矿井应急通信与定位系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿井应急通信与定位系统。该系统主要包括井下无线通信网络和应急无线通信网络；井下无线通信网络由无线接入设备组成，正常工作状态下，使用井下无线通信网络提供通信与定位服务，当矿井下发生灾害事故时，通过无线节点设备组成应急无线通信网络，为井下无线终端设备提供通信服务。该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，同时可为视频和传感器设备提供数据链路通信服务。
【专利说明】
矿井应急通信与定位系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种矿井应急通信与定位系统，该系统涉及无线通信技术、无线充电等领域。
【背景技术】
[0002]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，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，同时可为视频和传感器设备提供数据链路通信服务。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于提供一种矿井应急通信与定位系统，系统主要包括井下无线通信网络和应急无线通信网络;在无线通信网络正常工作时，由无线通信网络为系统提供无线通信与定位服务;在无线通信网络无法正常工作时，由应急无线通信网络为系统提供无线通信与定位服务;无线通信网络通过无线接入设备将井下的无线移动终端设备接入网络；无线接入设备在井下巷道内间隔一定距离安装;无线接入设备由线缆供电；应急无线通信网络由无线节点设备组成;无线节点设备采用无线多跳通信方式;无线节点设备邻近无线接入设备安装;无线节点设备内置蓄电池，由无线接入设备采用无线方式对其充电;无线节点设备默认处于省电工作状态;无线节点设备可被无线移动终端设备或相邻设备激活进入正常工作状态，并组成应急无线通信网络为系统提供无线应急通信与定位服务;无线节点设备处于省电工作状态下时，只接收无线信号不发送无线信号;无线节点设备被激活进入正常工作状态后，具有完整的发送接收与组网功能;被激活的无线接入设备完成此次通信后，自动进入省电工作状态;应急通信可由无线移动终端设备发起，也可由井上的通信设备发起。
[0004]1.所述系统进一步包括:无线节点设备外壳包括顶部和底部，无线节点设备底部紧贴安装面固定，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；顶部材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温隔热材料;底部材料采用具有良好导热特性的材料;无线节点设备外壳具有防水功能。
[0005]2.所述系统进一步包括:当无线移动终端设备需上行通信时，无线移动终端设备首先激活其通信范围内的无线节点设备，无线节点设备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通信所需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，完成通信或定位所需的网络环境组建；当此次通信完成后，无线节点设备自动进入省电工作状态。
[0006]3.所述系统进一步包括:无线接入设备通过通信线缆和供电线缆连接所属区域的分站，由该分站为此区域内的无线接入设备统一提供供电和有线网络接入服务;分站通过线缆接入矿用有线网络。
[0007]4.所述系统进一步包括:连接无线接入设备的线缆采用漏泄电缆。
[0008]5.所述系统进一步包括:无线接入设备可直接连接有线网络，也可采用无线多跳通信方式组网。
[0009]6.所述系统进一步包括:无线接入设备可同时为多个无线节点设备无线供电；无线接入设备周边可安装多个无线节点设备。
[0010]7.所述系统进一步包括:无线移动终端设备包括手机、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。
[0011]8.所述系统进一步包括:无线移动终端设备设有紧急呼叫按钮，用于激活通信区域内的无线节点设备。
[0012]9.所述系统进一步包括:设备安装时，应尽量保证无线接入设备的供电天线与周边无线节点设备的电能接收天线方向相对。
[0013]10.所述系统进一步包括:无线节点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和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。
【附图说明】
[0014]图1矿井应急通信与定位系统实施示意图1。
[0015]图2矿井应急通信与定位系统实施示意图2。
[0016]图3无线接入设备供电示意图。
[0017]图4无线接入设备与无线节点设备安装位置示意图。
[0018]图5无线接入设备与无线节点设备安装和剖面结构示意图。
[0019]图6无线接入设备原理组成示意图。
[0020]图7无线节点设备原理组成示意图。
[0021 ]图8井下的无线移动终端设备发起通信的系统工作流程图。
[0022]图9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】
[0023]所述通信与定位系统的【具体实施方式】I如图1所示，组成包括:
[0024]1.监控终端(101)，通过井下无线通信网络或应急无线通信网络与井下无线移动终端设备(I 06)双向通信。
[0025]2.交换机(102)，负责所有接入以太网的设备的数据交换，同时负责井下无线通信网络管理及应急无线通信网络的接入。
[0026]3.无线接入设备(103)，负责组建无线通信网络为井下无线移动终端设备提供无线接入服务;并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。
[0027]4.无线节点设备(104)，负责在无线通信网络无法正常工作时组建应急无线网络；无线节点设备默认处于省电工作状态，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。
[0028]5.交/直流电转换设备(105)，将井下交流电源转换为直流电通过供电线缆为无线接入设备(103)供电；如采用交流供电方式，无线接入设备直接接井下交流电源，则不需要交/直流电转换设备。
