专利名称：井下监控系统及井下监控方法
技术领域：
本发明涉及一种通信技术，特别涉及一种矿井下的监控系统及监控方法。
技术背景安全是人员在矿井下(后文中所述"井，，即为"矿井，，)作业的头等大事，安 全对井下生产起着保证、支撑和推动作用的同时，也提高了紧急事件的处理 能力，因此井下的安全生产也是国家安全生产的重要组成部分。随着国家对 井下安全作业的日益重视和监管力度的不断加强，我国大中型矿井及广大乡 镇小矿井已大量装备了井下安全生产监控系统，这些安全装备的推广应用大 大改善了我国矿井安全生产状况。从井下安全生产监控系统的发展来看，主要分为以下几种类型一、 采用人员考勤定位模式。在井口至井底设置读写器，读写器接收每 人携带的标识卡信息，从而达到进入矿井人员考勤的目的。可以通过增加考 勤读写器扩大考勤范围，获得井下作业人员的信息。此方案具有微功率、电 池维持时间较长、系统投资少的优点。但是采用此方案的系统也具有功能单 一、读写器覆盖范围小等缺点。二、 在上述人员考勤定位模式的基础上增加小灵通通讯系统。考勤定位 定位系统以及小灵通通讯系统独立运行，考勤定位定位系统可以与小灵通通 讯系统间进行数据交换。因为小灵通通讯系统需要基站来完成信号传送，此 方案使考勤定位定位系统中的读写器具有小灵通基站的功能，弥补了纯独立 系统导致的小灵通区域仍然需要设定位基站的弊端，有效利用了通讯系统资 源。但是此方案仍存在以下缺点1、由于设立小灵通通讯系统的费用昂贵， 一般只覆盖主要巷道，无法对普通矿工进行定位。2、小灵通系统主要是为通 话而设计的，除语音通话外其数据传输带宽较窄，如果将其应用于定位系统， 大量的人员位置信息传输将受到瓶颈，无法实现千人以上的数据传输。从已经试点的情况来看，在人数不多的情况下轮询时间需要2 3分钟，实时性较 差，与《煤矿安全规程》要求监控系统轮询时间小于30秒相差较大。三、采用人员动态监控系统。国家专利局专利号为03208935.x的实用新 型提出了一种煤矿井下人员动态监控系统。请参见图1,此煤矿井下人员动态 监控系统，包括位于矿井调度室的计算机总站101和位于井口的若干个单片 机分站103，总站和分站之间经宽带有线传输网相连，还包括井下人员每人一 个的无线发射机105和安装在盘区、巷道和工作面的若干无线接收机107。无 线发射机105和无线接收机107均设有本质安全型防爆电源，防爆电源与电 源稳压模块之间接有限流电阻。此煤矿井下人员动态监控系统可以对煤矿井 下人员移动位置进行跟踪管理、实时查找和原始资料的统计管理，满足日常 掌握煤矿井下人员的动态和事故后快速掌握井下人员的数量、位置等需求， 为保护煤矿井下人员安全以及日常统计工作的需要提供了保障。但此方案仍 然存在以下缺陷1、井下每个分站需对应一个无线发射机105和一个无线接 收机107，对于大规模的井下作业，其费用昂贵。2、分站103与总站101之 间传输数据的速度受宽带传输网的限制，若井下发生事故，可能无法第一时 间与总站101取得联系。并且，分站103与总站101以及分站103与分站103 之间的距离也受有线宽带网的限制，只能在其限定的距离内通讯。3、系统中 各设备的配置需要满足系统供应商的要求，不具备兼容性。综上所述，现有的井下安全生产监控系统存在信号传输慢、成本高、设 备兼容性差等缺点。发明内容本发明的目的是提供一种井下监控系统，以解决现有的井下安全生产监 控系统存在信号传输慢、成本高、设备兼容性差等缺点。本发明的另一目的是提供一种井下监控方法，以解决现有的井下安全生 产监控系统存在信号传输慢、成本高、设备兼容性差等缺点。本发明提出一种井下监控系统，包括地面控制中心、复数个基站、复数 个传感器以及复数个收发机。地面控制中心用以对并下环境进行监测并对井下移动目标进行定位、跟踪以及考勤。复数个基站设置于矿井中的各个重要 检测点，基站之间通过通讯电缆相连，且基站通过通讯电缆连接至地面控制中心，采用LonWorks现场总线技术进行数据传输。基站用以监测矿井中的各 种环境参数与井下移动目标的位置及状态，并将监测到的各种环境数据与井 下移动目标的位置及状态数据发送至地面控制中心以及接收地面控制中心发送的控制信号，其中每个基站包括无线通讯模块、单片机以及神经元芯片。 无线通讯模块用以接收井下移动目标的位置及状态信息。单片机用以对各种 环境参数数据进行处理。神经元芯片具有三个控制数据传送且采用LonWorks 通讯协议的处理器。