CN102016627A - 用于矿场的无线信息和安全系统 - Google Patents

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CN102016627A CN2009801149097A CN200980114909A CN102016627A CN 102016627 A CN102016627 A CN 102016627A CN 2009801149097 A CN2009801149097 A CN 2009801149097A CN 200980114909 A CN200980114909 A CN 200980114909A CN 102016627 A CN102016627 A CN 102016627A
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L·K·班德优帕德亚
S·K·乔尔亚
P·K·米夏
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    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
    • G01S5/0284—Relative positioning
    • G01S5/0289—Relative positioning of multiple transceivers, e.g. in ad hoc networks
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • E21F17/18—Special adaptations of signalling or alarm devices

Abstract

本发明的用于矿场的无线信息和安全系统实现了使用支持ZigBee的有源RFID设备(在它们之间形成无线网络)以及在关键位置放置的其它静态和移动ZigBee设备来连续跟踪和监视地下矿场中的地下矿工和可移动设备。本发明提供一种用于矿场的无线信息和安全系统，该系统组合地包括符合ZigBee的设备(通过硬件专用的嵌入式软件可编程为作为终端设备、路由器和协调器来操作)以及具有用于地下和露天矿场的各种应用模块的无线传感器网络(WSN)软件。使用本发明的系统将有助于标识进入地下矿场的矿工以保持对矿工的跟踪并且维持计算机化看护。这将有助于监视设备位置及其操作以提高生产率并且减少致命碰撞事故。这将有助于在矿难情况下对矿工进行定位和跟踪以进行迅速援救行动。这将有助于监视矿工的非安全作业并且向相应矿工提供警告。这还将有助于实时监视地下矿场中的环境参数。这也将有助于向地下矿场中的相关人员发送编码消息。这还将有助于监视倾卸车在露天矿场中的移动，这将最终有助于实现最优的铲-卸车性能并且提高生产率。

Description

用于矿场的无线信息和安全系统
技术领域
本发明涉及一种用于矿场的无线信息和安全系统。本发明具体地涉及一种能够实时连续跟踪和监视地下矿工及其设备移动的用于矿场的无线信息和安全系统。本发明更具体地涉及一种实现连续监视矿工和设备位置、环境参数、矿工进入非安全区，向相应矿工提供警告信号和编码消息，并且也防止矿场中车辆碰撞的用于矿场的无线信息和安全系统。
背景技术
本发明的用于矿场的无线信息和安全系统是硬件和软件的组合，其中射频标识(RFID)设备已经具有用于将RFID设备编程为作为协调器、路由器和终端设备来工作的常驻硬件专用嵌入式软件以及用于跟踪、监视和存储从在矿场的关键位置放置的RFID设备接收的信息的无线传感器网络(WSN)应用软件。对于本发明的用于矿场的无线信息和安全系统，支持ZigBee的有源RFID设备已经被使用以形成无线网络。
RFID系统是一种如今用来在制造、库存管理、零售和安全应用中标识和跟踪对象和人的广泛使用的自动ID技术。ZigBee是一种低成本、低功率和无线网格联网标准。低成本允许该技术广泛地部署于无线控制和监视应用中，低功率使用允许使用较小电池实现较长寿命，并且网格联网提供高可靠性和较大范围。
ZigBee技术(一种最近问世的基于IEEE 802.15.4标准的网络通信协议)向自组织网格网络拓扑提供功率有效、低数据速率和多跳的数据传输。RFID系统可以通过将ZigBee技术引入到现有RFID架构中来利用它的一些特征，比如具有延伸的有效范围、提高网络灵活性以及具有与其它支持ZigBee的环境系统的兼容性。
本发明的用于矿场的无线信息和安全系统对于地下和露天矿场特别有用。在地下矿场中使用本发明的系统将有助于使用支持ZigBee的有源RFID设备(在它们本身之间形成无线网络)以及在关键位置放置的其它静态和移动ZigBee设备来在线跟踪和监视矿工和可移动设备。这将有助于标识进入地下矿场的矿工以保持对矿工的跟踪并且维持计算机化看护。这将有助于监视设备位置及其操作以提高生产率并且减少致命的碰撞事故。这将有助于在矿难情况下对矿工进行定位和跟踪以进行迅速援救行动。这将有助于监视矿工的非安全作业并且向相应矿工提供警告。这还将有助于实时监视地下矿场中的环境参数。这也将有助于向地下矿场中的相关人员发送编码消息。这将有助于在地下矿场的某部分中发生矿难情况下通过利用附近可用的ZigBee收发器(路由器)形成替代无线网络来建立从地表到地下的通信。这还将有助于监视倾卸车在露天矿场中的移动，这将最终有助于实现最优的铲-卸车性能并且提高生产率。
