基于无线Mesh自组网的煤矿应急救援指挥系统及方法与流程

本发明涉及一种基于无线Mesh自组网的煤矿应急救援指挥系统及方法，属于无线通信技术的领域。

背景技术：

长期以来，我国煤矿应急救援技术的发展相对缓慢，事故发生后，为防止二次事故，煤矿井下电力供应完全切断，已有的各种监控通讯系统设备无法正常使用，加上井下灾区条件与环境的险恶性，复杂性，使得救护队员不能向井下救护基地和应急救援指挥中心准确、实时、有效的反映灾区现场情况，并且救护队员必须快速的完成侦查并撤出灾区，侦查数据的持续性无法保障，灾区变化特征及灾情演化规律无法准确判断，在很大程度上影响了救灾抢险指挥决策。

目前，我国井下安全监测监控及通信系统主要着眼于事故预警和事故发生时的应急处理，灾后备用2小时的工作时间，但是有线（光缆）通信极易破坏。对于灾后救援研究不够深入，煤矿应急救援以有线通信为主要方式，灾后一旦线缆损坏，将导致通信中断，救援缺乏通信支持。导致灾后救援不能及时准确地判断井下人员设备的位置情况，浪费宝贵的黄金救援时间，灾后救援急需高性能的无线通信系统。而且灾后井下环境复杂，现有应急救援通信装置无法及时、准确的反映灾变位置的环境参数，无法为应急救援提供有效人员位置信息，不利于应急救援方案的制定。因此，井下灾后应急救援通信系统还需要进一步的研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于无线Mesh自组网的煤矿应急救援指挥系统及方法，解决现有技术的应急通信系统无法及时、准确的反映灾变位置的环境参数，无法为应急救援提供有效人员位置信息的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

基于无线Mesh自组网的煤矿应急救援指挥系统，包括：

应急救援指挥中心，用于接收和显示来自通信中继发送的反馈数据，及根据反馈数据分析，并生成音频数据发送至通信中继中无线通信模块；

若干个通信中继，所述每个通信中继包括无线通信模块、第一无线Mesh组网模块、第一人员定位模块、第一控制模块、语音通信模块；所述无线通信模块，用于与应急救援指挥中心建立通信链路，及接收来自应急救援指挥中心发送的音频数据；所述无线Mesh组网模块，用于组网建立无线Mesh局域网，及通过无线Mesh局域网接收救援监控终端发送的监测数据；所述第一人员定位模块，用于对人员位置定位获得位置坐标数据；所述语音通信模块，用于将无线通信模块接收的音频数据转码后播报，且获取当前携带人员的音频数据；所述第一控制模块，用于控制无线通信模块将接收的人员位置坐标数据和当前携带人员的音频数据、救援监控终端发送的监测数据作为反馈数据发送至应急救援指挥中心；

救援监控终端，包括灾区环境信息采集模块、第二人员定位模块、第二无线Mesh组网模块、第二控制模块、语音通信模块；所述灾区环境信息采集模块，用于采集煤矿井下灾后的环境参数数据；所述第二人员定位模块，用于对终端区域人员所在位置进行定位获得位置坐标数据；所述第二控制模块，用于控制第二无线Mesh组网模块将连接至任意一个通信中继所建立的无线Mesh局域网，接收来自所连接的通信中继发送的当前携带人员的音频数据，并控制语音通信模块将当前携带人员音频数据播报和录入救援人员的音频数据，及控制第二无线Mesh组网模块将环境参数数据、终端区域人员所在的位置坐标数据、录入救援人员的音频数据作为监测数据发送至通信中继。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述救援监控终端还包括射频识读模块，用于识读所在位置范围内的救援人员配置的射频卡，获得救援人员身份信息。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述射频识读模块采用RFID识读模块。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述通信中继中无线通信模块采用GPRS通信模块。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述灾区环境信息采集模块包括风速传感器、温度传感器、H₂S传感器、瓦斯浓度传感器、CO传感器和O₂传感器。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述通信中继中第二控制模块采用MSP430微处理器。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述通信中继和救援监控终端在建立无线Mesh局域网中同时作为AP和路由器。

