技术领域本实用新型涉及一种矿井应急通信与监控系统，该系统涉及传感器技术、无线通信技术、无线充电技术等领域。
背景技术：
煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。井下通讯联络系统是煤矿“六大安全避险系统”之一，是煤矿安全生产的重要保障。现有井下通讯联络系统主要包括有线调度系统、移动通信系统、广播系统、救灾系统、透地通信系统。当井下发生瓦斯突出、瓦斯爆炸、冲击地压、冒顶、水灾、火灾等事故时，会对井下巷道内的各种通信设备、通信线缆、供电线缆以及井下监控设备造成破坏，所以有线调度系统、移动通信系统、广播系统易受灾害事故影响无法使用。救灾通信系统由灾后救援人员携带的无线通信系统，可在灾后一定范围内实现通信，但对于救援人员无法到达的区域仍无法通信。透地通信系统是基于低频透地通信技术的通信系统，事故影响小，抗灾能力强，但透地通信的发送设备和发送天线体积大成本高，所以透地通信一般采用单向广播通信方式，井下人员只能接收井上的信息，不能发送信息，只有在井下有限数量的硐室才可配有发射设备，发生事故后井上仍无法获知不在硐室内的井下人员情况和现场情况，所以透地通信系统也无法满足矿井应急通信需要。为保证井下人员的生命安全并解决以上问题，需要新的应急无线通信与监控系统，能够避免在灾害发生时由于通信、供电电缆的损坏而导致井上与井下的通信中断，保证在井下灾害发生后，可以为井下被困人员和救援人员提供可靠的通信和定位服务，同时可监控井下现场情况。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种矿井应急通信与监控系统，系统主要包括无线供电设备、无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备、井下无线终端设备；无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备和显示设备内置蓄电池；无线供电设备采用无线方式为无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备和显示设备提供工作电能和蓄电池充电电能；无线供电设备由供电线缆供电；无线节点设备采用无线多跳通信方式组成无线通信网络；监控设备、语音设备、监视设备、显示设备和井下无线终端设备由无线节点设备接入无线通信网络。1.所述系统进一步包括：无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备底部紧贴安装平面固定，外壳剖面应具有以下特征，侧面呈流线型，顶部没有锐角或直角，底部与顶部交界角为锐角；底部材料采用具有良好导热特性的材料；无线节点设备的顶部材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温隔热材料；无线节点设备外壳具有防水功能。2.所述系统进一步包括：无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备安装于巷道侧壁或顶部和井筒壁，也可安装于巷道侧壁或顶部井筒壁牢固的且在巷道使用期内永久性保留的附属设施上；无线供电设备临近无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备安装，应保证供电天线与电能接收天线方向相对；一个无线供电设备可为一个或多个无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备供电。3.所述系统进一步包括：当无线节点设备被相邻设备激活时，如需上行通信，无线节点设备则激活上行通信方向上的相邻无线节点设备，通过接力方式逐级激活上行方向上的所有无线节点设备，完成通信所需链路的网络环境组建；当系统需下行通信和定位时，同样采用接力激活方式激活通信或定位所需的所有无线节点设备，完成通信所需的网络环境组建；当此次通信完成后，被激活的无线节点设备自动进入省电工作状态。4.所述系统进一步包括：监控设备包括温度传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器、空气压力传感器、湿度传感器、水浸传感器。5.所述系统进一步包括：如监控设备处于省电工作状态，当井上设备需采集井下的特定区域的环境数据时，首先通过此区域的无线通信网络的节点设备激活其通信范围内的监控设备，监控设备将自动与井上设备建立数据链路，井上设备可通过特定指令控制监控设备采集相应的数据，当数据采集完成后监控设备通过数据链路将数据上传至井上设备；被激活的设备完成此次工作通信后，自动进入省电工作状态。6.所述系统进一步包括：语音设备包括呼叫按钮及语音采集和语音放大元件，呼叫按钮用于紧急呼救。7.所述系统进一步包括：显示设备用于显示接收到的图形和文本指示信息；显示设备具有查询按钮，查询按钮用于查询接收到的图形和文本。8.