此神经元芯片用以依靠其处理能力，将基站监测到的井 下环境参数及井下移动目标的位置及状态通过通讯电缆以LonWorks现场总线 技术传送到地面控制中心，使地面控制中心及时获取井下移动目标的位置与 井下环境状态，并以LonWorks现场总线技术接收地面控制中心通过通讯电缆 传送给基站的指令及信号数据，以使无线通讯模块及时向井下移动目标发送 控制及报警信号。传感器外接于基站，用以监测矿井中的各种环境参数。收 发机设置于井下的移动目标上，其与基站进行双向通讯，用以将移动目标的 位置及状态信息发送给基站并通过基站将移动目标的位置及状态信息发送给 地面控制中心，以实现对井下移动目标的定位、跟踪以及考勤。依照本发明较佳实施例所述的井下监控系统，每个收发机包括天线、报 警装置以及射频信号发生芯片。报警装置用以产生求助信号或报警信号。射 频信号发生芯片用以将求助信号进行调制并产生射频信号，以及通过天线发送给基站。依照本发明较佳实施例所述的井下监控系统，地面控制中心包括监控主 机以及通讯适配器。监控主机用以接收基站发送的井下各种环境数据及移动 目标的位置及状态数据，并进行分析与处理，以及根据分析与处理后的井下 各种环境数据及移动目标的位置及状态数据向基站发送控制信号。通讯适配 器，用以将在LonWorks现场总线上传输的LonWorks信号与监控主机发送与 接收的RS232信号进行转换，并实现井上非本安通信信号与井下本安通信信 号之间的电气隔离。依照本发明较佳实施例所述的井下监控系统，其还包括复数个防雷栅， 其分别设置于矿井口以及通讯适配器与通讯电缆之间，用以保护井下设备和 地面控制中心不受雷击。依照本发明较佳实施例所述的井下监控系统，地面控制中心包括备用主 机，用以在监控主机出现故障影响系统正常运行时，立刻代替监控主机并投 入工作。依照本发明较佳实施例所述的井下监控系统，其还包括复数个隔爆兼本 质安全电源箱，每个隔爆兼本质安全电源箱与一个基站相连，用以为些基站 提供本质安全型电源。本发明另提出一种井下监控方法，包括以下步骤:首先，设置地面控制 中心。其次，在矿井中的各个重要检测点设置复数个基站。接着，在井下的 移动目标上设置复数个收发机。然后，通过基站监测矿井中的各种环境参数 和移动目标的位置及状态信息。然后，基站采用LonWorks现场总线技术通过通讯电缆将监测到的各种环境数据与井下移动目标的位置及状态数据发送至 地面控制中心并接收地面控制中心发送的控制信号。最后，基站将地面控制 中心发出的各种命令，及时发出报警及控制信号。依照本发明较佳实施例所述的井下监控方法，基站与地面控制中'"、传输 数据时还包括以下步骤首先，设置通讯适配器。然后，通讯适配器接收井 下基站发来的Lon Works通讯信号，将LonWorks通讯信号解调成RS-232C 信号传送给地面控制中心，并将地面控制中心输出的RS-232C信号经调制成 LonWorks通讯信号发送给井下基站，并实现井上非本安通信信号与井下本安 通信信号之间的电气隔离。依照本发明较佳实施例所述的井下监控方法，基站与收发机采用无线双向通讯。依照本发明较佳实施例所述的井下监控方法，地面控制中心接收到移动 目标的位置及状态数据后，根据其中的场强变化信息确定移动目标精确位置。相对于现有技术，本发明具备了以下优点1、 本发明因采用了LonWorks现场总线，其通讯速度是传统总线的2至5 倍，性能稳定可靠，且在井下的通讯距离不限，使整个系统保证持续运行的 高可靠性和稳定性。2、 LonWorks现场总线的通信协议是符合国际标准化组织(ISO )定义的 开放互连(OSI) ^t型，任何制造商的产品接入LonWorks现场总线后都可以 实现互操作，因此本发明中的设备具备了兼容性，不受供应商的限制，同时 使系统可以适应快速发展的信息技术的变化。3、 本发明所采用的LonWorks现场总线可用任何媒介进行通信，包括双 绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波、红外线等，基站间2芯通讯电缆 可以串联、星形及环型无极性任意连接，即使单根断线也能正常通讯。4、 本发明的基站与收发机间采用无线双向通讯，井下人员在危急时刻可 以通过收发机向地面控制中心发出紧急求助；同样，在矿井内的环境参数不 符合作业标准时，监控中心可以通过基站向收发机发送命令，收发机以多种 声、光等报警方式主动通知井下人员撤离，可以大大减小矿井内发生事故的几率。
