[发明专利]一种地下矿井的无线传感网络系统及其应用

说明书

技术领域

矿井无线传感系统，特别是矿井人员定位、瓦斯监控、环境监控、短信通信系统。

背景技术

地下矿井的安全隐患有很多种。瓦斯爆炸是很常见的一种，当瓦斯浓度在特定空间积累到一定程度后，容易被引爆而发生爆炸。透水事故是另外一种，地下水在某些地点积累，可能在矿井作业过程中被打通，涌入巷道，发生事故。还有其他事故，不一一列举。

地下矿井的安全管理有两个方面，一是预防各类事故的发生，二是在事故发生后及时高效地组织救援，减小人员伤亡。为了能够更好的预防各类事故的发生，一套好的环境监测方案必不可少，另外也需要和井下人员实时沟通，也需要实时确定矿工的位置。在发生事故的风险超过一定阈值后，地上指挥人员可以启动预警方案，将人员撤出井下，之后启动排除隐患的机制。在事故发生后，人员定位系统和环境监测系统也可以协助指挥人员确定人员和事故的位置，为下一步救援工作提供可靠的参考数据。

环境监测系统主要包括传感器设备。传感器设备可以监测井下危险气体的浓度、井下温度、湿度、井下其他传感参数等。传感器系统也可以和井下环境控制设备联网，如通风设备等，实现自动化管理。

矿井下的人员定位系统主要是对井下人员的位置进行实时监控。现有的技术方案主要是用有线方式实现一个基站网络，人员携带无线标签和基站进行通信。有线方案成本高，布线复杂，在发生事故后网络不能自动恢复，人工修复的难度很大。现有的技术方案同时也要求有线电源接入基站，既增加了系统成本，又很难维护。

矿井下的人员通信系统是一种和井下人员实时通信的手段。现有的技术方案主要是语音系统，既有有线系统，也包括无线系统。现有系统的主要问题是系统独立，没有和其他系统结合起来，另外通信的带宽很高，多点同时通信的能力低。

本发明提供的解决方案可以将环境监测系统、人员定位系统以及人员通信系统有机结合起来成为一个系统。同时实现了所有基站电池供电。

发明内容

本发明中的矿井无线传感系统由以下几个部分组成，位于控制室的井上监控系统100，广泛分布于矿井巷道内的无线通信基站200，人员或者车辆所携带的无线标签300，环境监测传感器400，人员无线通信设备500，如附图1所示。位于控制室的井上监控系统100通过其无线接口160和井下的无线传感网络连为一体，成为整个网络的一部分。该无线接口可能直接安装于主控计算机上或者通过有线方式延伸到井下。该无线接口的有线连接方式可能是电缆或者光纤。

位于井下的无线传感网络系统的基站200之间通过射频进行无线通信。每个基站的射频可能覆盖多个其他基站。在基站当前的路由不能成功发送数据时，该基站可以启动路由重建机制，获得新的路由信息。这种重建路由机制的方法主要是基站广播路由搜寻信息，它周围的其他基站在收到广播信息后根据自身路由表的情况转发或者直接回复路由信息。

由基站200构成的通信路径是整个矿井无线传感网络系统的骨架。人员或者车辆携带的无线标签300，环境监测传感器400，人员无线通信设备500等都通过这个骨架网络将信息传递。主要的信息流向是井上和井下之间的通信，也可以在井下设备之间进行通信。

基站200由电池供电。系统采集基站的电池容量并实时传送到井上监控系统100。井上系统在电池容量低于特定阈值后，提醒维护人员更换相应基站的电池。

基站200可以周期性的进入睡眠状态，以节省功耗。基站之间传递同步帧，在系统睡眠之前或者睡眠苏醒后校准基站之间的时钟误差，其目的是消除累积误差造成的基站不能同步苏醒。

如附图1所示，无线标签300，环境监测传感器400，人员无线通信设备500在井下的数目可以是许多个。它们可能随机的分布在矿井中，或者布置在特定的区域。

矿井无线传感网络的无线接口的底层通信协议采用国际标准。其中无线个人局域网中的标准是首选。举例来说，IEEE802.15.4的标准是其中一种，可以用在本系统中。另外还有IEEE802.11也可以用在本系统中。特别是IEEE802.11的高带宽特性，可以使得人员通信设备500既可以实现短信功能，也可以实现语音功能。