[0029]6.无线移动终端设备(106)，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)。
[0030]图2所示为所述通信与定位系统在斜井、平硐的实施方式示意图。
[0031]无线接入设备的供电方式的实施方式如图3所示，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(105)单独提供。
[0032]图4为无线接入设备与无线节点设备在巷道中安装位置示意图，无线接入设备
(103)与无线节点设备(104)相邻安装。
[0033]图5为无线接入设备与无线节点设备安装和剖面结构示意图，包括:
[0034]1.锚杆(201)，用于固定安装无线节点设备，深入巷道壁内部，使无线节点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。
[0035]2.无线节点设备外壳底部(202)，用于搭载和安装无线节点设备各部件，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。
[0036]3.无线节点设备外壳顶部(203)，呈流线型，材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐尚温隔热材料，并具有防水功能。
[0037]4.无线节点设备主板固定铜柱(204)，用于支撑和固定无线节点设备主板(203)，共4个，固定在无线节点设备底部。
[0038]5.无线节点设备电池(205)，安装在无线节点设备外壳底部。
[0039]6.无线节点设备主板(206)，包括除天线外所有的无线节点设备组成元部件，安装在电池上方，与电池间隔一定的距离。
[0040]7.无线节点设备通信天线(207)，FPC板型天线采用柔性专用转接线与主板上的IPX接口连接。
[0041]8.无线节点设备供电接收天线(208)，与无线接入设备发射天线(210)相对。
[0042]9.膨胀螺栓(209)，用于安装固定无线接入设备。
[0043]10.无线接入设备供电发射天线(210)，紧靠外壳壁安装，与无线节点设备供电接收天线(208)方向相对。
[0044]11.无线接入设备主板(211)，包括除供电发射天线(210)、直流电压转换模块(212)、通信天线(214)以外的所有无线接入设备的内部组成元部件。
[0045]12.无线接入设备的直流电压转换模块(212)。
[0046]13.无线接入设备外壳(213)，采用没有无线信号屏蔽作用的材料。
[0047]14.无线接入设备通信天线(214)。
[0048]如图6所示为无线接入设备的硬件主要组成，包括:
[0049]1.处理器(301)，采用Atheros AR7161无线网络处理器，工作频率600Mhz。
[0050]2.存储单元(302);包括快速闪存和随机存储器。快速闪存采用32M Flash;随机存储器采用128M SDRAM。
[0051]3.无线通信单元(303):包括无线通信模块和天线。无线通信模块核心芯片采用Atheros AR9220，支持2.4/5GHz双频IEEE802.llg/n；支持2x2 MMO多路空间传输技术；支持发射功率调整;支持动态选择频率;最大输出功率10mW，MMO合计输出功率200mW。采用外置天线，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3.5dBi0
[0052]4.有线通信单元(304):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Atheros AR8035，支持千兆以太网。通信接口采用标准以太网通信接口。
[0053]5.电源单元(305):包括直流电压转换模块输入直流电压24V，输出直流电压12V和
3.3V。直流电压转换模块负责为主板供电，交/直流转换模块还负责为无线充电单元供电。如采用直流供电方式时，可省去交/直流转换模块。
[0054]6.无线供电单元(306):包括无线供电发射管理模块和发射天线。无线供电发射管理模块采用XKT-830B模块，发射输入电压12V。发射天线采用环形发射线圈，线圈外径48mm，线圈内径30mm，线圈厚度0.6mm。
[0055]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:
[0056]1.处理器(401)，采用Atheros AR7161无线网络处理器，工作频率600Mhz。
[0057]2.存储单元(402);包括快速闪存和随机存储器。快速闪存采用32M Flash;随机存储器采用128M SDRAM。
[0058]3.无线通信单元(403):包括无线通信模块和天线。无线通信模块核心芯片采用Atheros AR9220 ；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。
[0059]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(404)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Atheros AR8035，支持千兆以太网。通信接口采用标准以太网通信接口。
[0060]5.电源单元(405):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。
[0061]6.无线供电单元(406):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0.6_。
[0062]在无线通信网络无法正常工作时，如井下无线移动终端设备发起通信，所述系统的工作流程如图8所示:
[0063]1.(501)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。
[0064]2.(502)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。
[0065]3.(503)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。
[0066]4.(504)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(507);如被呼叫设备的路由级数较低，则执行(505);如被呼叫设备的路由级数较高则执行(506)。
