一种矿用透水事故救援水声通信系统技术领域
本发明属于矿用通信领域，具体涉及一种矿用透水事故救援水声通信系统。
背景技术
据不完全统计，从2003年至2013年10年间全国发生11次重特大煤矿透水事故。在煤矿发生透水事故后，为了避免二次事故必须切断全部井下电力供应，这也直接导致矿井各个通讯设备无法正常使用。同时煤矿透水灾害区环境和条件具有一定的复杂性和恶劣性，因此也就导致在事故发生时，被困人员不能和地面救灾指挥部、井下救护基地取得及时有效的联系，井上人员无法对井下事故现场情况有一个具体的了解，使得救援指挥工作具有很大的盲目性，从而造成了大量财产损失和人员伤亡。
目前已有的用于透水事故救援的装备比较多，如中国专利CN203035235U公开了一种煤矿透水快速急救车船，CN102529619A公开了一种矿用两栖救生潜艇系统，但这些设备有个共同的缺陷就是不具备与井上、井下人员通信联络的功能，这就使得救援工作目标性不强，耽误宝贵的救援时间。因此，业内急需一种用于煤矿透水事故救援的应急通信系统，利用该系统实现井上井下人员的有效联络，确定井下人员所处的环境状况及安全状况，给井上救援人员提供准确的受困人数、生命体征、所处位置等精确信息，实现灾害环境下井上井下人员的有效通信，从而及时开展救援工作。
中国专利申请号201010228366.6公开了一种煤矿用智能无线通讯系统，基站与基站、基站与终端间均为无线链接，使用动态可自动补正的时间同步技术，以及可延时指令编码和树形网络智能路由技术，以较低的成本实现了基站动态部署的灵活的无线通讯系统，便于煤矿等复杂环境的日常安全管理和调度，且基站本身自带电池，也可用于事故救援和事故现场井地应急通讯。该系统利用无线电定位原理，达到地面控制中心和井下作业人员间的双向实时通讯。但是该专利对具体实现方式并未作出详细说明。
中国专利申请号201120396013.7公开了一种矿井水文监测系统，该系统包括传感器、转换器、若干通信分站、隔爆电源、信号避雷器、中心站主机以及UPS电源，但是该系统主要是采用若干传感器来监测水文的变化，从而大大降低了监测人员的劳动强度，以降低矿井透水事故的发生，而不能用于出现事故的救援。
发明内容
本发明的目的是提供一种矿用透水事故救援水声通信系统，以解决现有通信及救援装置无法实现事故中井上井下有效通信的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种矿用透水事故救援水声通信系统，包括用于井下人员便携的陆地移动无线传感网络节点、用于将采集的陆地无线信号和水下声波信号进行转换传输的陆水信号转换节点、水下通信传感网络节点和地面远程控制管理中心，所述陆地移动无线传感网络节点用于采集井下人员位置信息、井下环境信息，所述陆水信号转换节点包括用于设在井下设定位置的水声换能器，该水声换能器为陆地移动无线传感网络节点和水下通信传感网络节点的中介，所述陆地移动无线传感网络节点、陆水信号转换节点和水下通信传感网络节点构成的无线传感网络用于将信息传输给井上陆地的控制管理中心。
所述陆地移动无线传感网络节点包括数据采集模块、数据处理模块和无线模块，所述数据采集模块的信号输出端与数据处理模块的信号输入端连接，数据处理模块与无线模块双向通讯连接。
所述陆水信号转换节点还包括数据采集模块、数据处理模块和无线模块，所述数据采集模块的信号输出端与数据处理模块的信号输入端连接，数据处理模块还与无线模块和水声换能器通讯连接。
所述水下通信传感网络节点包括信号传感单元、处理单元、声学调制解调器和通信单元，所述信号传感单元和声学调制解调器、通信单元均与处理单元连接。
本发明的矿用透水事故救援水声通信系统充分利用了陆地通信与水中通信的结合，设计通信节点以满足不同现场情况，这既保证了水下通信，又保证了无水介质区域的通信，将水声通信技术与无线传感网络技术相结合组建用于透水事故发生时应急通信的传感网络，实现了在矿井电力中断的情况下井上、下人员之间的通信联络，井下人员能够根据给出的指示信息紧急避险，井上人员了解到井下相关信息，实现井上井下人员的有效联络，从而有效的开展救援工作，显示出巨大的应用前景。
附图说明
图1是本发明矿用透水事故救援水声通信系统的原理示意图；
图2是陆地移动无线传感网络节点的原理图；
图3是陆水信号转换节点的原理图；
图4是水下通信传感网络节点的原理图；
图5是水下通信传感网络节点的电路原理图；
图6是矿用透水事故救援水声通信系统的实现原理图。
具体实施方式
如图1所示为本发明矿用透水事故救援水声通信系统的原理示意图，由图可知，该系统包括用于井下人员便携的陆地移动无线传感网络节点、用于将采集的陆地无线信号和水下声波信号进行转换传输的陆水信号转换节点、水下通信传感网络节点和远程控制管理中心，陆地移动无线传感网络节点用于采集井下人员位置信息和陆地环境信息，陆水信号转换节点包括用于设在井下设定位置的水声换能器，该水声换能器为陆地移动无线传感网络节点和水下通信传感网络节点的中介，实现了电磁波信号和声波信号之间的转换，完成了陆地无线信号/水下声波信号向水下声波信号/陆地无线信号的转换，所述陆地移动无线传感网络节点、陆水信号转换节点、水下通信传感网络节点构成的无线传感网络用于将信息逐跳的传输给井上陆地的控制管理中心。
