一种煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统 技术领域 ：
本发明涉及煤矿井下安全检测技术领域， 特别涉及一种用于煤矿井下作业人员定 位、 实时安全监控与管理系统。 背景技术 ：
随着传感器技术、 嵌入式计算技术、 通信技术和半导体与微机电系统制造技术的 飞速发展， 具有感知、 计算存储和通信能力的微型传感器在军事、 工业、 农业和宇航各个领 域开始出现。 无线网络传感器是集传感器执行器、 控制器和通信装置于一体 ； 集传感与驱动 控制能力、 计算能力、 通信能力于一身的资源 ( 计算、 存储和能源 ) 受限的嵌入式设备。由 这些微型传感器构成的无线传感器网络能够实时监测、 感知和采集网络分布区域内的各种 监测对象信息， 并对这些信息进行处理， 传送给需要这些信息的用户。 传感器网络在军事侦 察、 环境信息、 检测、 农业生产、 医疗健康监护、 建筑与家居、 工业生产控制以及商业等领域 有着广阔的应用前景。
目前， 我国煤矿井下安全监控系统大多采用设备监控和人工监控相结合的方法， 此类安全监控系统在系统成本、 可靠性和人员安全方面有很大的不足之处。 首先， 基于有线 网络的安全监控系统由于需要建设有线传输系统， 因此在很大程度上限制了网络规模的扩 大。随着开采面的不断向前推进， 开采计划随井下煤炭的分布情况而变化， 基于有线网络 的安全监控系统的扩展跟不上开采的实际要求， 使得网络的数据可靠性和实时性得不到保 证， 难以确保重要的安全数据、 控制数据和井下仪表的检测数据及时的传输。 这就成为煤矿 安全监控系统采用有线网络为传输介质的最大不足。其次， 人工监控的方案是凭借专门人 员丰富的实际经验对危险情况的发生进行预测。由于该类专门人员数量有限， 同时考虑到 监察员对各个区域检查的随机性， 导致不可能覆盖井下所有区域。 而且， 瓦斯在空气中含量 高时可降低氧含量， 引起窒息， 亲自到达信息采 集点采集瓦斯信息， 还存在采集人员的人 身安全问题。 发明内容 ：
本发明目的是在于， 用来弥补现有技术的不足， 而提供一种采用无线传感器网络 通信方式， 实时监测、 传输和处理煤矿井下的温度、 湿度、 瓦斯浓度等数据， 对出现的瓦斯事 故进行预警和安全监控支持以及将井下环境参数和井下作业人员信息等数据在电子地图 上进行实时显示的煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统。
为了实现上述目的， 本发明的技术方案如下 ：
一种煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统， 其特征在于， 包括煤矿井上的安 全监控和信息管理网络、 煤矿井下的 ZigBee 无线传感器网络、 连接煤矿井上井下的 CAN 网 络， ZigBee 无线传感器网络包括 ZigBee-CAN 网关、 煤矿巷道的固定节点和煤矿井下作业人 员随身携带的移动终端， 固定节点将移动终端发送的数据以及自身采集的数据通过 ZigBee 传送至 ZigBee-CAN 网关， ZigBee-CAN 网关将这些数据通过 CAN 网络转发到安全监控和信息管理网络， 安全监控和信息管理网络对煤矿井下转发的数据进行收集、 分析最后得出要 向井下发布的发布信息， 发布信息通过 CAN 网络发往 ZigBee-CAN 网关， ZigBee-CAN 网关再 将发布信息通过 ZigBee 发往指定的固定节点， 固定节点将发布信息发往移动终端。
前述的一种煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统， 其中， 所述的移动终端包 括一煤矿井下定位与管理装置， 所述的煤矿井下定位与管理装置包括功率放大电路， 一能 够实现移动终端与固定节点间的通信的 ZigBee 收发器， 基于 RSSI 的定位算法能够计算煤 矿井下移动终端与固定节点距离的微处理器和能够显示地面的安全监控和信息管理网络 发布的指示与警告信息 ；
所述的功率放大电路的输入 / 输出端连接 ZigBee 收发器的输入 / 输出端， 所述的 ZigBee 收发器的输入 / 输出端连接微处理器的第一输入 / 输出端， 所述的微处理器第二输 入 / 输出端连接有显示及报警单元的输入 / 输出端， 所述的显示及报警单元所述的微处理 器的第三输入 / 输出端连接数据存储单元的输入 / 输出端， 所述的微处理器的一输入端分 别连接身份识别单元的输出端和定位单元的 输出端。所述的微处理器为 32 位 ARM 微处理 器。
前述的一种煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统， 其中， 显示及报警单元设 有图形化 LCD 显示模块和蜂鸣器。 前述的一种煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统， 其中， 数据存储单元存储 多个使用者的身份信息、 记录作业人员的行迹， 暂存安全监控和信息管理网络的发布信息。
前述的一种煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统， 其中， 数据存储单元使用 大容量的 SD 卡。