下文引用主要与无线传感器联网有关的迄今已知的现有技术。
可以参考Proceeding(572)Communication Systems，Networks，and Applications-2007的标题为ZigBee Enabled Radio Frequency Identification System的论文。http://www.actapress.com/PaperInfo.aspx？PaperID＝31796&reason＝500
在这篇论文中讨论了在将ZigBee应用于RFID系统的不同部分之时的可能益处和应用。在该论文中也讨论了一种集成的ZigBeeRFID系统架构，并且描述了一种演示系统。
可以参考标题为″Method for rebuilding an ad hoc network and the nodes thereof″的第WO2007065987号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于重建ad hoc网络的系统，该系统用于收集网络节点的与连接质量和非最优网络树有关的数据并且用于计算当前优化结构。
可以参考标题为″Electric device with wireless communicationmodule ″的第US2007132579号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于通过寻呼机网络接收天气信息的系统。该设备根据天气信息计算舒适度指数，并且自行以及通过其它电子设备向用户实时提供舒适度指数。
可以参考标题为″Locating and identifying a person using a mobile device″的第CA2559125号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于与智能卡读取器无线通信以获得其智能卡与智能卡读取器耦合的人员的标识的系统。移动设备经由网络向服务器发送该标识。移动设备也向服务器发送关于它的位置的信息。服务器确定使用移动设备的人员的标识和位置。
可以参考标题为″Wireless communication system of using ZigBee technology″的第KR100668228B号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于将ZigBee技术用于地表应用的无线通信系统的系统。
可以参考标题为″Inter-vehicle communication system″的第JP2007067533号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于车辆间通信的系统。在行驶于道路上的车辆上安装的无线通信终端可以经由基站或者直接地向另一车辆实时发送车辆的周围环境的信息项或者在出现车辆中引起的异常时的异常信息项或者从基站提供的各种信息项。
可以参考标题为″Remote wireless temperature measuringsystem″的第CN 1920502号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于从远处无线测量温度的系统。该系统包括至少一个节点系统、ZigBee数据接收器、无线数据发送器和管理服务器。通过使用温度检测器经由数据线连接ZigBee温度收集器来形成节点系统。ZigBee数据接收器经由RS232数据线连接到无线数据发送器。
可以参考标题为″Detection and transmission system for fuel gas monitoring″的第TW257462B号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于燃气监视的系统，其中在各燃气计量表中构建的控制单元执行针对异常操作情形的紧急处理，并且通过短距离传输单元向中央监视模块立即发送有关信息(该信息包含计量表的读书、计量表的名称、计量表的状态等)，这些单元采用ZigBee短距离无线通信标准并且相互通信进行数据收集和管理而且为紧急处理采取必要行动。
可以参考标题为″Method，apparatus and system for multicast communication in a wireless multi-hop network″的第WO2007021269号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于在根据ZigBee网络规范的具有多个节点的网络中的多播通信方法的系统，该方法包括创建包括多个节点的子集的多播组以及排除多个节点中的至少一个非成员节点。多播组具有多播地址。该方法也包括发送包括多播地址的多播消息，以及在多播组中的各节点接收多播消息。