在此基础上，本发明还提出基于无线Mesh自组网的煤矿应急救援指挥方法，该方法基于应急救援指挥中心、通信中继及救援监控终端，包括以下步骤：

应急救援指挥中心建立与每个通信中继之间的通信链路，及通过通信链路将生成的音频数据发送；

所述通信中继接收和播报来自应急救援指挥中心发送的音频数据，且获取和向救援监控终端发送当前携带人员的音频数据；并通过建立的无线Mesh网络接收救援监控终端发送的监测数据；以及对人员位置定位获得位置坐标数据，并将人员位置坐标数据和当前携带人员的音频数据、救援监控终端发送的监测数据作为反馈数据发送至应急救援指挥中心；

所述救援监控终端采集煤矿井下灾后的环境参数数据和定位获得终端区域人员所在的位置坐标数据；并接收和播报来自所连接的通信中继发送的当前携带人员音频数据，并录入救援人员的音频数据，将所得环境参数数据、终端区域人员所在的位置坐标数据、录入救援人员的音频数据作为监测数据发送至通信中继；

所述应急救援指挥中心接收来自通信中继发送的反馈数据，并对反馈数据分析和显示。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的基于无线Mesh自组网的煤矿应急救援指挥系统及方法，通过Mesh自组网技术，可将便携式救援监控终端投放到井下主巷道和灾区各关键位置，利用无线Mesh自组网技术在便携式通信中继打开后，基站内的无线Mesh自组网模块进行自动配置，搜寻周围无线Mesh自组网模块并实现自组网，救援监控终端可自行加入所在位置的便携式通信中继组建的无线Mesh网络，能够快速方便的建立灾后井下应急救援指挥系统，可实时监测井下巷道及灾变位置环境参数数据，而且可以实时定位井下人员位置，应急救援指挥中心可实时接收和显示通信中继的反馈数据，便于救援指挥人员制定实施救援方案。本发明基于无线Mesh自组网的煤矿井下应急救援指挥系统及方法，能够实时有效的获取灾区环境信息，并能够随时随地进行救援指挥部和救护队员的无线音频通信，摆脱了有线连接的困扰，为灾区应急救援指挥决策提供了有力的帮助。

本方案从煤矿井下灾害环境的特殊性及救援工作的安全性出发，提出一种基于Mesh自组网的煤矿井下应急救援系统，该系统可以快速建立一套应急通信链路，实现井下远端灾区目标位置环境状况的实时监测，如瓦斯浓度、H₂S浓度、温度等各种环境参数以及巷道通风情况，为井下救援工作提供科学的决策依据，也为防止井下事故的再次发生和救援人员的人身安全提供了良好的保障作用。

附图说明

图1为本发明的基于无线Mesh自组网的煤矿应急救援指挥系统的模块示意图。

图2为本发明的救援监控终端的模块示意图。

其中，附图标记解释：1-应急救援指挥中心，2-光纤通信链路，3-便携式通信中继，4-无线Mesh网络，5-救援监控终端，6-射频卡。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了基于无线Mesh自组网的煤矿应急救援指挥系统，包括：应急救援指挥中心1、若干个便携式通信中继3和用于人员携带的救援监控终端5。应急救援指挥中心1既可以放在地面亦可以放在井下应急救援指挥部，便携式通信中继可设置于救灾路线上；同时，救援监控终端5也可以由多个组成，监测灾区附近多个地点。

其中，应急救援指挥中心1，用于通过连接的通信中继中无线通信模块接收和显示来自通信中继发送的反馈数据，及根据反馈数据分析，并生成音频数据发送至通信中继中无线通信模块。

若干个通信中继3，所述每个通信中继3包括无线通信模块、第一无线Mesh组网模块、第一人员定位模块、第一控制模块、语音通信模块；所述无线通信模块，用于与应急救援指挥中心建立通信链路，及接收来自应急救援指挥中心发送的音频数据；所述无线Mesh组网模块，用于组网建立无线Mesh局域网，及通过无线Mesh局域网接收救援监控终端发送的监测数据；所述第一人员定位模块，用于对人员位置定位获得位置坐标数据；所述语音通信模块，用于将无线通信模块接收的音频数据转码后播报，且获取当前携带人员的音频数据；所述第一控制模块，用于控制无线通信模块将接收的人员位置坐标数据和当前携带人员的音频数据、救援监控终端发送的监测数据作为反馈数据发送至应急救援指挥中心；

