煤矿救灾无线通信装置的制作方法

本实用新型涉及矿山通讯系统技术领域，具体涉及一种煤矿救灾无线通信装置。

背景技术：

现有技术中大多数矿井应急救援通信系统设备仅有着单一的语音或视频通信功能，缺乏着其他多媒体信息采集传输功能，无法从多方面同步采集灾情的实时信息，极大地影响救援指挥决策的准确性和合理性，影响救援工作的高效开展。

目前在矿井应急救援通信指挥方面有无线通信和有线通信两种方式。有线通信方式传输稳定、速率快，但不便携带且铺设复杂、费时间；无线通信方式携带方便、便于搭建；但相对有线通信方式数据信号传输速率慢、连接易中断。现有的救援通信设备中，有线通信如KTE5型矿山可视化救援指挥装置、KJI05型矿井抢险救灾检测指挥系统等不仅存在铺线麻烦、不易携带、耽搁救援时间的问题，还没有相应的井下灾害区域环境参数采集功能。无线通信方式的如SC2000型无线电话等受井下轨道管道破裂的限制，传输通信效果不佳并且其仅含有语音通信，没有视频、环境参数等多媒体信息传输功能，在矿井巷道内救援时会存在诸多限制。现有的无线通信方式单独使用一种频段作为整个通信系统的工作频率时，由于灾区终端设备接入中继器设备所占用信道和中继器设备之间进行信息传输时所占用信道相同而产生相互干扰，导致信息传输带宽被占，传输速率变慢。

技术实现要素：

为解决现有灾区设备之间进行信息传输时采用一种频段使设备所占用信道相同而产生相互干扰，信息传输带宽被占，传输速率变慢的问题，本实用新型提供了一种煤矿救灾无线通信装置，极大地提高了信号传输性能和网络性能。

本实用新型的技术方案如下：

一种煤矿救灾无线通信装置，包括井下基地设备、多个中继设备和灾区前端设备；井下基地设备包括本安型计算机；中继设备包括本安型WIFI中继器，中继设备内设2.4GHz通信模块和5.8GHz通信模块；灾区前端设备包括红外摄像仪、红外热像仪、微型电子存储模块和多媒体信息处理器；所述红外摄像仪、红外热像仪分别与多媒体信息处理器连接，所述多媒体信息处理器分别与微型电子存储模块和中继设备连接；灾区前端设备通过2.4GHz无线射频模块与中继设备通信连接，中继设备之间通过5.8GHz无线射频模块通信连接，中继设备和井下基地设备通过2.4GHz无线射频模块通信连接，井下基地设备通过2.4GHz或5.8GHz无线射频模块与地面计算机通信连接。

进一步地，灾区前端设备还设置有LED显示应急报警模块；井下基地设备还包括LED报警显示模块。上述模块可用于紧急报警，信号可传输至井下基地，发出报警信号。

进一步地，灾区前端设备还包括传感器采集模块和话筒；所述多媒体信息处理器包括视音频处理器、Hi3521芯片和RS485接口。

进一步地，所述传感器采集模块包括气体传感器、温湿度传感器和/或风速传感器。

进一步地，所述中继设备还包括光纤接口以及光信号处理单元，所述中继设备之间还采用有线光纤传输信号。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型的中继设备和井下基地设备、灾区前端设备通过2.4GHz 无线射频模块通信连接，中继设备之间采用5.8GHz无线射频模块进行无线传输信号，两者之间所用信道不同，互不干扰，极大地提高了信号传输性能和网络性能。本实用新型采用了双通信模块的方法，用使用较为频繁的 2.4GHz作为终端设备接入服务，而用另一种频率更高、电磁干扰更小的 5.8GHz频段作为设备间传输数据的选择，能最大程度地提高无线传输时的速率问题，可以在服务本地接入用户的同时，执行回传转发功能，避免了回传数据和设备接入服务因处于同一信道而造成的干扰问题。