可以参考标题为″Method and system for employing RFID tags in automated applications″的第US7,233,247号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于使用射频标识(RFID)标签来提供通信的系统。RFID基本单元被提供用以与至少两个不同类型的商用RFID标签通信。此外，RFID基本单元可以与包括但不限于计算机网络的任何数目的设备通信，这些设备允许动态访问和更新以针对实际的任何情形定制RFID基本单元。
可以参考标题为″Personal tracking device″的第US7,015,817号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于监视个体如假释犯的位置的系统，该系统包括个体佩戴的可佩戴设备和操作耦合到可佩戴设备的便携设备。该便携设备通过无线电话网络操作耦合到监视系统。该便携设备越过无线网络向监视系统定期发送加密的位置信息以及状态信息。监视系统跟踪个体的位置并且在个体触犯规则如假释条件时通知适当的当局。
可以参考标题为″Radio frequency identification(RFID)based sensor networks″的第US7,148,803号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于RF可寻址传感器网络的系统，该系统包括一个或者多个RF可寻址传感器、耦合到通信网络的一个或者多个无线传感器读取器和耦合到通信网络的一个或者多个终端用户设备。
可以参考标题为″Electronic device cover with embedded radiofrequency(RF)reader and method of using same″的第US7,079,832号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于电子设备的可更换盖及其使用方法的系统，该盖具有用于询问收发器标签的读取器。该盖响应于询问信号向电子设备提供来自标签的信息。
可以参考标题为″Passive RFID transponder/machine-mounted antenna and reader system and method for hidden obstacle detection and avoidance″的第US7,002,461号专利以及标题为″Passive RFID transponder/reader system and method for hidden obstacle detection and avoidance″的第US6,621,417号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于探测和标识因植被的大量过度生长而被隐藏的固定共用对象诸如电话亭、电力变压器、检修孔、锚线缆等的系统。该系统使用无源射频收发器技术在利用重型机的割刈和清除操作期间提供对这类对象的自动前瞻探测，以探测被标记对象的直接存在以及答复询问的对象的类型的基本标识。
可以参考标题为″Low-latency multi-hop ad hoc wireless network″的第US7,161,926号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于使用多跳ad hoc网络的在地表的无线通信的系统。在包括两个或者更多通信设备的该系统中提供多无线电传感器的节点。通信设备包括射频(RF)设备，比如无线电收发装置。各通信设备支持在相应的独立网络群集的多无线电传感器的节点之间同时通信。
可以参考标题为″Wireless roadway monitoring system″的第US6,662,099号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于道路无线通信系统的系统。使用传感器的无线路内交通传感器系统是小型、低成本和耐震的。传感器可以能够测量驶过车辆的速度、标识驶过车辆的类型、并且测量关于道路条件的信息(例如潮湿或者结冰)。传感器包括无线发送器并且可以被配置用于安装于路面以下。传感器可以配置为如下交通传感器系统，该系统包括遍布道路系统的分布式传感器、用于接收传感器广播的集中器、以及用于积累和组织感测到的信息的中央计算机。可以响应于用户请求经由Web通过比如交通延迟、替代路线规划和行程时间估计之类的报告来使感测到的信息可用。取而代之，感测到的信息也可以用来通过交通控制装置如交通信号来控制交通。
可以参考标题为″Distributed topology control for wireless multi-hop sensor networks″的第US6,990,080号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于分布式无线多跳网络的系统。该网络包括多个潜在移动节点。各节点在所有方向上发送发现消息。各节点使用来自邻近节点的响应于发现消息的一组传入信号来发现一组邻近节点。
