背景技术
建立煤矿井下完善的监控体系和精确的人员定位系统是目前贯彻以“预防为主”的安全生产理念的前提条件。在井下要建立完善有效的监控体系，必须充分利用井下的移动载体资源。其中井下工作人员使用的矿灯是最好的资源。因为工作人员本身是井下分布式的智能移动载体；同时每天矿灯都必须到地面充电，利用这个有利条件，可以通过自动标定方式解决低成本传感器的测量精度问题。井下监控的传感器数据本身要发送到地面工作站，因此可以利用通过无线发送的传感器数据进行井下工作人员的定位，为出现紧急事故时，提供救援的依据。目前一些专利涉及了这方面的研究。
专利CN201408358Y提出了一种基于无线传感器网络的矿井监控设备。但是该设备在实际中无法应用：(1)没有解决传感器的标定，因此容易经常导致误报；(2)没有有效的定位方案。
专利CN101621431A煤矿井下无线传感器网络节点设备。提出了基于无线传感器网络的人员定位和环境监测的硬件平台。但该设备没有解决有效的利用矿井现有条件组网问题，因为无线信号在井下干扰大，有时无法发送数据，导致矿井监控不利。关键的传感器固定节点应该采用有线通讯方式。同时该设备没有解决基于融合方法的定位问题。
专利CN201007797Y一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度动态监测系统。与专利CN201408358Y一样，(1)没有解决传感器的标定，因此容易经常导致误报；(2)没有有效的定位方案。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供一种基于移动载体的矿井井下无线监控与定位系统智能终端，能利用无线监控与定位系统智能终端的无线网络，采用自动标定方法，无需人工干预，解决气体传感器的精度问题，使低成本的催化燃烧气体传感器能大规模用于矿井监控。将监控、定位、照明、警报、灯光信号通讯有效结合，集成在一起，成为井下工作人员随身携带的设备。通过连续LED变色技术，实现LED灯光的高分辨率显示，显示的颜色达到1670万种，用于光通讯，形成不同的报警信号、不同的井下工作人员分类。
本发明是这样实现的：一种基于移动载体的矿井井下无线监控与定位系统智能终端，其特征在于：包括核心处理器、分别与核心处理器相连的ZigBee无线模块、催化燃烧气体传感器、LED驱动模块、LED灯控制开关、电源，所述ZigBee无线模块、催化燃烧气体传感器、LED驱动模块还分别与电源相连。
所述电源由电源转换模块、锂电池组成，所述锂电池与电源转换模块相连，所述电源转换模块分别与ZigBee无线模块、催化燃烧气体传感器、LED驱动模块相连。
所述LED驱动模块包括两路驱动，一路为驱动用于照明的大功率白光LED，另一路为驱动用于光通讯的小功率变色LED。
所述用于光通讯的LED通过连续LED变色技术实现，即将每个LED的红、绿、蓝分成256个等级，形成256×256×256＝1670万种颜色，组成报警信号和分类，其中红、绿、蓝的等级划分是通过调节PWM的占空比完成。
本发明中的基于移动载体的矿井井下无线监控与定位系统智能终端，放置在井下工作人员的矿灯中，实现监控、定位、照明、警报、灯光信号通讯有效结合。本发明主要由硬件和软件组成。硬件包括核心处理器、ZigBee无线模块、LED驱动模块、催化燃烧气体传感器、LED灯控制开关、电源转换模块、锂电池组成。软件主要包含对传感器信号的处理、LED灯的驱动和控制、无线信号的接收和发送、催化燃烧气体传感器的自动标定。移动载体发送的传感器数据本身就是定位的无线信号。
在基于移动载体的矿井井下无线监控与定位系统智能终端中，ZigBee无线模块、智能LED驱动模块、催化燃烧气体传感器、LED灯控制开关的控制是通过核心处理器来实现的。
ZigBee无线模块收到无线数据时，能触发核心处理器软件中的中断，接收到的无线数据的分析是在无线接收中断中进行的。
核心处理器设定定时器中断，采集AD口的值，作为环境气体含量信息，然后打包通过无线网络发送给无线基站。
LED驱动模块包括两路驱动，一路是驱动大功率白光LED，用于主照明。另一路LED主要用于光通讯，如警报显示、井下工作人员区分。用于光通讯的LED由四颗全色的LED组成。每个LED通过控制它的红(R)、绿(G)、蓝(B)来实现，红(R)、绿(G)、蓝(B)分别分成256个等级，因此能形成256×256×256＝1670万种颜色。通过选择其中对人敏感的256中颜色，来作为报警和区分信息的标志。