2.本实用新型通过灾区前端设备，可将灾区的语音、视频、环境数据参数等多媒体信息进行传输，实现了灾区多种信息的采集。

3.本实用新型采用两种成像设备是以相互辅助、相互协作的方式进行工作。红外摄像仪呈现的是高清实景视频图像，红外热像仪呈现的是环境视觉热辐射图像。红外摄像仪可以看清现场的真实景象，热像仪是在红外摄像仪图像因实物阻挡、烟雾遮蔽等原因导致视频图像无法正常清晰观察时通过环境热辐射不同的原理呈现当时的图像，尤其在寻找人体等温度不同物体可以起到很大的作用。在前端设备红外摄像仪和热像仪所拍摄的视频会先在前端内的微处理器内进行数据融合在一起压缩处理，再传输到后方基地。这样的目的是为了便于数据传输，也确保了红外摄像仪和热像仪的视频同步性问题。

4.本实用新型矿山救援通信系统采用完全独立的无线自组网技术，对井下灾区救援具有极大的可实现性。

附图说明

图1为本实用新型矿山救援通信系统信号传输流程图；

图2为本实用新型矿山救援通信系统通信示意图；

图3为本实用新型灾区前端设备工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明：

如图1、图2、图3所示的煤矿救灾无线通信装置包括移动指挥部、地面中心设备、井下基地设备、中继设备和灾区前端设备；

灾区前端设备包括本安型红外摄像仪、红外热像仪、话筒、传感器采集模块、微型电子存储模块和多媒体信息处理器；传感器采集模块包括气体传感器、温湿度传感器和风速传感器；红外摄像仪、红外热像仪、传感器采集模块、话筒分别与多媒体信息处理器连接，多媒体信息处理器分别与微型电子存储模块和中继设备连接；灾区前端设备配置有LED显示应急报警模块可用于紧急报警，信号可传输至井下基地，发出报警信号。

多媒体信息处理器包括视音频处理器、Hi3521芯片、RS485接口， Hi3521编码处理器是华为公司研发的一款高端SOC芯片及部分组合装置，主要由ARM、音视频编解码器、图像处理引擎组成，含有视/音频接入电路、电子微硬盘电路、电源电路、时钟电路、FLASH数据存储器、RS485接口电路、USB接口电路等。

传感器采集模块主要是采集数据的传感器模块，其中气体传感器采用的是红外式传感器检测CH4、CO2、O2气体的浓度，通过检测环境中各气体经传感器红外光的直射后出射光的不同来检测气体成分及含量。采用的SHT11 温湿度传感器是集温度和湿度测量于一体的一种测量设备，采用的螺旋桨风速传感器是一种包含螺旋器和信号发生器两部分的器件。将上述传感器组装成一个大型模块，采集数据后以RS485串行协议实现数据传输到多媒体信息处理器。

本安型红外摄像仪、红外热像仪两种成像设备是以相互辅助、相互协作的方式进行工作。红外摄像仪呈现的是高清实景视频图像，红外热像仪呈现的是环境视觉热辐射图像。红外摄像仪可以看清现场的真实景象，热像仪是在红外摄像仪图像因实物阻挡、烟雾遮蔽等原因导致视频图像无法正常清晰观察时通过环境热辐射不同的原理呈现当时的图像，尤其在寻找人体等温度不同物体可以起到很大的作用。设备的终端设备属于手持便携式，其设备表平面会设计出一4寸高清数字显示屏。红外摄像仪和热像仪所拍摄的画面会显示在其中，通过系统软件实现两者画面的转换，也可在必要的时候实现分屏显示的功能。同时，红外摄像仪也可拍摄井下救护人员、被困人员等与井下基地人员和地面人员通过本系统实现视频及语音对讲功能。在前端设备红外摄像仪和热像仪所拍摄的视频会先在前端内的多媒体信息处理器内进行数据融合在一起压缩处理，再传输到后方基地，目的是为了便于数据传输，也确保了红外摄像仪和热像仪的视频同步性问题。

中继设备是指本安型WIFI中继器，中继设备内设2.4GHz通信模块和 5.8GHz通信模块，体积150mm×50mm×80mm(L×W×H)，重量2kg，是由无线WIFI通信模块、光纤通信模块、射频模块和对应的无线射频天线以及本安型专用电源组成。

井下基地设备包括矿用本安型计算机或矿用本安型计算、WIFI基站，计算机内含有嵌入式ARM9微处理器(用于解码还原接收到的数字信息)和LED 报警显示模块。

灾区前端设备通过2.4GHz无线射频模块或有线光纤与中继设备通信连接，中继设备之间通过5.8GHz无线射频模块或有线光纤通信连接，中继设备和井下基地设备通过2.4GHz无线射频模块或有线光纤通信连接，井下基地设备通过2.4GHz或5.8GHz无线射频模块或有线光纤与地面计算机通信连接。