可以参考标题为″Method and apparatus for real-time tracking of inventory using active RFID technology″的第US7252230号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于动态跟踪位于不同地理区域中的资产的系统。该系统包括掌控库存系统的中央区域。库存系统与如下远程区域有网络通信，这些远程区段包括用于询问位于区域中的标记资产的传感器。
可以参考标题为″Method for wireless data transmission and a transponder″的第US2007176755号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于在基站与收发器之间无线传输数据的系统。数据在基站与收发器之间无线和双向传输。
可以参考标题为″Reader for RFID and RFID system″的第US2007176747号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于使用RFID设备的无线通信的系统。接收信道信号的RFID读取器包括：频率振荡器，生成在从信道信号的中心频率按照偏移频率而偏移的频率处的振荡信号；混频器，混合信道信号与偏移的振荡信号；以及滤波器，对混频器提供的混合频率信号进行滤波。
可以参考标题为″RFID tag，RFID reader/writer，RFID system，and processing method of RFID system″的第US2007176772号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于使用RFID标签的无线通信的系统。当通过使用各自并入一个传感器单元的RFID标签来进行若干次测量时，从RFID读取器/写入器引向RFID标签的载波的生成每当一次测量结束时停止一个预定时段。
可以参考标题为″Device location system and metho d″的第US2007176782号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于对隐藏对象进行定位的系统。该系统由位置信标(与指定物理位置关联)和探测信标(附着到设备或者物理上关联于设备)构成。
可以参考标题为″Secure two-way RFID communications″的第US2007177738号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于提供安全双向(读取器到标签和标签到读取器)RFID通信的系统。RFID标签从读取器接收噪声加密的RF载波信号，并且反向散射器用标签信息来调制它。
上述第WO2007065987、US2007132579、CA2559125、KR100668228B、JP2007067533、CN1920502、TW257462B、WO2007021269、US7,233,247、US7,015,817、US7,148,803、US7,079,832、US7,002,461、US7,161,926、US6,662,099、US6,990,080、US7252230、US2007176755、US2007176747、US2007176772、US2007176782和US2007177738号专利的弊端在于这些系统是仅针对地表应用而专门设计的。这些系统对于在地下矿场中使用而言并非本质上安全。这些系统消耗较多功率而且并不适合于安装于地下矿场中。另外，这些系统并未提供在地下矿场中的不同基本应用，比如预防车辆碰撞、燃气监视、消息接发以及向迫近非安全区的矿工提供警告信号。
可以参考标题为″A method to realize realtime monitoring of the underground coal miners by ZigBee network″的第CN1953408号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于使用ZigBee网络来实时监视地下矿工的系统。
可以参考标题为″System and method for providing underground facility information using RFID″的第KR100612700B号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于使用RFID标签来为地下提供信息设施的系统。
可以参考标题为″Mine comprehensive information system under well based on ZigBee technology wireless network″的第CN2871852Y号专利，其中已经描述并且要求保护一种用于矿场中的无线通信的系统。该系统被提出用于监视矿工的位置。
上述第CN1953408、KR100612700B和CN2871852Y号专利的弊端在于这些系统并未提供用于地下矿场的不同基本应用，比如预防车辆碰撞、燃气监视、消息接发以及向迫近非安全区的矿工提供警告信号。
