。当有交流电时，直流电停止工作， 由交流电工作。如果此时直流电电池的电压不足时，交流电对直流电池进行充电。当交流 电停电时，直流电自动工作。硬件系统中的核心处理器完成所有模块的控制，并采集气体传感器的数据，监控 巷道气体的含量。本发明有两种通讯接口 (1)无线ZigBee模块；(2)工业CAN总线接口。 两种接口是无缝切换的当有线工业CAN总线接口连接到数据分析处理与传输中继站时， 无线基站通过有线工业CAN总线接口发送数据给中继站。如果有线信号不能工作时或没有 连接时，通过无线ZigBee模块将数据信号给其它基站，通过其它基站，将数据转发给中继 站，或者通过无线信号直接给中继站。无线ZigBee模块接收来自移动载体的数据，并将系统其它部分的数据及命令发 送给移动载体。当有线通讯不能工作时，无线基站能够将数据转发给附近的基站，然后通过 基站发送给中继站，再传输到地面工作站。本发明无线监控与定位系统基站是通过自组织方式进行组网，每个基站都是一个 接收终端，同时也是个路由器，能将无线数据转发给其它的无线基站。无线基站安装了高质量的气体传感器，这个气体传感器既是无线监控体系的一个 节点，同时也可对无线定位的数据进行修正。本发明的无线基站，实现了在矿难时，提供矿井巷道信息的紧急服务。在安全生产 时，提供完善的监控与定位。在特殊的工作场合，不方便布置有线线路时，可以方便使用无 线网络建立基站。本发明的有益效果是(1)在该无线基站中，实现了有线和无线通讯无缝切换。当 有线工业CAN总线接口连接到数据分析处理与传输中继站时，无线基站通过有线接口发送 数据给中继站。如果有线信号不能工作时或没有连接时，通过无线ZigBee将数据信号给其
4它基站，通过其它基站，将数据转发给中继站，或者通过无线信号直接给中继站。(2)双电源 供电，包括电池和井下交流电。主要目的是，当井下发生矿井事故交流电切断时，无线基站 照样能发挥作用，为救援提供信息保证。(3)无线基站包括高质量气体传感器的数据，既可 以监控巷道气体的含量。也可以通过传感器的数据对定位进行修正。
图1是本发明结构示意框图；图2是本发明核心处理器软件的定时中断结构流程示意图；图3是本发明核心处理器软件的SPI接收中断的结构流程示意图；图4是本发明无线ZigBee模块的结构流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明，以使本专业的技术 人员在阅读后，能够进一步地掌握和理解本发明的结构特征。根据图1，本发明由核心处理器、无线ZigBee模块、工业CAN总线接口、电源管理模 块、电池、防爆开关电源、井下交流电构成。本发明有两种供电方式，一种是电池供电，另一 种是井下交流电供电。电源管理模块对两个电源进行管理。当有交流电时，切断电池供电。 当电池电量不足时，交流电给电池充电。当交流电无法供电时，此时电池供电。双电源供电 在矿井中非常关键。因为当遇到矿井灾难等紧急事情时，井下的交流电应该切断，此时备用 的电池供电，这样救援队员能通过该基站获取巷道环境的信息。在图1中，核心处理器采用高性能的ARM处理器。有两种通讯接口 (1)无线 ZigBee模块；(2)工业CAN总线接口。这两种接口之间进行无缝切换，无线ZigBee模块与 核心处理器之间通过SPI 口连接通讯，在核心处理器的软件中，有专门的线程对有线通讯 是否连接进行检测，如果没有有线通讯，无线基站通过无线传输数据。这种方式在矿井中非 常实用。当矿井布线困难时，无线基站可以采用无线方式工作。当出现矿难时，有线被破坏 时，无线监控与定位系统同样能进行工作。无线ZigBee模块接收移动载体发送过来的数 据，并将数据转发给巷道中的下个基站或发送给中继站。