地面中心设备为地面有线无线自适应服务器，包括数字光发射机模块、光接收机模块、无线射频模块、数据电-光-电交换隔离模块以及与之配备的专用计算机和有线耳机。

移动指挥部在矿山灾害救援地面指挥中心和国家(省)应急救援中心之间通过地球同步轨道卫星来提供多媒体通信方式实现救援指挥工作，包括应急通信车(车载站)和救援现场采集设备(编写站)，通信车包括车辆、 VSAT设备、无线图像传输系统设备、无线局域网设备和车载摄像机设备，并配置会议电视终端。采用Ka频段宽带通信卫星系统，建设VSAT卫星通信网络地面主站，应急通信车经VSAT卫星实现与主站之间远程通信。

本实用新型设备中的“本安型”指的是对设备采取本质安全型防爆处理，在矿井下使用是安全的。

KAS-HW本安型红外摄像仪以红外光的照射采集井下黑暗的灾区环境图像， KAR-HW本安型红外热像仪是一种被动式红外探测器，以热成像的方式将灾区现场情况显示出来，用以辅助救护队员在阴暗模糊的现场探寻可能存在的井下被困人员。KAS-HW红外摄像仪将现场采集到的视频信号和KLL本安型耳麦采集到的语音信号以及KHC-4集成传感器采集到的参数数据信号一起送至 KXC多媒体信息处理器，这些模拟信号以A/D转换芯片转化成数字信号，通过BT.656接口输入到Hi3521处理器(Hi3521芯片服从H.264数据压缩算法)，Hi3521芯片对接收的数字信号依据H.264标准进行压缩编码，把信号流装成IP流打包并采用双流码，主码流通过SATA微硬盘接口用于高清存储，次码流以IP数据包形式用于传输。用于传输的数据包以RJ45接口连接到 2.4GHz无线射频发射模块，通过射频模块和2.4GHz无线射频天线传输给中继设备的2.4GHz无线射频模块。KAS-HW本安红外摄像仪采用的是一种红外一体化摄像机，即红外灯、镜头和摄像机做成一体并装在防护壳里，该红外照射灯发出波长为850nm的红外线，照射在灾区前方0-50m处，能在黑暗的环境下捕捉现场图像。KAR-HW本安型红外热像仪由热光学红外镜头、红外传感器、数字信号处理器、显示屏组成。采用光圈F1.1、焦距值35mm的红外镜头，法国ULIS公司生产的UL01001型号的320*240元长波非制冷式红外焦平面探测器，FPGA芯片和单片机实现数字信号处理，和LCD液晶显示屏。红外镜头将场景传递给探测器产生模拟视频信号至信号处理系统，经A/D转换，噪音去除、非均匀性校正、存储、D/A转换输出至LCD显示屏。

中继设备的无线WIFI通信模块可使用2.4GHz和5.8GHz两个频段，WI- FI中继路由器具有2种网卡，一种支持IEEE802.11g协议，用2.4GHz信道为灾区终端设备提供无线接入服务；一种支持IEEE802.11a协议，用5.8GHz 信道为实现通信中继节点之间的互联。两者之间所用信道不同，互不干扰，极大地提高了网络性能。在中继设备之间传输数据有两种传输方式，当灾区环境传输距离过长(>2000m)且布线方便的时候优先使用有线光纤的传输方式，将救护队员携带的MGXTSV 2芯煤矿用阻燃通信光缆插入中继设备的信号输入接口端即自动切换到有线方式传输；当灾区环境复杂不易布线的时候可采用中继设备间5.8GHz无线射频模块进行无线传输，每两个中继设备之间稳定传输距离500m。通过在矿井巷道内进行试验可以看出，对平直巷道中，频率越高，越有利电磁波的传输，在弯曲巷道中，频率越高，越不利电磁波的传输，故采用2.4GHz作为井下移动通信的工作频率为最佳。随后5.8GHz 频段也被用于矿井无线通信中来。