图1为国家专利局专利号为03208935.x的实用新型的一种煤矿井下人员 动态监控系统结构图；图2为本发明实施例的 一 种井下监控系统结构图；图3为本发明实施例的 一种基站结构图；图4为本发明实施例的另 一种井下监控系统结构图；图5为本发明实施例的 一种收发机结构图；图6为本发明实施例的 一种井下监控方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。本发明将LonWorks技术引入到井下监控系统，LonWorks技术是美国 Echelon公司于1990年12月推出的一种现场总线技术。LonWorks现场总线 的通讯速度是传统总线的2至5倍，且LonWorks现场总线的通信协议是符 合国际标准化组织(ISO)定义的开放互连(OSI)模型，任何制造商的产品 接入LonWorks现场总线后都可以实现互操作，其可用任何i某介进行通信， 包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波、红外线等，因此LonWorks 技术在国际和国内都得到越来越广泛的应用。请参见图2，其为本发明实施例的一种井下监控系统结构图。此井下监控 系统，包括地面控制中心201、复数个基站203、复数个传感器204以及复数 个收发机205。收发机205设置于井下的移动目标上，如工作人员，车辆等。 基站203设置于矿井中的各个重要检测点，基站203之间通过通讯电缆207 相连，且基站203通过通讯电缆207连接至地面控制中心201,采用LonWorks 现场总线技术进行数据传输。传感器204外接于基站203。如图3所示，每个 基站203包括无线通讯模块301、单片机303以及神经元芯片305。此井下监控系统工作时，通过基站203外接的传感器204对矿井中的各 种环境参数进行监测，并将监测的各种环境参数值输入单片机303进行处理。 同时，通过基站203上的无线通讯模块301 ，接收收发机205所在移动目标的 位置及状态信息。然后基站203通过神经元芯片305将单片机303采集的表 示矿井下各种环境状态的数据以及收发机205发送位置及状态数据经 LonWorks现场总线传送到地面控制中心201，以实现对井下移动目标的定位、 跟踪以及考勤。神经元芯片305具有三个控制数据传送且采用LonWorks通讯 协议的处理器。神经元芯片305提供基站203通信与处理能力，其控制基站 203与其它设备采用LonWorks现场总线技术以传统通讯总线2至5倍的速度 进行通讯。地面控制中心201接收到井下环境状态的^t据以及移动目标的位 il及状态数据后，进行分析处理，根据移动目标位置及状态数据中场强的变 化信息确定移动目标的位置。若矿井下各种环境状态的数据显示矿井下的环 境参数不符合作业标准时，可在突发事件发生前，向基站203发送控制信号， 并通过基站203的无线通讯模块301向收发机205发送报警信号，使危险区域的人员疏散。井下人员在危急时刻可以通过收发机205向地面控制中心201 发出紧急求助信号。请参见图4，其为本发明实施例的另一种井下监控系统结构图。此井下监 控系统，包括地面控制中心201、复数个基站203以及复数个收发机205、复 数个隔爆兼本质安全电源箱401、复数个传感器204以及复数个防雷栅403。 地面控制中心201包括监控主机405、备用主机407以及通讯适配器。基站 203设置于矿井中的各个重要检测点，基站203之间通过通讯电缆207相连， 且基站203通过通讯电缆207连接至地面控制中心201，基站203之间通过 LonWorks现场总线方式进行通讯，且基站203通过LonWorks现场总线方式 将数据发送至地面控制中心201, Lon Works现场总线也可用其它媒介进行通 信，如双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线电波、红外线等。每个隔爆 兼本质安全电源箱401与一个基站相连，基站203由隔爆兼本质安全电源箱 401供电，隔爆兼本质安全电源箱401可以根据实际需要提供多种电压，并且 在交流电停电时，可以采用备用电池为基站203供电，使基站203维持工作 两小时以上。传感器204外接于基站203。防雷栅403分别设置于矿井口以及 通讯适配器409与LonWorks现场总线之间，用以防止Lon Works现场总线所 在电缆因雷击而短路。每个收发机205包括天线501、报警装置503以及射频 信号发生芯片505,如图5所示，收发机205可采用钮扣式电池供电。此井下监控系统工作时，通过基站203所挂接的传感器204监测矿井下 的各种环境参数，并将监测到的参数值输入单片机303进行处理。