技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种矿井灾害应急通信与监控系统，该系统涉及
传感器技术、无线通信技术等领域。
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、供电线缆以及井下监控设备造成破坏，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和现场情况，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与监控系统，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，同时可监控井下现场情况。实用新型内容
[0003] 本实用新型目的在于提供一种矿井灾害应急通信与监控系统。所述系统主要包括无线
节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备和井下无线终端设备；无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备内置
电池；需应急通信时，无线节点设备采用无线多跳通信方式组成应急无线通信网络，监控设备、语音设备、监视设备、显示设备和井下无线终端设备通过无线节点设备接入应急无线通信网络实现通信；应急通信可由监控设备、语音设备、监视设备、显示设备发起，也可由井下无线终端设备和井上的通信设备发起；无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备默认处于省电工作状态，处于省电工作状态的各设备可被相邻的其它设备激活，监控设备、语音设备、监视设备和显示设备还可定时自动激活；语音设备还可被手动激活。
[0004] 1.所述系统进一步包括：无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备底部紧贴安装平面固定，
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；底部材料采用具有良好导热特性的材料；无线节点设备的顶部材料采用没有无线
信号屏蔽作用的耐高温
隔热材料；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：无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备安装于巷道
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。
[0006] 3.所述系统进一步包括：无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备内置电池可使用
原电池也可使用
蓄电池。
[0007] 4.所述系统进一步包括：监控设备包括
温度传感器、一
氧化
碳传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器、空气
压力传感器、
湿度传感器、水浸传感器。
[0008] 5.所述系统进一步包括：语音设备包括呼叫按钮及语音采集和语音放大模
块，呼叫按钮用于紧急呼救，通过被激活的应急无线通信网络与井上设备建立数据传输链路，并通过语音采集模块采集
语音信号，通过语音放大模块播放语音信号，实现双向语音通信。
[0009] 6.所述系统进一步包括：监控设备和监视设备内置
定时器，当处于处于省电工作状态，可根据设定的定时时间自动激活，采集环境数据或视频图像数据，并自动通过激活的应急无线通信网络所采集数据上传。
[0010] 7.所述系统进一步包括：显示设备用于显示接收到的图形和文本信息；显示设备具有查询按钮，查询按钮用于查询接收到的图形或文本。
[0011] 8.所述系统进一步包括：井下无线终端设备包括手机、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。
附图说明
[0012] 图1矿井灾害应急通信与监控系统实施示意图1。
[0013] 图2矿井灾害应急通信与监控系统实施示意图2。
[0014] 图3无线节点等设备安装和剖面结构示意图。
[0015] 图4无线节点设备原理组成示意图。
[0016] 图5监控设备原理组成示意图。
[0017] 图6语音设备原理组成示意图。
[0018] 图7监视设备原理组成示意图。
[0019] 图8显示设备原理组成示意图。
[0020] 图9井下的无线移动终端设备发起通信的系统工作
流程图。
[0021] 图10井下设备上传数据的系统工作流程图。
[0022] 图11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] 所述通信与监控系统的具体实施方式1如图1所示，组成包括：
[0024] 1.监控终端(101)，通过无线通信网络与井下无线移动终端设备(106)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，同时负责无线通信网络的建立与管理。
[0026] 3.无线节点设备(103)，负责组建无线通信网络；默认处于省电工作状态，可被无线移动终端设备(105)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。
[0027] 4.(104)包括：井下监控设备、语音设备、监视设备或显示设备。
[0028] 5.无线移动终端设备(105)，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(103)。
[0029] 图2所示为所述通信与监控系统在斜井、平硐的实施方式示意图。
[0030] 图3为无线节点设备等设备安装和剖面结构示意图，包括：
[0031] 1.锚杆(301)，用于固定安装无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备、显示设备，深入巷道壁内部，使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。
[0032] 2.设备外壳底部(302)，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。
[0033] 3.设备外壳顶部(303)，呈流线型，无线节点设备的外壳顶部材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温隔热材料，并具有防水功能。监视设备和显示设备外壳顶部材料采用透明材料。
[0034] 4.