如图2所示，本发明的陆地移动无线传感网络节点包括用于采集环境参数信息的数据采集模块、数据处理模块和无线模块，数据采集模块的信号输出端与数据处理模块的信号输入端连接，数据处理模块与无线模块双向通讯连接；数据采集模块包括各种传感器，如温湿度传感器、瓦斯浓度传感器等，数据处理模块可以采用CPU、MCU等，如STM32；无线模块采用CC2531用以传输Zigbee信号。除此之外，该节点还包括了语音模块、液晶显示模块、键盘输入模块、晶振电路、复位电路、电源等。该节点由井下人员随身携带，正常情况下能够采集人员附近的瓦斯浓度、温度、湿度等信息，作为基本监测设备使用。
如图3所示，陆水信号转换节点还包括数据采集模块、数据处理模块和无线模块，所述数据采集模块的信号输出端与数据处理模块的信号输入端连接，数据处理模块还与无线模块和水声换能器通讯连接。数据采集模块包括各种传感器，如温湿度传感器、瓦斯浓度传感器等，数据处理模块可以采用CPU、MCU等，如STM32；无线模块采用CC2531用以传输Zigbee信号。除此之外，该节点还包括功率放大器、晶振电路、复位电路、电源等。水声换能器被立体布置在矿井不同高度的位置，具有湿度、水位综合检测功能，平时为了节省能量，节点处于睡眠状态，当检测到有透水事故发生后，漂浮在水面之上的节点立即由睡眠状态进入唤醒状态，作为换能器开始工作将接收到的Zigbee信号转换成水声信号，同理该节点接收到其他模块发过来的水声信号，将其转换为Zigbee信号。也就是说，水声换能器具有Zigbee信号接收与发送、超声波信号发送和接收、水声通信组网、Zigbee通信组网、事故检测触发唤醒等功能，可以作为无线传感网络的吸收节点使用。
如图4所示，水下通信传感网络节点包括信号传感单元、处理单元、声学调制解调器和通信单元，所述信号传感单元和声学调制解调器、通信单元均与处理单元连接，所述处理单元通过通信单元与其他的水声通信节点连接。如图5所示为该节点的一种具体实现方式，该节点包括顺次连接的AD转换器、电平转换模块、通信模块及DA转换器，AD转换器用于连接模拟信号输入，DA转换器用于连接模拟信号输出。通信模块的信号输入及输出端连接有对应的CDMA解调及CDMA调制模块，用于对相应信号进行转换处理。水下通信传感网络节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖矿井区域的信息，并通过多跳自组网方式将数据传送到远程控制管理中心。
如图6所示，该系统由于要实现其移动组网、逃生路线的规划、信号的发送与接收等功能，因此需要研究无线嵌入式系统的移植、调度算法、路由算法等技术；另外，在井下，由于地形环境复杂，声波信号的传输会发生反射、折射现象从而产生多径干扰，导致信号传输产生极大衰减的问题，该系统采用立体网格节点覆盖方法结合扩频通信技术解决多径干扰的问题，并采用跨层设计技术和唤醒机制有效的延长电池供电的时间，解决能量供给的问题。
水声换能器组网及信号转换功能的开发：由于水声换能器是水介质传输的水声信号和空气介质传输射频信号的接口，起到承上启下的作用，不但应具有信号传输和转换的功能，考虑到模块只在透水事故发生时才发挥作用，从而需要研究有效的能量节约方法，即从数据链路层的调度、物理层硬件设计、网络层协议算法角度，按照跨层设计的思想实现各个模块的开发。
水声通信节点的物理层开发及拓扑结构设计：基于水声信道的特点，同时考虑到频域上相邻点的间隔必须大于信道的相干带宽，所以拟采用FSK调制方式的跳频通信来实现。与陆地上的无线传感网络结构一样，水声传感网的拓扑结构可分为两大类：一种是小规模网络中采用典型的星型结构；另一种，大规模、多节点、分散密集的环境中，组建的分布式对等网络拓扑结构。本项目需要根据矿井实际地形、电磁状况提出有效的拓扑结构。
本发明的工作原理和过程如下：考虑到透水事故发生后的情况的复杂性，透水发生后，巷道会出现有水或者无水两种情况，而对于有水情况又可区分为巷道灌满水和部分有水的两种情况，即有些时候水会灌满巷道，而有些时候可能只会集中在低洼区域，因此设计的通信系统应适应上面这两种情况。
在无水时，陆地移动无线传感网络节点由井下人员随身携带，正常情况下能够采集人员附近的瓦斯浓度、温度、湿度等信息，直接通过无线模块传输至井上的远程控制管理中心，作为基本监测设备使用。
在部分有水的情况下，一方面，陆地移动无线传感网络节点或通过与水中的通信节点组网将信息传输至井上的远程控制管理中心；另一方面，陆地移动无线传感网络节点与陆水信号转换节点进行通讯，将信号传输至水下通信传感网络节点以多跳的方式进一步传至远程控制管理中心。在巷道灌满水时，则不能采用陆地无线传输的方式，那么就只能通过陆地移动无线传感网络节点、陆水信号转换节点、水下通信传感网络节点组网最终以多跳方式将信号传至远程控制管理中心了。
该通信系统充分利用了水声通信与Zigbee结合设计通信节点以满足不同现场情况的技术方法，这既保证了水下通信，又保证了无水介质区域的通信，将水声通信技术与无线传感网络技术相结合组建用于透水事故发生时应急通信的传感网络，实现了在矿井电力中断的情况下井上、下人员之间的通信联络，井下人员能够根据给出的指示信息紧急避险，井上人员了解到井下相关信息，实现井上井下人员的有效联络，从而有效的开展救援工作，显示出巨大的应用前景。
以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。