发明内容
根据上文引用的迄今已知的现有技术的系统及其弊端，清楚看出确实需要提供一种用于对地下矿工和设备进行定位、无线环境监视和预防碰撞的低功率、本质上安全的无线信息和安全系统。
本发明的主要目的在于提供一种克服如上文详述的迄今已知的现有技术的弊端的用于矿场的无线信息和安全系统。
本发明的另一目的在于使用支持ZigBee的有源RFID设备(在它们本身之间形成无线网络)以及在关键位置放置的其它静态和移动ZigBee设备来跟踪和监视地下矿场中的矿工和设备，这克服了如上文详述的迄今已知的现有技术的弊端。
本发明的又一目的在于标识进入地下矿场的矿工以保持对矿工的跟踪并且维持计算机化看护。
本发明的又一目的在于监视设备位置及其操作以提高生产率并且减少致命碰撞事故。
本发明的又一目的在于在矿难情况下对矿工进行定位和跟踪以进行迅速援救行动。
本发明的又一目的在于监视矿工的非安全作业并且向相应矿工提供警告。
本发明的又一目的在于实时监视地下矿场中的环境参数。
本发明的又一目的在于向地下矿场中的相关人员发送编码消息。
本发明的另一目的在于在地下矿场中的特定区域中发生矿难的情况下在未受干扰的可用的路由器之间自动形成替代网络，从而通信在整个矿场中不受干扰。
本发明的又一目的在于监视倾卸车在露天矿场中的移动，这最终有助于实现最优的铲-卸车性能并且提高生产率。
本发明的又一目的在于开发一种用于地下和地表矿场的低功率、本质上安全、易于安装和成本有效的无线信息和安全系统。
本发明的用于矿场的无线信息和安全系统在矿场中跟踪和监视矿工和设备、测量环境参数并且发送告警消息。本发明的用于矿场的无线信息和安全系统是硬件和软件的组合，其中支持ZigBee的有源RFID收发器设备已经被使用以形成无线网络。RFID设备已经具有用于将RFID收发器设备编程为作为协调器、路由器和终端设备来工作的常驻硬件专用嵌入式软件。所述软件使用‘C’语言在IAR嵌入式工作台和TI-make库中编译和调试。IAR系统是致力于嵌入式系统开发工具领域的瑞典计算机技术公司；而TI(德州仪器)是电子器件和芯片领域的美国公司。
本发明的系统主要包括两个模块，即硬件设备和无线传感器网络嵌入式应用专用的软件。
硬件模块是符合ZigBee的有源RFID收发器设备，这些设备具有常驻应用专用嵌入式软件以充当终端设备(标签)、路由器或者协调器。将设备编程为充当终端设备、路由器或者协调器，使它们能够形成基于IEEE 802.15.4的网格网络。它使用统一的无线网格联网基础结构以对移动资产和人员进行定位、跟踪和管理，以及使用传感器来监视不同环境条件。ZigBee设备具有许多特征、即使用无需许可的2.4GHz工业、科学和医学(ISM)频带，超低功率(对于电池操作的系统而言是理想的)，借助廉价电池操作经年，大量节点/传感器，在网络节点之间的可靠和安全链路，容易部署和配置，低成本系统，非常快的过渡时间、数字电池监视设施、尺寸更小(片上系统)以及能够在矿难情况下在未受干扰的可用路由器之间自动形成替代网络。
常驻应用软件模块是为了跟踪、监视和存储从在矿场的关键位置放置的RFID设备接收的信息而开发的无线传感器网络(WSN)软件。该软件专门设计用于矿场中的不同用途并且具有以下模块：(i)跟踪矿工和车辆；(ii)在露天矿场中的路线跟踪；(iii)预防致命事故；(iv)预防车辆碰撞；(v)环境监视；(vi)监视矿工的非安全作业；(vii)发送告警消息；以及(viii)预备计算机化的矿工值班小时。
附图说明
本说明书在附图的图1至图6中描述了用于矿场的无线信息和安全系统。
附图的图1示出了编程为作为终端设备、路由器和协调器来工作并且在矿场中形成无线传感器网络的ZigBee收发器的框图。ZigBee收发器包括用于通过矿场中的无线传感器网络接收和发送2.4GHz RF信号的子系统(1)至(16)。
附图的图2a至图2d示出了硬件专用嵌入式软件的流程图。RFID设备已经具有用于将RFID设备编程为作为协调器、路由器和终端设备来工作的常驻硬件专用嵌入式软件。
附图的图3示出了应用软件的流程图。无线传感器网络(WSN)软件跟踪、监视和存储从位于矿场的不同部分中的RFID收发器设备接收的信息。
本发明的系统是硬件和软件模块的组合，其中由符合ZigBee的有源RFID收发器设备构成的硬件设备具有：用于将RFID设备编程为作为协调器、路由器和终端设备来工作的常驻硬件专用嵌入式软件；以及用于跟踪、监视和存储从在矿场的关键位置放置的RFID设备接收的信息的无线传感器网络(WSN)应用软件。
附图的图4图示了用于地下竖井矿场的无线传感器网络。
附图的图5示出了用于地下斜井矿场的无线传感器网络。
附图的图6描绘了用于露天矿场的无线传感器网络。
具体实施方式
下文给出附图的图1至图6的详情。