所述系统进一步包括：无线供电设备可采用分区供电方式或交流直接供电方式；当采用分区供电方式时，各区域的无线供电设备并联在本区域的直流供电线缆上，由此路区域直流供电线缆供电，电源由本区域的交/直流电转换设备单独提供；当采用交流直接供电方式时，无线供电设备内置有交/直流转换模块，可直接连接交流供电线缆实现供电。9.所述系统进一步包括：井下无线终端设备包括手机、定位卡、具有无线通信功能的矿灯、具有无线通信功能的便携仪器和其它具有无线通信功能的设备。附图说明图1矿井应急通信与监控系统实施示意图1。图2矿井应急通信与监控系统实施示意图2。图3无线供电发射设备统一供电示意图。图4无线供电发射设备区域供电示意图。图5无线供电发射设备与无线节点等设备安装和剖面结构示意图。图6无线供电发射设备原理组成示意图。图7无线节点设备原理组成示意图。图8监控设备原理组成示意图。图9语音设备原理组成示意图。图10监视设备原理组成示意图。图11显示设备原理组成示意图。图12井下的无线移动终端设备发起通信的系统工作流程图。图13井下设备上传数据的系统工作流程图。图14井上设备呼叫井下的无线移动终端设备通信的系统工作流程图。具体实施方式所述通信与监控系统的具体实施方式1如图1所示，组成包括：1.监控终端(101)，通过无线通信网络与井下无线移动终端设备(106)双向通信。2.交换机(102)，负责所有接入以太网的设备的数据交换，同时负责无线通信网络的建立与管理。3.无线供电发射设备(103)，通过无线供电方式为无线节点设备(104)供电，通过供电线缆从交/直流电转换设备(105)获取直流电能。4.无线节点设备(104)，负责组建无线通信网络；在无线供电发射设备(103)无法正常工作的情况下自动进入省电工作状态，可被无线移动终端设备(106)和相邻的其它设备激活进入正常工作状态，在通信完成后自动返回省电工作状态。5.(105)包括：井下监控设备、语音设备、监视设备或显示设备。6.交/直流电转换设备(106)，将井下交流电源转换为直流电通过供电线缆为无线供电发射设备(103)供电；如采用交流供电方式，无线供电发射设备直接接井下交流电源，则不需要交/直流电转换设备。7.无线移动终端设备(107)，包括手机、定位卡、具有无线通信功能的矿灯、具有无线通信功能的便携仪器和其它具有无线通信功能的设备，设有紧急呼叫按钮，用于激活通信区域内的处于省电状态的无线节点设备(104)。图2所示为所述通信与监控系统在斜井、平硐的实施方式示意图。无线供电发射设备的供电方式包括统一供电方式、分区供电方式、交流供电方式。统一供电的实施方式如图3所示，所有无线供电发射设备(103)由统一供电线缆采用直流供电方式供电，无线供电发射设备(103)以并联方式连接统一供电线缆，实施时需间隔一定距离并联一个交/直流电转换设备(106)以补偿电缆压降，保证供电电压。无线供电发射设备的分区供电方式的实施方式如图4所示，与统一供电的区别在于不采用统一供电线缆，而采用区域供电线缆上供电，电源由本区域的交/直流电转换设备(106)单独提供。图5为无线供电发射设备与无线节点等设备安装和剖面结构示意图，包括：1.锚杆(501)，用于固定安装无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备或显示设备，深入巷道壁内部，使设备底部紧贴安装平面固定，事故发生时可有效防止无线节点设备脱落。2.外壳底部(502)，用于搭载和安装无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备或显示设备各部件，采用具有良好导热性能的材料，并具有防水功能，可将设备内部热量传导至底部接触的介质上进行传导散热。3.外壳顶部(503)，呈流线型，无线节点设备的外壳顶部材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温隔热材料，并具有防水功能。监视设备和显示设备外壳顶部材料采用透明材料。4.主板固定铜柱(504)，用于支撑和固定无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备或显示设备的主板(503)，共4个，固定在设备底部。5.电池(505)，安装在无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备或显示设备外壳底部。6.主板(506)，包括无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备或显示设备的除天线和按钮以外的核心组成元部件，安装在电池上方，与电池间隔一定的距离。7.通信天线(507)，FPC板型天线采用柔性专用转接线与主板上的IPX接口连接。8.供电接收天线(508)，与无线供电发射设备发射天线(510)相对。9.膨胀螺栓(509)，用于安装固定无线供电发射设备。10.无线供电发射设备供电发射天线(510)，紧靠外壳壁安装，与供电接收天线(508)方向相对。11.无线供电发射设备主板(511)，主要包括无线供电发射管理元部件。12.无线供电发射设备的直流电压转换模块(512)。13.无线供电发射设备外壳(513)，采用没有无线信号屏蔽作用的材料。