同时，通 过基站203上的无线通讯模块301接收收发机205发送的井下移动目标的位 置及状态信息。然后基站203通过神经元芯片305将单片机303处理过的表 示环境状态的数据以及收发机205发送的移动目标的位置及状态数据经 LonWorks现场总线传送到地面控制中心201。通讯适配器409将在Lon Works 现场总线上传输的LonWorks信号转换为RS232信号后输入监控主机405。监 控主机405可以配置有显示设备，当其接收到井下环境状态的数据以及移动 目标的位置及状态数据后，进行分析处理，根据移动目标位置及状态数据中 场强的变化信息确定移动目标的位置。并显示在显示设备中，以实现对井下移动目标的定位、跟踪以及考勤。在监控主机405出现故障影响系统正常运 行时，立刻启动备用主机407并代替监控主机405投入工作。若监控主机405 或备用主机407发现矿井内的环境参数不符合作业标准时，可在突发事件发 生前，向基站203发送控制信号，并通过基站203向收发机205发送报警信 号，使危险区域的人员疏散。收发机205接收到报警信号后，可以通过多种 声光方式发出报警。另外，当矿井中出现紧急情况时，井下人员可以启动收 发机205中的报警装置503，使报警装置503产生一个求助信号，求助信号经 射频信号发生芯片505调制后产生一个射频信号，并通过天线发送给基站203。 基站203通过无线通讯模块301接收收发机205发送的求助信号，当其接收 到收发机205发送的求助射频信号后，通过LonWorks现场总线传送给地面控 制中心201，使地面控制中心201可以根据发生状况的收发机205所在的具体 位置，组织营救工作或采取相应的措施。请参见图6,其为本发明实施例的一种井下监控方法流程图。S601:设置地面控制中心。S603:在矿井中的各个重要检测点设置复数个基站。 S605:在井下的移动目标上设置复数个收发机。 S607:通过基站监测矿井中的各种环境参数。 S609:将移动目标的位置及状态信息发送至基站。S611:基站通过LonWorks现场总线将监测到的井下各种环境数据与井下 移动目标的位置及状态数据发送至地面控制中心并接收地面控制中心发送的 控制信号。本发明因在井下监控系统中采用了 LonWorks现场总线，因此基站与地面 控制中心的通讯速度是采用传统总线时的2至5倍，性能稳定可靠，且在井 下的通讯距离不限，使整个系统保证持续运行的高可靠性和稳定性，确保了 井下工作人员的安全。并且，LonWorks现场总线的通信协议是符合国际标 准化组织(ISO )定义的开放互连(OSI )模型，任何制造商的产品接入LonWorks 现场总线后都可以实现互操作，因此本发明中的设备具备了兼容性，不受供应商的限制，同时使系统可以适应快速发展的信息技术的变化。本发明所采用的LonWorks现场总线可用任何媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光 纤、同轴电缆、无线电波、红外线等，基站间2芯通讯电缆可以串联、星形 及环型无极性任意连接，即使单根断线也能正常通讯。本发明的基站与收发 机间采用无线双向通讯，井下人员在危急时刻可以发出紧急求助，同样，在 矿井内的环境参数不符合作业标准时，监控中心可以通过基站向收发机发送 报警命令，收发机以多种声、光等报警方式主动通知井下人员撤离，可以大 大减小矿井内发生事故的几率。以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任 何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。
权利要求
1、一种井下监控系统，其特征在于，包括一地面控制中心，用以对井下环境进行监测并对井下移动目标进行定位、跟踪以及考勤；复数个基站，设置于矿井中的各个重要检测点，该些基站之间通过通讯电缆相连，且该些基站通过通讯电缆连接至该地面控制中心，该些基站之间及该些基站与该地面控制中心之间采用LonWorks现场总线技术进行数据传输，该些基站用以监测矿井中的各种环境参数与井下移动目标的位置及状态，并将监测到的井下环境数据与井下移动目标的位置及状态数据发送至该地面控制中心以及接收该地面控制中心发送的控制信号，其中每个基站包括一无线通讯模块，用以接收井下移动目标发送来的位置及状态信息及向井下移动目标发送控制及报警信号；一单片机，用以对井下环境参数数据进行处理；一神经元芯片，其具有三个控制数据传送且采用LonWorks通讯协议的处理器，该神经