前述的一种煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统， 其中， 身份识别单元配备 有 RFID 读卡器。
所述的煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统， 其中， 32 位 ARM 微处理器内装 有传感器， 传感器是指纹传感器、 温度传感器、 湿度传感器、 瓦斯浓度传感器中的至少一种。
本发明采用无线传感器网络技术， 是一种以数据为中心的自组织无线网络， 网络 中的结点密集， 数量巨大且部署在十分广泛的区域 ； 网络拓扑结构动态变化， 网络具有自组 织和自调整特性 ； 并记录井下作业人员的行迹， 向地面安全监控中心上报进行作业人员信 息， 接收和显示安全监控中心发布的信息 ； 另外， 还可向使用者提供导航信息 ； 在井下人员 进行作业时， 地面的安全监控中心可能需要对其进行指示， 或在出现危险情况时向其发布 警告， 这些指示或警告信息都需要通过定位与管理装置展示给使用者。其确保了作业人员 的人身安全， 降低了事故发生， 同事具有成本低、 体积小、 功耗低、 安全可靠等特优点。
附图说明 ：
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图 1 为本发明煤矿井下安全监控系统网络结构图 ；
图 2 为本发明井下作业人员的安全监控与管理系统功能框图 ；
图 3 为本发明 ZigBee 收发器 CC2480 与微处理器连接示意图 ；
图 4 为本发明射频功能放大器 CC2591 功能示意图 ；
图 5 为本发明射频功率放大电路 ；图 6 为本发明 LCD 显示模块与微处理器的连接示意图 ；
图 7 为本发明 SD 卡与微处理器的连接示意图 ；
图 8 为本发明电源管理单元电路图。 具体实施方式 ：
为了使本发明实现的技术手段、 创作特征、 达成目的与功效易于明白了解， 下面结 合具体图示， 进一步阐述本发明。
参见附图 1 所示一种煤矿井下安全监控系统， 包括煤矿井上的安全监控和信息管 理网络、 煤矿井下的 ZigBee 无线传感器网络、 连接煤矿井上井下的 CAN 网络， ZigBee 无线传 感器网络包括 ZigBee-CAN 网关、 煤矿巷道的固定节点 ( 包括 ZigBee 路由器 / 节点和 ZigBee 节点 ) 和煤矿井下作业人员随身携带的移动终端。
移动终端内设有一煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统， 煤矿井下作业人员 的安全监控与管理系统是煤矿井下安全监控系统的重要部分， 是井下作业人员信息数据的 来源， 也是煤矿井上的安全监控和信息管理网络向作业人员发布信息的接收终端， 其主要 由 32 位的 ARM 微处理器 STM32F103、 集成片内协议栈的 ZigBee 收发器 CC2480、 射频功率放 大电路、 显示及报警单元、 身份识别单元、 定位单元、 数据存储单元和电源管理单元组成。
ZigBee 路由器 / 节点和 ZigBee 节点将煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统 发送的数据以及自身采集的数据通过 ZigBee 传送至 ZigBee-CAN 网关， ZigBee-CAN 网关将 这些数据通过 CAN 网络转发到安全监控和信息管理网络， 安全监控和信息管理网络对煤矿 井下转发的数据采用 Internet 网络发布相关信息， 安全监控和信息管理网络对井下的各 种数据进行收集、 分析， 并依次对井下安全状况作出判断， 最后将应对决策和预警信息向井 下作出发布信息， 发布信息通过 CAN 网络发往 ZigBee-CAN 网关， ZigBee-CAN 网关再将发布 信息通过 ZigBee 发往指定的 ZigBee 路由器 / 节点和 ZigBee 节点 ； 指定的 ZigBee 路 由器 / 节点和 ZigBee 节点无线通信给煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统。
参见附图 2 所示， 由于煤矿井下环境恶劣， 电磁环境复杂， 会影响到无线信号的传 输质量， 而且当某个 ZigBe 路由器 / 节点因某些原因如电力不足或矿井爆炸等退出网络时， 需要其他的 ZigBe 路由器 / 节点能够代替退出网络的 ZigBe 路由器 / 节点执行其在网络中 的功能， 因此煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统就需要功率放大电路增加其射频输 出功率， 增大网络覆盖范围。 本实施例中采用 CC2591 射频前端芯片作为功率放大器， 如图 4 所示功率放大电路的内部功能框图， 在功率放大电路的输入 / 输出端连接 ZigBee 收发器的 输入 / 输出端， ZigBee 收发器能够实现煤矿井下作业人员的安全监控与管理系统与 ZigBe 路由器 / 节点、 ZigBe 节点间的无线通信， 能够将井下人员位置、 井下的温度、 井下的湿度、 井下的瓦斯浓度信息通过 ZigBee 收发器无线通信给 ZigBe 路由器 / 节点 ； 该 ZigBe 路由器 / 节点将上述信息以及自身采集的数据通过 ZigBee 传送至 ZigBee-CAN 网关， ZigBee-CAN 网关将这些数据通过有线的现场总线 (CAN) 网络转发到安全监控和信息管理网络， 安全监 控和信息管理网络进过分析， 必要时发布导航信息。