在图1中描绘了本发明的用于矿场的无线信息和安全系统的ZigBee收发器的框图，该ZigBee收发器包括天线(1)、低噪声滤波器(2)、下变频混频器(3)、本地振荡器(4)、带通滤波器(5)、放大器(6)、模数转换器(7)、数字解调器(8)、无线电数据接口(9)、控制逻辑(10)、微控制器单元(11)、数字调制器(12)、模拟转换器(13)、低通滤波器(14)、上变频混频器(15)和功率放大器(16)。天线(1)串联连接到低噪声滤波器(2)、下变频混频器(3)、带通滤波器(5)、放大器(6)、模数转换器(7)和数字解调器(8)。本地振荡器(4)连接到所述下变频混频器(3)和放大器(6)。所述数字解调器(8)通过无线电数据接口(9)连接到数字调制器(12)。控制逻辑(10)连接到所述数字解调器(8)、数字调制器(12)和所述无线电数据接口(9)。微控制器单元(11)连接到所述数据接口(9)。所述数字调制器(12)串联连接到模拟转换器(13)、低通滤波器(14)、上变频混频器(15)和功率放大器(16)。所述本地振荡器(4)与所述上变频混频器(15)连接。
附图的图2a至图2d示出了在协调器、路由器和终端设备中的硬件专用嵌入式软件的流程图。
附图的图3示出了无线传感器网络(WSN)应用软件的流程图。WSN软件用于矿场中的各种用途并且具有以下模块：(i)跟踪矿工和车辆；(ii)在露天矿场中的路线跟踪；(iii)预防致命事故；(iv)预防车辆碰撞；(v)环境监视；(vi)监视矿工的非安全作业；(vii)发送告警消息；以及(viii)预备计算机化的矿工值班小时。
图4图示了在具有竖井入口的地下矿场中的无线传感器网络。该传感器网络包括个人计算机(PC1)、协调器(C1)、路由器(R1至R19)和终端设备(E1至E9)。在地表(S1)控制室(CR1)中，计算机(PC1)使用RS232线缆连接到协调器(C1)。在地下(U1)竖井(SH)中，按照约60m的相隔距离布置的路由器(R1至R4)与所述协调器(C1)无线连接。在按照约50m的相隔距离分别放置在第一层(G1)的左侧和右侧中的路由器(R5至R7)和路由器(R8至R9)无线连接到所述路由器(R2)。与矿工/可移动设备附着的终端设备(E1和E2)分别与路由器(R6和R9)无线通信。分别放置在第二层(G2)的左侧和右侧中的路由器(R10至R12)和路由器(R13至R14)无线连接到所述路由器(R3)。与矿工/可移动设备附着的终端设备(E3、E4和E5)分别与路由器(R12，R13和R14)无线通信。分别放置在第三层(G3)的左侧和右侧中的路由器(R15至R17)和路由器(R18至R19)无线连接到所述路由器(R4)。与矿工/可移动设备附着的终端设备(E6至E9)分别与路由器(R16、R15、R18和R19)无线通信。
图5示出了在具有斜井入口的地下矿场中的无线传感器网络。该无线传感器网络包括个人计算机(PC2)、协调器(C2)、路由器(R20至R34)和终端设备(E10至E13)。在地表(S2)控制室(CR2)中计算机(PC2)使用RS232线缆来连接到协调器(C2)。在地表(S)上，路由器(R20，R21和R22)按照约80m的相隔距离来无线连接到所述协调器(C2)。在进口斜井(I1)中按照约50m的距离相隔放置的路由器(R23至R26)无线连接到所述路由器(R22)。在回程斜井(I2)中放置的路由器(R27至R29)无线连接到所述路由器(R20)。在层(G4)中按照约50m的距离相隔放置的路由器(R30至R34)无线连接到所述路由器(R26和R29)。与矿工/可移动设备相配的终端设备(E10至E13)分别与所述路由器(R30，R34，R32和R31)无线通信。
图6示出了在露天矿场中的无线传感器网络。该无线传感器网络包括个人计算机(PC3)、协调器(C3)、路由器(R35至R44)和终端设备(E14和E15)。在地表控制室(CR3)中计算机(PC3)使用RS232线缆来连接到协调器(C3)。沿着露天矿场(OCM)的传送道路(TR)按照约80m的距离间隔放置的路由器(R35至R44)与所述协调器(C3)无线连接。与倾卸车(D1和D2)相配的终端设备(E14和E15)分别与所述路由器(R38和R42)无线通信。
因而本发明提供一种用于矿场的无线信息和安全系统，其特征在于所述系统组合地包括多个可编程有源RFID收发器设备，比如具有常驻硬件专用嵌入式软件的可编程为作为协调器、路由器和终端设备来操作的符合ZigBee的设备；所述多个编程的符合ZigBee的RFID收发器设备被有策略地放置形成统一的无线网格联网基础结构，该基础结构具有用于跟踪、监视和存储从连接到传感器的所述RFID设备接收的信息的常驻无线传感器网络(WSN)应用软件。
在本发明的一个实施例中，可编程有源RFID收发器(1至16)设备(比如具有常驻应用专用嵌入式软件的用于作为协调器、路由器和终端设备来操作的符合ZigBee的可编程设备)包括天线(1)、低噪声滤波器(2)、下变频混频器(3)、本地振荡器(4)、带通滤波器(5)、放大器(6)、模数转换器(7)、数字解调器(8)、无线电数据接口(9)、控制逻辑(10)、微控制器单元(11)、数字调制器(12)、模拟转换器(13)、低通滤波器(14)、上变频混频器(15)和功率放大器(16)的组合；其中天线(1)串联连接到低噪声滤波器(2)、下变频混频器(3)、带通滤波器(5)、放大器(6)、模数转换器(7)和数字解调器(8)；本地振荡器(4)连接到所述下变频混频器(3)和放大器(6)；所述数字解调器(8)通过无线电数据接口(9)连接到数字调制器(12)；控制逻辑(10)连接到所述数字解调器(8)、数字调制器(12)和所述无线电数据接口(9)；微控制器单元(11)连接到所述数据接口(9)；所述数字调制器(12)串联连接到模拟转换器(13)、低通滤波器(14)、上变频混频器(15)和功率放大器(16)；并且所述本地振荡器(4)与所述上变频混频器(15)连接。