在实际应用中应用多个相同的本发明作为多个节点组成监控网络，本发明基站中 安装有高质量的气体传感器，这些传感器作为整个监控网络中的一个节点，同时也是作为 定位系统中的参考值，来修正移动载体的定位值。根据图2、图3，图4，本发明矿井井下智能无线监控与定位系统基站的核心处理器 的软件中，设有三个中断，一个是定时中断，二是SPI中断，三是CAN中断。在定时中断中， 采集气体传感器数据，检测工业CAN总线接口是否通讯正常，当工作正常时，通过工业CAN 总线接口将传感器数据发送给中继站，当工业CAN总线接口不能正常工作时，通过SPI 口发 送给无线ZigBee模块一个标志字节，这样无线ZigBee模块将自己设为路由器，直接将信号 数据通过无线方式发送给下个无线基站。当SPI 口接收到来自无线ZigBee模块的数据时， 将数据打包通过工业CAN总线接口发送给中继站。本发明涉及的无线基站，实现了在矿难时，无线基站仍然正常工作，为救援队员提 供矿井巷道信息的紧急服务。在安全生产时，提供完善的监控与定位。在特殊的工作场合，
5不方便布置有线线路时，可以方便使用无线网络建立基站。
权利要求
一种矿井井下智能无线监控与定位系统基站，包括核心处理器、电源系统、通讯接口、气体传感器，所述核心处理器中设有嵌入式软件，其特征在于所述核心处理器为ARM处理器，所述通讯接口由分别与核心处理器相连的无线ZigBee模块、工业CAN总线接口组成，所述无线ZigBee模块与核心处理器通过SPI口连接通讯。
2.根据权利要求1所述的矿井井下智能无线监控与定位系统基站，其特征在于所述 电源系统包括电源管理模块、与电源管理模块分别相连的电池、防爆开关电源，所述防爆开 关电源与井下交流电相连。
3.根据权利要求2所述的矿井井下智能无线监控与定位系统基站，其特征在于所述 电池为锂电池或铅酸电池。
4.根据权利要求1所述的矿井井下智能无线监控与定位系统基站，其特征在于所述 无线ZigBee模块与工业CAN总线接口通过无缝切换的方式进行相互切换。
5.根据权利要求1所述的矿井井下智能无线监控与定位系统基站，其特征在于所述 核心处理器的嵌入式软件中设有定时中断、SPI中断和CAN中断三个中断，在定时中断中， 采集气体传感器数据，检测工业CAN总线是否通讯正常，当工作正常时，通过工业CAN总线 接口将气体传感器的数据发送给中继站，当工业CAN总线不能正常工作时，通过SPI接口发 送给无线ZigBee模块一个标志字节，这样无线ZigBee模块将自己设为路由器，直接将信号 数据通过无线方式发送给下个无线基站，当SPI接收到来自无线ZigBee模块的数据时，将 数据打包通过工业CAN总线接口发送给中继站。
全文摘要
本发明为一种矿井井下智能无线监控与定位系统基站。它包括核心处理器、电源系统、通讯接口、气体传感器，所述核心处理器中设有嵌入式软件，所述核心处理器为ARM处理器，所述通讯接口由分别与核心处理器相连的无线ZigBee模块、工业CAN总线接口组成，所述无线ZigBee模块与核心处理器通过SPI口连接通讯。本发明的优点是(1)在该无线基站中，实现了有线和无线通讯无缝切换。(2)双电源供电，包括电池和井下交流电。主要目的是，当井下发生矿井事故交流电切断时，无线基站照样能发挥作用，为救援提供信息保证。(3)无线基站包括高质量气体传感器的数据，既可以监控巷道气体的含量。也可以通过传感器的数据对定位进行修正。
文档编号H04B1/74GK101917211SQ201010237439
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者周勇, 杨伯群, 王宣, 蒋金鹏, 邱平平, 陈琳 申请人:上海中为智能机器人有限公司