所述救援监控终端5，其结构如图2所示，包括灾区环境信息采集模块、第二人员定位模块、第二无线Mesh组网模块、第二控制模块、语音通信模块；所述灾区环境信息采集模块，用于采集煤矿井下灾后的环境参数数据；所述第二人员定位模块，用于对终端区域人员所在位置进行定位获得终端位置坐标数据；所述第二控制模块，用于控制第二无线Mesh组网模块将连接至任意一个通信中继所建立的无线Mesh局域网，接收来自所连接的通信中继发送的当前携带人员音频数据，并控制语音通信模块将当前携带人员音频数据播报和录入救援人员的音频数据，及控制第二无线Mesh组网模块将环境参数数据、终端区域人员所在的位置坐标数据、录入救援人员的音频数据作为监测数据发送至通信中继。

因此，应急救援指挥中心1建立与每个通信中继3之间的通信链路，采集中继发送的反馈数据，包括人员位置坐标数据和当前携带人员的音频数据、救援监控终端发送的监测数据，所述监测数据又包括环境参数数据、终端区域人员所在的位置坐标数据、录入救援人员的音频数据，由此使得灾区环境和救护人员的音频均可反馈，确定灾区人员的位置信息；通过通信链路将音频数据发送至中继；通过分析灾区的实时反馈数据，确定灾区灾情演化规律并指导救灾决策。

以及系统中，所述应急救援指挥中心1设置在煤矿调度中心，亦可设在井下指挥部，可以实时显示井下灾变环境状况以及人员定位信息，并且能够根据反馈的数据生成音频数据，可实现音频通信，便于救援指挥人员制定安全高效的救援方案。优选将便携式通信中继3安装在井口及立井，在立井内每隔100m投放一个便携式通信中继。优选地，所述通信中继中无线通信模块采用GPRS通信模块，井口便携式通信中继与应急救援指挥中心之间用GPRS通信网络2进行通信链路相连。如采用远距离高频GPRS调制解调模块型号为nRF24L01PA+LNA。并且，系统各通信中继的电源供电时间不低于72小时（黄金救援时间），实际可设计为96小时，但本发明不限于该种方式。

并且，所述便携式通信中继3和救援监控终端5在无线Mesh局域网4中可同时作为AP和路由器，无线Mesh网络中的AP是无线连接的，而且AP间可以建立多跳的无线链路，由此可以增强无线传输的有效性和可靠性。

进一步地，所述灾区环境信息采集模块可以包括风速传感器、温度传感器、H₂S传感器、瓦斯浓度传感器、CO传感器和O₂传感器中的任意一个或多个，本发明不对其进行限制。通过风速传感器可以采集煤矿井下的风速；温度传感器、H₂S传感器、瓦斯浓度传感器、CO传感器和O₂传感器分别可以采集煤矿井下内的温度、H₂S气体、瓦斯浓度、CO和O₂ 等数据。采集完毕后由控制模块控制完成数据的传输。

为了防止煤矿井下的网络信号传输不稳定，系统还可以增设射频识读功能，结合射频技术完成定位，具体地，所述救援监控终端还包括射频识读模块，用于识读所在位置范围内的救援人员配置的射频卡6，获得救援人员身份信息；其中射频卡6内存储人员身份数据；所述射频识读模块识读所在位置范围内的射频卡获得救援人员身份数据；所述第二控制模块控制第二无线Mesh组网模块，将获得的救援人员身份数据发送至所连接的通信中继上。由此可以直接采集携带救援监控终端的人员身份数据，同时将其附近位置内的人员身份数据一并获取后返回通信中继后传输至应急救援指挥中心，应急救援指挥中心接收后显示，完成监控。

所述射频识读模块采用RFID识读模块。利用RFID射频识读基础，在短距离下具备稳定传输，且识别速度快，可以高效率地完成识读功能。

以及，救援监控终端内的无线Mesh组网模块采用Strix Mesh本安型通信模块，能够自动搜寻周围无线收发设备并建立无线链路。所述第二控制模块CPU为MSP430F149微处理器。