[0067]5.(505)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。
[0068]6.(506)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。
[0069]7.(507)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。
[0070]8.(508)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。
[0071 ] 9.(509)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。
[0072]10.(510)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。
[0073]在无线通信网络无法正常工作时，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9所示:
[0074]1.(601)井上设备呼叫井下的无线移动终端设备。
[0075]2.(602)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。
[0076]3.(603)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。
[0077]4.(604)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。
[0078]5.(605)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。
[0079]6.(606)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。
[0080]7.(607)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。
[0081]8.(608)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。
【主权项】
1.一种矿井应急通信与定位系统，其特征在于:系统主要包括井下无线通信网络和应急无线通信网络;在无线通信网络正常工作时，由无线通信网络为系统提供无线通信与定位服务;在无线通信网络无法正常工作时，由应急无线通信网络为系统提供无线通信与定位服务;无线通信网络通过无线接入设备将井下的无线移动终端设备接入网络;无线接入设备在井下巷道内间隔一定距离安装;无线接入设备由线缆供电；应急无线通信网络由无线节点设备组成;无线节点设备采用无线多跳通信方式;无线节点设备邻近无线接入设备安装;无线节点设备内置蓄电池，由无线接入设备采用无线方式对其充电;无线节点设备默认处于省电工作状态;无线节点设备可被无线移动终端设备或相邻设备激活进入正常工作状态，并组成应急无线通信网络为系统提供无线应急通信与定位服务;无线节点设备处于省电工作状态下时，只接收无线信号不发送无线信号;无线节点设备被激活进入正常工作状态后，具有完整的发送接收与组网功能;被激活的无线接入设备完成此次通信后，自动进入省电工作状态;应急通信可由无线移动终端设备发起，也可由井上的通信设备发起。2.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于:无线节点设备外壳包括顶部和底部，无线节点设备底部紧贴安装面固定，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;顶部材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温隔热材料;底部材料采用具有良好导热特性的材料;无线节点设备外壳具有防水功能。3.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于:当无线移动终端设备需上行通信时，无线移动终端设备首先激活其通信范围内的无线节点设备，无线节点设备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通信所需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，完成通信或定位所需的网络环境组建；当此次通信完成后，无线节点设备自动进入省电工作状态。4.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于:无线接入设备通过通信线缆和供电线缆连接所属区域的分站，由该分站为此区域内的无线接入设备统一提供供电和有线网络接入服务;分站通过线缆接入矿用有线网络。5.如权利要求1所述的的通信与定位系统，其特征在于:连接无线接入设备的线缆采用漏泄电缆。6.如权利要求1所述的的通信与定位系统，其特征在于:无线接入设备可直接连接有线网络，也可采用无线多跳通信方式组网。7.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于:无线接入设备可同时为多个无线节点设备无线供电;无线接入设备周边可安装多个无线节点设备。8.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于:无线移动终端设备包括手机、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。9.如权利要求1所述的无线移动终端设备，其特征在于:无线移动终端设备设有紧急呼叫按钮，用于激活通信区域内的无线节点设备。10.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于:设备安装时，应尽量保证无线接入设备的供电天线与周边无线节点设备的电能接收天线方向相对。11.如权利要求1所述的通信与定位系统，其特征在于:无线节点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和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。
【文档编号】H04W4/22GK105873002SQ201610291912
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】孙继平
【申请人】中国矿业大学(北京)