元芯片用以依靠其处理能力，将该些基站监测到的井下环境参数及井下移动目标的位置及状态通过通讯电缆以LonWorks现场总线技术传送到该地面控制中心，使该地面控制中心及时获取井下移动目标的位置与井下环境状态，并以LonWorks现场总线技术接收该地面控制中心通过通讯电缆传送给该些基站的指令及信号数据，以使该无线通讯模块及时向井下移动目标发送控制及报警信号；复数个传感器，外接于该些基站，用以监测矿井中的各种环境参数；复数个收发机，设置于井下的移动目标上，其与该些基站进行无线双向通讯，用以将移动目标的位置及状态信息发送给该些基站并通过该些基站采用LonWorks现场总线技术将移动目标的位置及状态信息发送给该地面控制中心，以实现对井下移动目标的定位、跟踪以及考勤。
2、 如权利要求1所述的井下监控系统，其特征在于，每个收发机包括 一天线；一报警装置，用以产生一求助信号或一报警信号；一射频信号发生芯片，用以将该求助信号进行调制并产生一射频信号， 以及通过天线发送给该些基站。
3、 如权利要求1所述的井下监控系统，其特征在于，该地面控制中心包括一监控主机，用以接收该些基站发送的井下各种环境数据及移动目标的 位置及状态数据，并进行分析与处理，以及根据分析与处理后的井下各种环 境数据及移动目标的位置及状态数据向该些基站发送控制信号；一通讯适配器，用以将在通讯电缆上采用LonWorks现场总线技术传输的 LonWorks信号与该监控主机发送与接收的RS232信号进行转换，并实现井上 非本安通信信号与井下本安通信信号之间的电气隔离。
4、 如权利要求3所述的井下监控系统，其特征在于，其还包括复数个防 雷栅，其分别设置于矿井口以及该通讯适配器与通讯电缆之间，用以保护井 下设备和地面控制中心不受雷击。
5、 如权利要求3所述的井下监控系统，其特征在于，该地面控制中心包 括一备用主机，用以在该监控主机出现故障影响系统正常运行时，立刻代替 该监控主机并投入工作。
6、 如权利要求1所述的井下监控系统，其特征在于，其还包括复数个隔 爆兼本质安全电源箱，每个隔爆兼本质安全电源箱与一个基站相连，用以为 该些基站提供本质安全型电源。
7、 一种井下监控方法，其特征在于，包括以下步骤 设置一地面控制中心；在矿井中的各个重要检测点设置复数个基站； 在井下的移动目标上设置复数个收发机；通过该些基站监测矿井中的各种环境参数和移动目标的位置及状态信白-. "、 5该些基站采用LonWorks现场总线技术通过通讯电缆将监测到的各种环 '境数据与井下移动目标的位置及状态数据发送至该地面控制中心并接收该地面控制中心发送的控制信号；基站将该地面控制中心发出的各种命令，及时发出报警及控制信号。
8、 如权利要求7所述的井下监控方法，其特征在于，该些基站与该地面 控钊中心传输数据时还包括以下步骤设置一通讯适配器；该通讯适配器接收井下该些基站发来的LonWorks通讯信号，将 Lon Works通讯信号解调成RS-232C信号传送给该地面控制中心，并将该地 面控制中心输出的RS-232C信号经调制成LonWorks通讯信号发送给井下该 些基站，并实现井上非本安通信信号与井下本安通信信号之间的电气隔离。
9、 如权利要求7所述的井下监控方法，其特征在于，该些基站与该些收 发才几采用无线双向通讯。
10、 如权利要求7所述的井下监控方法，其特征在于，该地面控制中心 接收到移动目标的位置及状态数据后，根据其中的场强变化信息确定移动目标精确位置。
全文摘要
本发明提出一种井下监控系统，包括地面控制中心，复数个防雷栅、复数个基站、复数个隔爆兼本质安全电源箱，复数个传感器、通讯电缆以及复数个收发机。复数个基站设置于矿井中的各个重要检测点，地面中心控制系统与基站之间采用通讯电缆连接，以LonW orks现场总线方式进行传输，其中每个基站包括无线通讯模块、单片机以及神经元芯片。无线通讯模块用以与收发机进行射频无线双向通讯，并接收井下移动目标的位置及状态信息。单片机用以处理所监测的各种环境参数。神经元芯片用以通过LonWorks现场总线与地面控制中心传输数据。复数个收发机设置于井下的移动目标上，其与基站进行无线双向通讯。本发明可以使井下作业更安全、可靠。
文档编号H04L12/28GK101222399SQ20081003321
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月29日 优先权日2008年1月29日
发明者宏 朱, 段会军, 王书智, 谢昌纲 申请人:上海约翰芬雷自动化系统有限公司