在本发明的又一实施例中，RFID设备可以连接到传感器以实现矿场中的环境监视。
在本发明的另一实施例中，具有常驻硬件专用嵌入式软件以充当协调器、路由器和终端设备的符合ZigBee的有源RFID收发器设备形成基于IEEE 802.15.4的网格网络，用于通过矿场中的无线传感器联网来跟踪地下矿工和设备。
在本发明的又一实施例中，比如这里描述的常驻无线传感器网络(WSN)应用软件具有以下模块：(i)跟踪矿工和车辆；(ii)在露天矿场中的路线跟踪；(iii)预防车辆碰撞和致命事故；(iv)预防车辆碰撞；(v)环境监视；(vi)监视矿工的非安全作业；(vii)发送告警消息；以及(viii)预备计算机化矿工值班小时。
在本发明的又一实施例中，使用‘C’语言在IAR嵌入式工作台和TI-make库中编译和调试比如这里描述的用于将RFID收发器设备编程为作为协调器、路由器和终端设备来工作的常驻硬件专用嵌入式软件。
在本发明的又一实施例中，无线信息和安全系统能够在地下矿场中的特定区域中发生矿难的情况下在未受干扰的可用路由器之间自动形成替代网络，从而通信在整个矿场中不受干扰。
在本发明的又一实施例中，无线信息和安全系统是用于地下和地表矿场的低功率、本质上安全、容易安装和成本有效的系统。
在本发明的一个特征中，无线信息和安全系统能够使用支持ZigBee的有源RFID收发器设备(在它们本身之间形成无线网络)以及在关键位置放置的其它静态和移动ZigBee设备来跟踪和监视地下矿场中的矿工和可移动设备。
在本发明的另一特征中，无线信息和安全系统能够标识进入地下矿场中的矿工以保持对矿工的跟踪并且维持计算机化看护。
在本发明的又一特征中，无线信息和安全系统能够监视设备位置及其操作以提高生产率并且减少致命碰撞事故。
在本发明的又一特征中，无线信息和安全系统能够在矿难情况下对矿工进行定位和跟踪以进行迅速援救行动。
在本发明的又一特征中，无线信息和安全系统能够监视矿工的非安全作业并且向相应矿工提供警告。
在本发明的又一特征中，无线信息和安全系统能够实时监视矿场中的环境参数。
在本发明的又一特征中，无线信息和安全系统能够向地下矿场中的相关人员发送编码消息。
在本发明的又一特征中，无线信息和安全系统能够监视倾卸车在露天矿场中的移动，这最终有助于实现最优的铲-卸车性能并且提高生产率。
在本发明中提供一种用于矿场的无线信息和安全系统，该系统组合地包括通过硬件专用嵌入式软件可编程为作为终端设备、路由器和协调器来操作的符合ZigBee的设备以及具有用于地下和露天矿场的各种应用模块的无线传感器网络(WSN)应用软件。符合ZigBee的设备(可编程为作为终端设备、路由器和协调器来操作)这一核心模块包括不同子系统(1至16)。传入的2.4GHz RF信号由天线(1)拾取并且经由双工器向低噪声滤波器(2)传递。所述低噪声滤波器(2)消除DC偏移和噪声问题，并且在向下变频混频器(3)馈送之前将来自天线的RF信号放大至适当电平。在所述下变频混频器(3)处，该放大的信号与本地振荡器(4)生成的高频信号混合。然后向带通滤波器(5)馈送所述下变频混频器(3)的输出。这样从所述下变频混频器(3)获得的信号正交下变频成2MHz中频(IF)。所述下变频混频器(3)将接收的RF频率转换成IF。IF由所述带通滤波器(5)滤波和放大，该带通滤波器由锁相环自动调谐。向放大器(6)馈送所述带通滤波器(5)的输出，该放大器通过内置式自动增益控制(AGC)来控制增益。所述放大器(6)的自动频率控制(AFC)控制也内置于所述放大器(6)中的所述本地振荡器(4)的频率。在模数转换器(7)处以4MHz采样速率对AGC输出进行采样以供进一步数字化。向数字解调器(8)馈送数字化信号，在该数字解调器中在数字域中进行信道滤波和解调。这样从所述数字解调器(8)获得的信号是向无线电数据接口(9)和控制逻辑(10)馈送的包含数据的高效数字化实际信号。所述无线电数据接口(9)将信号对接到微控制器单元(11)。所述控制逻辑(10)控制所述数字解调器(8)和数字解调器(12)的信号。对于IF信号的传输而言，IF信号来自所述无线电数据接口(9)，由所述数字调制器(12)调制并且向数模转换器(13)馈送以便转换成数字信号。向低通滤波器(14)馈送所述数模转换器(13)的输出，在该低通滤波器中信号被滤波并且再次传输通过上变频混频器(15)，该上变频转换器借助所述本地振荡器(4)通过单边带调制器将滤波后的信号直接上变频转换成RF。所述上变频混频器(15)被设计用于低电压操作，并且对于在便携用户设备中使用而言是理想的。所述上变频混频器(15)以在40MHz与500MHz之间的IF输入频率操作，并且上变频至高达2.5GHz的输出频率。然后向功率放大器(16)馈送所述上变频混频器(15)的输出，该功率放大器增强该信号。增强的信号然后经由双工器向所述天线(1)传递。双工器将两个或者更多信号组合到共同信道或者介质上以增加它的发送效率。它允许发送器在一个频率上操作而接收器在不同频率上操作，以共享一个共同天线而不同RF信号的互作用和降级最少。