如图6所示为无线供电发射设备的硬件主要组成，包括：1.直流电压转换模块(601)，直流电压转换模块输入电压24V，输出电压12V，最大输出电流1A。2.无线供电发射管理模块(602)，无线供电发射管理模块采用XKT-830B模块，发射输入电压12V。3.无线供电发射天线(603)，采用环形发射线圈，线圈外径48mm，线圈内径30mm，线圈厚度0.6mm。如图7所示为无线节点设备的硬件组成示意图，主要组成包括：1.处理器(701)，采用AtherosAR7161无线网络处理器，工作频率600Mhz。2.存储单元(702)；包括快速闪存和随机存储器。快速闪存采用32MFlash；随机存储器采用128MSDRAM。3.无线通信单元(703)：包括无线通信模块和天线。无线通信模块核心芯片采用AtherosAR9220；天线采用FPC板型内置天线，通过柔性专用转接线与主板上AR9220引出的IPX接口连接，最大增益不小于3.5dBi。4.最靠近巷道出口的无线节点设备除起无线移动终端设备无线的接入的作用外，还具有将应急无线通信网络接入井上有线网络的功能，所以此无线节点设备具有有线通信单元。有线通信单元(704)包括有线通信模块和通信接口。有线通信模块核心芯片采用AtherosAR8035，支持千兆以太网。通信接口采用标准以太网通信接口。5.电源单元(705)：包括电池、电压转换和电池充放电管理部分，电池使用锂离子蓄电池，锂电池应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有有外保护电路，具备防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换负责将锂电池输出电压转换为其它单元元件所需电压，采用MAX1724电源芯片。电池充电管理核心芯片采用CS0301锂电池充电管理芯片。6.无线供电单元(706)：包括无线供电接收管理模块和接收天线。无线供电接收管理模块采用XKT-830B接收模块，接收天线采用环形线圈，接收线圈外径30mm，线圈内径15mm，线圈厚度0.6mm。图8为监控设备原理结构示意图，监控设备可搭载温度传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器、空气压力传感器、湿度传感器、水浸传感器中德一个或多个传感器，所有传感器均为模块，具有排针接口，通过排针插座与采集板连接，获得电源供电，并将所采集的模拟信号输出到处理器支持A/D转换I/O接口上。监控设备包括：1.处理器(801)，采用三星S3C2440处理器，S3C2440是基于ARM920T内核的微处理器，具有3个UART接口，2个SPI接口，2个USB接口，1个IIC-BUS接口，集成8通道10位CMOSA/D转换器，由于内置A/D转换器，可直接采集模拟量输出的传感器数据；搭载Linux系统。2.存储单元(802)；包括256MNANDFlash、一片4MNORFlash、128MSDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。3.无线通信模块(803)，采用无线网卡设备，具有IPX天线接口，采用FPC板型内置天线，通过柔性专用转接线与IPX接口连接，最大增益不小于3.5dBi；由Linux及设备驱动程序提供支持。4.电源单元(804)：包括电池、电压转换和电池充放电管理部分，电池使用锂离子蓄电池，锂电池应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有有外保护电路，具备防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换负责将锂电池输出电压转换为其它单元元件所需电压，采用MAX1724电源芯片。充电电池充电管理部分核心芯片采用CS0301锂电池充电管理芯片。处理器控制传感器供电，在省电模式下不为传感器供电。5.无线供电单元(805)：包括无线供电接收管理模块和接收天线。无线供电接收管理模块采用XKT-830B接收模块，接收天线采用环形线圈，接收线圈外径30mm，线圈内径15mm，线圈厚度0.6mm。6.一氧化碳传感器(806)，采用ME2-C0一氧化碳传感器模块，量程范围0至1000ppm。7.二氧化碳传感器(807)，采用MG811二氧化碳气体传感器模块，量程范围0至10000ppm。8.氧气传感器(808)，采用ME3-O2氧气传感器模块，量程范围0至30％。9.甲烷传感器(809)，采用MQ-4甲烷传感器模块，量程范围300至10000ppm。10.温度传感器(810)，采用DS18B20温度传感器模块，量程范围-55摄氏度至+125摄氏度。11.湿度传感器(811)，采用AM2301传感器模块，使用IIC-BUS接口，可直接采集数字数据，无需A/D转换。12.水浸传感器(812)，用于检测巷道浸水情况，采用多路输入水浸传感器，每路对应安装1组探头；探头安装于巷道壁，探头数目不少于2组，即水浸传感器不少于2路输入；探头由低到高顺序安装，每组探头间隔不小于5厘米，最低一组探头距巷道底部距离不大于5厘米，探头串联电阻，将探头感应回路有水和无水的电阻值变化转换为处理器(801)可采集的电压变化信号。