低成本的催化燃烧气体传感器采集井下工作人员经过巷道环境的气体信息，通过放大，输入到核心处理器的AD口。AD口的采集是在核心处理器的定时中断中进行的。
本发明的电源部分主要包括电源转换模块和锂电池，由于核心处理器和其它模块的电压不同、同时锂电池的电压不稳定，因此使用电源转换模块。电源转换模块能在锂电池的波动电压范围内稳定出不同的电压：3.3V、5V等。
在核心处理器中，也运行着自动标定程序。当无线信号收到无线标定的指令时，该程序采集智能终端催化燃烧气体传感器的数据与标定模块的值进行对比，调整催化燃烧气体传感器的参数。
本发明的有益效果是：(1)采用低成本的催化燃烧传感器用于矿井的监控，催化燃烧传感器最大的问题是频繁的标定，本发明利用无线监控与定位系统智能终端的无线网络，采用自动标定方法，无需人工干预，解决了气体传感器的精度问题。使低成本的催化燃烧气体传感器能大规模用于矿井监控。(2)在该智能终端中，监控、定位、照明、警报、灯光信号通讯有效结合，集成在一起，成为井下工作人员随身携带的设备。监控中传感器信号通过无线信号发送给无线基站，无线基站收到的传感器数据本身就作为定位的无线信号。(3)通过连续LED变色技术，实现LED灯光的高分辨率显示，显示的颜色达到1670万种，可用于光通讯。能形成不同的报警信号、不同的井下工作人员分类。(4)由于智能终端是井下工作人员井下作业必备的设备，因此建立在移动载体上的无线监控和定位是覆盖全矿区的分布式、移动式的智能监控与定位体系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明，以使本专业的技术人员在阅读后，能够进一步地掌握和理解本发明的结构特征。
根据图1，本发明基于移动载体的矿井井下无线监控与定位系统智能终端利用井下移动载体携带的设备，形成分布式移动智能监控与定位网络。本发明采用井下工作人员携带的矿灯，将矿井井下无线监控与定位系统智能终端设置在矿灯中。在煤矿井下，井下携带矿灯的工作人员就形成了一个分布式的测量网络。
在图1中，锂电池提供所有模块的电源，但是由于电池电压波动以及电池电压随电量降低而降低，因此通过电源转换模块先将电压转换为各种稳定的电压：3.3V，5V等。电源转换模块根据不同的模块电压要求，提供不同的电源给各种模块。供3.3V给ZigBee无线模块和核心处理器，供5V给催化燃烧气体传感器、LED驱动模块。
催化燃烧气体传感器采集移动载体经过区域的气体含量。由于传感器的信号微弱，需要通过放大处理，然后转化为核心处理器能采集的电压信号。
根据图2，本发明LED驱动模块包括两路驱动，一路是驱动大功率白光LED，用于主照明。另一路驱动小功率变色LED，主要用于光通讯，如警报显示、井下工作人员区分。用于光通讯的LED由四颗全色的LED组成。每个LED通过控制它的红(R)、绿(G)、蓝(B)来实现，红(R)、绿(G)、蓝(B)分别分成256个等级，因此能形成256×256×256＝1670万种颜色。通过选择其中对人敏感的256中颜色，来作为报警和区分信息的标志。红(R)、绿(G)、蓝(B)的256种颜色是通过3路PWM来实现的，将PWM的占空比分成256个等级，不同的PWM占空比，红(R)、绿(G)、蓝(B)有不同的等级。
核心处理器是智能软件的运行硬件平台，运行嵌入式软件。图3为嵌入式软件的结构图。嵌入式软件的工作流程是：首先初始化，进入主程序，在主程序中，先设定两个中断，一个是无线接收数据中断，另一个是定时中断。然后建立循环，在循环中，主要完成对按键的检测，不同的按键实现不同的LED灯光调节。在无线中断中，首先对收到的数据进行分析，不同的数据，执行不同的子程序。当数据是来自地面指挥中心的警报指令时，改变用于光通讯的小功率全色LED的颜色和显示。当数据是来自自动标定传感器的数据，此时修正移动载体上的传感器的参数，以便传感器能准确测定矿井巷道的气体参数。定时中断主要完成催化燃烧气体传感器的采集，并将采集的催化燃烧气体传感器数据发送给无线基站，同时也是作为定位的信号。
智能终端的气体传感器是采用低成本的催化燃烧气体传感器，因此要确保其精度，需要经常标定传感器的参数。本发明采用自动标定方法。图4表示地面传感器自动标定系统与本发明智能终端的无线通讯连接示意图。当智能终端从矿井到地面进行充电时，地面无线模块通过ZigBee无线模块将高质量经过标定的传感器数据发送给智能终端，智能终端接收到信号，此时将智能终端传感器采集的信号与接收的信号进行对比，修正催化燃烧气体传感器的参数。