主板固定
铜柱(304)，用于
支撑和固定无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备或显示设备的主板(303)，共4个，固定在设备底部。
[0035] 5.电池(305)，安装在设备外壳底部。
[0036] 6.主板(306)，包括无线节点设备、监控设备、语音设备、监视设备或显示设备的除天线和按钮以外的核心组成元部件，安装在电池上方，与电池间隔一定的距离。
[0037] 7.通信天线(307)，FPC板型天线采用柔性专用转接线与主板上的IPX
接口连接。
[0038] 如图4所示为无线节点设备的
硬件组成示意图，主要组成包括：
[0039] 1.处理器(401)，采用Atheros AR7161无线网络处理器，工作
频率600Mhz。
[0040] 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。
[0041] 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。
[0042] 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。
[0043] 5.电源单元(405)：包括电池、
电压转换部分，电池使用原电池或蓄电池，蓄电池应具有防反接功能，具有内部保护
电路外。电压转换负责将电池
输出电压转换为其它单元元件所需电压，采用MAX1724电源芯片。
[0044] 图5为监控设备原理结构示意图，监控设备可搭载温度传感器、
一氧化碳传感器、二氧化碳传感器、甲烷传感器、氧气传感器、空气压力传感器、湿度传感器、水浸传感器中德一个或多个传感器，所有传感器均为模块，具有排针接口，通过排针插座与采集板连接，获得电源供电，并将所采集的
模拟信号输出到处理器支持A/D转换I/O接口上。监控设备包括：
[0045] 1.处理器(501)，采用三星S3C2440处理器，S3C2440是基于ARM920T
内核的
微处理器，具有3个UART接口，2个SPI接口，2个USB接口，1个IIC-BUS接口，集成8通道10位CMOS A/D转换器，由于内置A/D转换器，可直接采集模拟量输出的
传感器数据；搭载Linux系统。
[0046] 2.存储单元(502)；包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。
[0047] 3.无线通信模块(503)，采用无线网卡设备，具有IPX天线接口，采用FPC板型内置天线，通过柔性专用转接线与IPX接口连接，最大增益不小于3.5dBi；由Linux及设备驱动程序提供支持。
[0048] 4.电源单元(504)：包括电池、电压转换部分，电池使用原电池或锂离子蓄电池，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。当使用蓄电池时，需电池充
放电管理部分，电池充放电管理核心芯片采用CS0301锂电池充电管理芯片。处理器控制传感器供电，在省电模式下不为传感器供电。
[0049] 5.一氧化碳传感器(505)，采用ME2-C0一氧化碳传感器模块，量程范围0至1000ppm。
[0050] 6.二氧化碳传感器(506)，采用MG811二氧化碳
气体传感器模块，量程范围0至10000ppm。
[0051] 7.氧气传感器(507)，采用ME3-O2氧气传感器模块，量程范围0至30％。
[0052] 8.甲烷传感器(508)，采用MQ-4甲烷传感器模块，量程范围300至10000ppm。
[0053] 9.温度传感器(509)，采用DS18B20温度传感器模块，量程范围-55摄氏度至+125摄氏度。
[0054] 10.湿度传感器(510)，采用AM2301传感器模块，使用IIC-BUS接口，可直接采集数字数据，无需A/D转换。
[0055] 11.水浸传感器(511)，用于检测巷道浸水情况，采用多路输入水浸传感器，每路对应安装1组
探头；探头安装于巷道壁，探头数目不少于2组，即水浸传感器不少于2路输入；探头由低到高顺序安装，每组探头间隔不小于5厘米，最低一组探头距巷道底部距离不大于5厘米，探头
串联电阻，将探头感应回路有水和无水的电阻值变化转换为处理器(501)可采集的电压变化信号。
[0056] 图6为语音设备原理结构示意图，主要包括：处理器(601)、存储单元(602)、无线通信模块(603)、电源单元(604)、麦克
风(605)、扬声器(606)和按键(607)。其中处理器(601)、存储单元(602)、无线通信模块(603)、电源单元(604)与监控设备方案完全相同，主要采用S3C2440平台方案。麦克风(605)连接处理器(601)引出的Mic接口，用于采集语音信号。扬声器(606)连接处理器(601)引出的Phone接口，用于语音信号放大输出。使用一个按键(607)作为呼叫按钮，用于紧急呼叫。
[0057] 图7为监视设备原理结构示意图，主要包括：处理器(701)、存储单元(702)、无线通信模块(703)、电源单元(704)、数字摄像机(705)。监视设备的处理器、存储单元、无线通信模块、电源单元基本设计方案与监控设备、语音设备相同，主要采用S3C2440平台方案。数字摄像机(705)，采用具有数字视频压缩功能的USB口数字摄像机，由Linux及设备驱动程序提供支持。
[0058] 图8为显示设备原理结构示意图，主要包括：处理器(801)、存储单元(802)、无线通信模块(803)、电源单元(804)、显示屏(805)、按键(806)。显示设备的处理器、存储单元、无线通信模块、电源单元基本设计方案与监控设备、语音设备相同，主要采用S3C2440平台方案。显示屏(805)采用4.3寸LCD显示屏，由Linux提供图像、文字和图形驱动。使用两个按键(806)作为查询按钮，用于查询接收到的图形和文本。
[0059] 应急通信时，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9所示：
[0060] 1.(901)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。
[0061] 2.(902)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。
[0062] 3.(903)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。
[0063] 4.(904)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(1207)；如被呼叫设备的路由级数较低，则执行(1205)；如被呼叫设备的路由级数较高则执行(1206)。
[0064] 5.(905)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。
[0065] 6.(906)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。
[0066] 7.(907)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。
[0067] 8.(908)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。
[0068] 9.(909)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。
[0069] 10.(910)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。
[0070] 如按下语音设备呼叫按钮，或监控设备、监视设备定时上传数据时间到了，发起上行通信，所述系统的工作流程如图10所示：
[0071] 1.(1001)请求与监控终端建立链路。
[0072] 2.(1002)最近的无线节点设备接收网络链路建立请求，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。
[0073] 3.(1003)依次唤醒上行方向上处于省电状态的无线节点设备。
[0074] 4.(1004)建立呼叫设备和监控终端之间的网络链路。
[0075] 5.(1005)呼叫设备和监控终端通过网络链路进行通信。
[0076] 6.(1006)呼叫设备主动结束通信断开网络链路。
[0077] 7.(1007)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。
[0078] 应急通信时，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11所示：
[0079] 8.(1101)井上设备呼叫井下的无线移动终端设备。
[0080] 9.(1102)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。
[0081] 10.(1103)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。
[0082] 11.(1104)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。
[0083] 12.(1105)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。
[0084] 13.(1106)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。
[0085] 14.(1107)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。
[0086] 15.(1108)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。