有线光纤通信模块包括数字光发射机模块和接收机模块。发射机模块包括有数字信号输入接口、信号调制电路、自动功率控制电路、半导体激光器、 LED显示模块和光输出接口。当数字信号输入到发射机模块，将其调制到半导体激光器发出的激光束上，以光的形式输出。自动功率控制电路是用于保持输出稳定的光功率，而当光信号低于阀值时，没有光信号输出LED灯灭，正常输出光信号时，LED灯亮。数字光接收机模块包括光输入接口、光检测器、晶体管前置放大器、主放大器、滤波器、判决电路、LED显示模块和信号输出接口。当光信号输入时，经检测器由晶体管前置放大器放大信号，经主放大器再次放大光信号，滤波器主要是调整波形均衡，避免判决电路误判信号。在光信号输入过程中，由于传输等原因导致无光输入或输入光功率小于-15dBm时，LED灯灭，正常工作时灯亮。

工作过程为：当救援组织到达矿井灾害现场后，快速建立起地面应急救援指挥中心，搭设地面中心设备，建立地面一级指挥中心。随后开始由两队救护人员(每小队6-9人)携带井下基地设备、中继设备、灾区前端设备、矿用阻燃光缆等装备进入到井下安全区域，在巷道内的安全区域建立应急井下基地，铺设救护队员携带的基地设备，做好相应的部署工作后，由一队人员留在此处作为井下二级指挥中心，另一队人员携带灾区前端设备和中继设备继续出发向灾情区域行进，沿途铺设好中继设备保持通信正常。

在灾区现场通过红外热像仪、话筒、传感器采集模块将采集到的视/音频、CO、CH4、O2、温度等环境参数传输至多媒体信息处理器，经压缩、编码后将信息分为两码，主码流存储在微型电子存储模块，次码流通过无线 WIFI射频模块和天线发送给中继设备，中继设备再经射频模块和天线传输至下一个中继设备，直至传输到井下基地设备，同时也可采用有线光纤的方式传输信息数据至井下基地，经井下基地设备还原成视音频信息显示出来。

井下基地计算机将数字信号还原成视音频信息和环境参数可视化显示出来，直观地展示给救援人员，同时可继续通过无线或有线方式把信息传输到地面中心设备，地面计算机将其还原成视音频资料和环境参数查看，并通过无线射频模块实现与井下基地、井下基地与灾区前端之间单双向通信指挥。

当数据包传输至离井下基地最近的中继设备时，仍可继续通过矿用有线光缆传输到井下基地设备，也可通过中继设备的2.4GHz无线射频模块和天线发送至井下基地2.4GHz无线射频模块。经本安电脑内ARM9微处理器将数字信号还原出的视频和环境参数展示在电脑显示屏上，语音通过本安型耳麦播放。同时，井下基地设备也通过有线光缆或者无线2.4GHz射频模块和 2.4GHz射频天线将数据包发送给地面救援基地的有线/无线自适应服务器，将其还原成语音、视频和环境参数信息观察并对井下基地和前端救援队员进行指挥。

地面指挥中心随时将接收到的灾情信息利用通信车周围的无线局域网设备实现数据接入，这些数据通过无线图像传输设备(单兵)通过VSAT卫星通道接入到国家(省)救援指挥中心，其中卫星通信传输数据的格式为IP包，支持TCP/IP协议，只需连接卫星设备与指挥中心的信息网络路由器就可传输数据。地面救援指挥人员可以进入通信车内，通过车内摄像机参加电视会议，会议电视的配置终端通过VSAT卫星通道接入到国网主站，国网主站配备H.323协议的MCU并接入到国家应急救援指挥中心的会议电视系统，即救援通信车就相当于会议电视系统的远端会场，是以卫星通信的方式实现的。在整个救援通信指挥系统中，各指挥部之间的单双向通信如图2所示：即灾区现场信息单向传递给井下救援基地、地面指挥中心和国家救援中心，而国家救援中心与地面指挥中心、地面指挥中心与井下救援基地、井下救援基地与灾区救援现场之间可进行双向通信，不设立越级通信是为了方便各级之间指挥明了，避免频道内指挥指示通信混乱。

本实用新型的保护范围不限于本实用新型的具体实施方式，对于本技术领域的技术人员而言，在本实用新型的启示下，能够从本实用新型公开内容中直接导出联想一些原理和结构相同的基本变形，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征相同的相互不同组合、相同或相似技术效果的技术特征简单改换，尤其是在煤自燃的应用技术和产品，都属于本实用新型技术的保护范围。