图9为语音设备原理结构示意图，主要包括：处理器(901)、存储单元(902)、无线通信模块(903)、电源单元(904)、无线供电单元(905)、麦克风(906)、扬声器(907)和按键(908)。其中处理器(901)、存储单元(902)、无线通信模块(903)、电源单元(904)、无线供电单元(905)与监控设备方案完全相同，主要采用S3C2440平台方案。麦克风(906)连接处理器(901)引出的Mic接口，用于采集语音信号。扬声器(907)连接处理器(901)引出的Phone接口，用于语音信号放大输出。使用一个按键(908)作为呼叫按钮，用于紧急呼叫。图10为监视设备原理结构示意图，主要包括：处理器(1001)、存储单元(1002)、无线通信模块(1003)、电源单元(1004)、无线供电单元(1005)、数字摄像机(1006)。监视设备的处理器、存储单元、无线通信模块、电源单元、无线供电单元基本设计方案与监控设备、语音设备相同，主要采用S3C2440平台方案。数字摄像机(1006)，采用具有数字视频压缩功能的USB口数字摄像机，由Linux及设备驱动程序提供支持。图11为显示设备原理结构示意图，主要包括：处理器(1101)、存储单元(1102)、无线通信模块(1103)、电源单元(1104)、无线供电单元(1105)、显示屏(1106)、按键(1107)。显示设备的处理器、存储单元、无线通信模块、电源单元、无线供电单元基本设计方案与监控设备、语音设备相同，主要采用S3C2440平台方案。显示屏(1106)采用4.3寸LCD显示屏，由Linux提供图像、文字和图形驱动。使用两个按键(1107)作为查询按钮，用于查询接收到的图形和文本。如井下无线移动终端设备发起应急通信，所述系统的工作流程如图12所示：1.(1201)按下无线移动终端设备的紧急呼叫按钮及呼叫号码，无线移动终端设备发送网络链路建立请求。2.(1202)最近的无线节点设备接收无线移动终端设备网络链路建立请求，如无线节点设备处于省电状态，则从省电状态转入正常工作状态。3.(1203)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。4.(1204)无线节点设备根据路由判断网络链路方向，如被呼叫设备由本无线节点设备接入，则执行(1207)；如被呼叫设备的路由级数较低，则执行(1205)；如被呼叫设备的路由级数较高则执行(1206)。5.(1205)依次唤醒上行方向上处于省电状态的无线节点设备，直至被呼叫所在区域的无线节点设备，如被呼叫设备是井上设备，则唤醒上行方向的所有无线节点设备。6.(1206)依次唤醒下行方向上处于省电状态的无线节点设备，直至被呼叫设备所在区域的无线节点设备。7.(1207)网络链路所需设备都被唤醒后，建立呼叫设备和被呼叫设备之间的网络链路。8.(1208)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。9.(1209)呼叫设备或被呼叫设备任一方主动结束通信，或超过设定时间网络链路无数据通信，则断开网络链路。10.(1210)断开网络链路延迟设定时间后，此网络链路上原处于省电状态的无线节点设备再次转入省电状态。如按下语音设备呼叫按钮，或监控设备、监视设备定时上传数据时间到了，发起上行通信，所述系统的工作流程如图13所示：1.(1301)请求与监控终端建立链路。2.(1302)最近的无线节点设备接收网络链路建立请求，如无线节点设备处于省电状态，则从省电状态转入正常工作状态。3.(1303)依次唤醒上行方向上处于省电状态的无线节点设备。4.(1304)建立呼叫设备和监控终端之间的网络链路。5.(1305)呼叫设备和监控终端通过网络链路进行通信。6.(1306)呼叫设备主动结束通信断开网络链路。7.(1307)断开网络链路延迟设定时间后，此网络链路上原处于省电状态的无线节点设备再次转入省电状态。应急通信时，如井上设备发起同井下的无线移动终端设备的通信，所述系统的工作流程如图14所示：8.(1401)井上设备呼叫井下的无线移动终端设备。9.(1402)接入有线网络的无线节点设备接收井上设备的网络链路建立请求。10.(1403)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。11.(1404)依次唤醒下行方向上处于省电状态的无线节点设备，直至被呼叫设备所在区域的无线节点设备。12.(1405)网络链路所需设备都被唤醒后，建立呼叫设备和被呼叫设备之间的网络链路。13.(1406)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。14.(1407)呼叫设备或被呼叫设备任一方主动结束通信，或超过设定时间网络链路无数据通信，则断开网络链路。15.(1408)断开网络链路延迟设定时间后，此网络链路上原处于省电状态的无线节点设备再次转入省电状态。