当出现危险情况时发布警告信息， 所有这些信息通过 CAN 网络发往 ZigBee-CAN 网 关， ZigBee-CAN 网关再将该信息通过 ZigBee 发往指定的 ZigBee 路由器 / 节点和 ZigBee 节 点。
参见图 3， 井下人员定位与管理装置与煤矿井下的 ZigBee 网络间的通讯连接采用集成协议栈的 ZigBee 收发器 CC2480 来完成。CC2480 只需要很少的外围器件， 且该器件集 成了全功能 ZigBee 协议栈， 从而减少开发时间并简化了 ZigBee 功能。 CC2480 能够通过 SPI 或 UART 接口与各种 MCU 通信， 其典型应用电路如图 3 所示。Z-stack 软件 ZigBee-2006 协 议栈可以在 ZigBee 处理器上运行， 而应用程序则能在外部 MCU 上运行。 CC2480 能够处理所 有时序关键型与处理密集型 ZigBee 协议任务， 而将应用 MCU 的资源占用的空间释放出来用 于满足其他程序的要求。
上述 ZigBee 收发器的输入 / 输出端连接 32 位 ARM 微处理器的第一输入 / 输出 端， 32 位 ARM 微处理器基于 RSSI 的定位算法能够计算煤矿井下作业人 员的安全监控与管 理系统与 ZigBee 路由器 / 节点、 ZigBee 节点的距离， 从而进行自身定位， 记录煤矿井下作 业人员的行迹， 向安全监控和信息管理网络上报作业人员信息， 同时可以接受和显示安全 监控和信息管理网络发布的信息。
同时， 由于 32 位 ARM 微处理器需要一定的数据处理和运算能力， 所以其采用了高 性能的 32 位 ARM 微处理器 STM32F103 作为其核心。
32 位 ARM 微处理器内装有传感器， 传感器是指纹传感器、 温度传感器、 湿度传感 器、 瓦斯浓度传感器中的至少一种。 当传感器某些输出超出预定指标时， 报警单元就会通过 无线通讯网向安全监控和信息管理网络报警， 同时显示单元输出报警信号。32 位 ARM 微处 理器第二输入 / 输出端连接显示及报警单元输入 / 输出端， 显示及报警单元能够显示安全 监控和信息管理网络发布的指示与警告信息， 通过高亮发光二极管和蜂鸣器来对使用者进 行提示和警告。 如图 6 所示， 井下人员进行作业时， 地面的安全监控中心可能需要对其进行指示， 或在出现危险情况时向其发布警告， 这些指示或警告信息都需要通过图形化 LCD 显示模块 向使用者展示导航和指示信息。
如图 7 所示， 32 位 ARM 微处理器的第三输入 / 输出端还连接数据存储单元的输入 / 输出端。该数据存储单元可以存储多个使用者的身份信息、 记录作业人员的行迹、 暂存地 面安全监控总线发布的信息， 可以采用大容量的 SD 卡作为其数据存储单元。
另外， 32 位 ARM 微处理器的一输入端分别连接身份识别单元的输出端和定位单元 的输出端， 身份识别单元使用 RFID 或指纹识别的方式对煤矿井下人员进行身份识别和管 理， 每个身份识别单元配备 RFID 读卡器， 每个使用者随身佩带 RFID 卡， RFID 读卡器通过读 取 RFID 卡中的信息来对使用者的身份进行认定， 另外也可以使用指纹识别， 在地面的安全 监控计算机的协助下， 计算机通过身份识别单元中的指纹传感器读取作业人员的指纹并进 行识别， 将这些身份信息上传到煤矿井上的安全监控和信息管理网络。
值得一提的是， 井下作业人员的安全监控与管理系统作为一种便携式的装置， 必 须使用电池供电， 为了降低成本和延长其持续工作时间， 这里采用大容量的可充电锂电池 作为其电源。本实施例中， 电源管理单元包括电池、 电池充电电路和电源电压转换电路。其 中， 锂电池充电电路采用的是 MAX745 芯片，电源电压转换电路采用的是 LM2675 芯片， 其电 路如图 8 所示。
本发明是基于 ZigBee 技术的无线煤矿井下作业人员安全监控与管理系统主要用 于煤矿井下的温度、 湿度、 瓦斯浓度等数据的实时监测、 传输和处理 ； 对出现的瓦斯事故进 行预警和安全监控支持 ； 将井下环境参数和井下作业人员信息等数据在电子地图上进行实
时显示 ； 允许媒体和公众远程访问和查询有关信息。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。 本行业的技术 人员应该了解， 本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理， 在不脱离本发明精神和范围的前提下， 本发明还会有各种变化和改进， 这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。 本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。