由此，便携式通信中继与救援监控终端之间通过无线Mesh自组网技术建立井下应急救援通信网络。便携式的救援监控终端中的数据采集模块自动采集灾区周围的CO、温度和风速等环境参数和定位模块获取位置坐标数据，并通过Mesh网络实时传输给通信中继。

在上述系统的基础上，本发明还提出一种基于无线Mesh自组网的煤矿井下救援应急通信方法，包括以下步骤：

步骤1、应急救援指挥中心建立与每个通信中继之间的通信链路，及通过通信链路将生成的音频数据发送；在井下发生瓦斯煤尘爆炸后，为了便于应急救援指挥中心制定和实施救援策略，需要重建灾后应急救援通信网络链路。救援人员首先将地面指挥中心与井口便携式通信中继用通信链路连接，如可以用GPSR通信网络或光纤通信网络。将立井井口便携式通信中继设备开关打开。

步骤2、所述通信中继接收和播报来自应急救援指挥中心发送的音频数据，使得应急救援指挥中心与通信中继之间可以远程通话。并对人员位置定位获得位置坐标数据，且获取和向救援监控终端发送当前携带人员的音频数据；并且，通过建立的无线Mesh网络接收救援监控终端发送的监测数据；以及，将人员位置坐标数据和当前携带人员的音频数据、救援监控终端发送的监测数据作为反馈数据发送至应急救援指挥中心；

将便携式通信中继悬挂在立井上，每两个便携式通信中继之间间隔100米，在悬挂便携式通信中继的同时打开便携式通信中继。在便携式通信中继打开后，基站内的无线Mesh自组网模块进行自动配置，搜寻周围无线Mesh自组网模块并实现自组网，无法搜寻到网络时，基站生成报警提示反馈至地面指挥中心。

步骤3、所述救援监控终端采集煤矿井下灾后的环境参数数据和定位获得终端位置坐标数据；并接收和播报来自所连接的通信中继发送的当前携带人员音频数据，并录入救援人员的音频数据，将所得环境参数数据、终端位置坐标数据、录入救援人员的音频数据作为监测数据发送至通信中继。

救援人员深入井下开展救援时，沿巷道安装随身携带的便携式救援监控终端，根据灾区情况可设置多组，并打开设备。救援监控终端内的无线Mesh自组网模块进行自动配置，搜寻周围安装有无线Mesh自组网模块并实现无线局域网的组建，救援监控终端搜寻所在范围内的无线Mesh网络并实现与对应便携式通信中继自组网；救援监控终端将采集的煤矿井下灾后的环境参数数据和终端区域人员所在的位置坐标数据，发送至所连接无线Mesh网络中的便携式通信中继上。如便携式救援监控终端中自动采集灾区周围的CO、温度和风速等环境参数和获取终端位置坐标数据，并通过Mesh网络实时传输给便携式通信中继。以及，通过无线Mesh网络接收和播报来自所连接的通信中继发送的当前携带人员音频数据。在此过程中，还可以直接录入救援人员的音频数据，并将其发送至通信中继，使得救援人员与通信中继之间可以远程通话。

步骤4、所述应急救援指挥中心接收和显示来自通信中继发送的反馈数据。

所述便携式通信中继将救援监控终端发送的监测数据通过通信链路反馈至应急救援指挥中心，由应急救援指挥中心进行分析和显示。应急救援指挥中心采集中继发送的反馈数据，包括人员位置坐标数据和当前携带人员的音频数据、救援监控终端发送的监测数据，所述监测数据又包括环境参数数据、终端区域人员所在的位置坐标数据、录入救援人员的音频数据，由此使得灾区环境和救护人员的音频均可反馈，确定灾区人员的位置信息；通过通信链路将音频数据发送至中继；通过分析灾区的实时反馈数据，确定灾区灾情演化规律并指导救灾决策。由应急救援指挥中心进行分析显示，并通过语音通话实现人机交互，便于救灾指挥人员确定最佳的应急救援技术方案。

综上，本发明的系统和方法，通过建立无线Mesh的网络，能够快速方便的建立灾后井下应急救援通信系统，可实时监测井下巷道及灾变位置环境参数数据，而且可以实时定位井下人员位置，应急救援指挥中心可实时接收和显示反馈数据，便于救援指挥人员制定实施救援方案。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。