然后RF信号发送到所述天线(1)进行发送。编程为作为协调器(C)来操作的ZigBee收发器在地表(S)中的控制室(CR)中通过串行端口来与计算机(PC)连接。编程为作为路由器(R)来工作的ZigBee收发器按照50-80m的间隔沿着感兴趣的道路放置用于形成无线网格网络并且跟踪矿工和可移动设备。编程为作为终端设备(E)来工作的ZigBee收发器附着到矿工或者可移动设备。所述路由器(R)从所述终端设备(E)接收信号并且经由多跳无线网络向协调器(C)转发，并且相同信息被存储于计算机(PC)中。类似地，也以相反路径发送针对特定矿工的任何消息。不同功能和存储信息由无线传感器网络(WSN)应用软件完成。该软件具有不同应用模块，即跟踪矿工和车辆、在露天矿场中的路线跟踪、预防致命事故、预防车辆碰撞、环境监视、监视矿工的非安全作业、发送告警消息以及矿工的值班小时报告。
在本发明的用于矿场的无线信息系统的一个物理实施例中，系统的不同单元的规格给出如下。
如图1中所示的ZigBee收发器：高性能低功率8051微控制器芯；操作电压为2V至3.6V；操作环境温度范围为-40℃至85℃；频带为2.4GHz-2.4835GHz ISM；有源微控制器在接收模式中的电流消耗为27mA，而有源微控制器在发送模式中的电流消耗为25mA；无线电比特速率为250kbps；闪存为128kb；并且接收器灵敏度为-94dBm；从休眠到活跃模式的过渡时段为54μs；从活跃到接收或者发送模式的过渡时段为450μs。
无线传感器网络(WSN)应用软件在作为前端工具的窗口环境下的Visual Basic中开发，而SQL-Server为后端支持。Visual Basic(VB)是基于面向对象的软件包，因此使用由VB提供的各种对象。在VB中设计很少功能和类以集成该软件。对于报告很强大和广泛的软件，使用Crystal Report。
通过以下非显而易见的发明步骤已经实现本发明的用于矿场的无线信息和安全系统的新颖特征：集成符合ZigBee的可编程收发器以通过硬件专用嵌入式软件和具有各种应用模块的无线传感器网络(WSN)应用软件作为终端设备、路由器和协调器来工作，这些应用模块即跟踪矿工和车辆、在露天矿场中的路线跟踪、预防致命事故、预防车辆碰撞、环境监视、监视矿工的非安全作业、发送告警消息以及矿工的值班小时报告。ZigBee设备满足IEEEE 802.15.4标准并且具有使该技术在矿场中可行和适用的宝贵特征，这些特征即为非需许可的2.4GHz ISM频带、超低功耗、借助廉价电池操作经年、允许大量节点/传感器、在网络节点之间的可靠和安全的链路、容易部署和配置、低成本系统、非常快的过渡时间、数字电池监视设施、尺寸更小(片上系统)以及能够在矿难情况下在路由器之间自动形成替代网络。
本发明相对于现有技术的新颖性在于：
1.能够使用支持ZigBee的有源RFID收发器设备(在它们本身之间形成无线网络)以及在关键位置放置的其它静态和移动ZigBee设备来跟踪和监视地下矿场中的矿工和设备。
2.能够标识进入地下矿场的矿工以保持对矿工的跟踪并且维持计算机化看护。
3.能够监视设备位置及其操作以提高生产率并且减少致命碰撞事故。
4.能够在矿难情况下对矿工进行定位和跟踪以进行迅速援救行动。
5.能够监视矿工的非安全作业并且向相应矿工提供警告。
6.能够实时监视地下矿场中的环境参数。
7.能够向地下矿场中的相关人员发送编码消息。
8.能够在地下矿场中的特定区域中发生矿难的情况下在未受干扰的可用路由器之间自动形成替代网络，从而通信在整个矿场中不受干扰。
9.能够监视倾卸车在露天矿场中的移动，这最终有助于实现最优的铲-卸车性能并且提高生产率。
10.实现一种用于地下和露天矿场的低功率、本质上安全、易于安装和成本有效的矿工的信息和安全系统。
通过以下非显而易见的发明步骤已经实现用于矿场的无线信息和安全系统的新颖性，这些步骤组合地提供符合ZigBee的收发器(通过硬件专用嵌入式软件可编程为作为终端设备、路由器和协调器来工作)以及具有用于地下和露天矿场的各种应用模块的无线传感器网络(WSN)应用软件。本发明的系统主要包括如下两个模块：ZigBee RFID收发器，其通过在所需的矿场部分中形成多跳无线传感器网络来接收和发送数据；以及无线传感器网络(WSN)应用软件，其接收、处理和存储数据，并且向相应网络设备发送必要的命令/消息。
本发明在于硬件和软件的组合，其中已经开发硬件专用嵌入式软件用于将RFID收发器设备编程为协调器、路由器和设备。使用‘C’语言在IAR嵌入式工作台和TI-make库中编译和调试该嵌入式软件。IAR系统是致力于嵌入式系统开发工具领域的瑞典计算机技术公司，而TI(德州仪器)是制造各种电子器件和芯片的美国公司。已经开发无线传感器网络(WSN)应用软件以跟踪、监视和存储从放置在矿场的关键位置的RFID设备接收的信息。
本发明的用于矿场的无线信息和安全系统的使用应当如下：
ZigBee RFID收发器/设备(终端设备、路由器和协调器)容纳于坚硬和强韧的结构中以耐受恶劣采矿条件。协调器(C)在地表控制室中使用RS232线缆来连接到计算机(PC)。路由器(R)悬置于地表上的杆中或者从竖井(SH)/斜井(I)/层(G)的顶部/侧部悬置，从而它不会妨碍人员和机器的移动。两个路由器(R)之间的距离可以随着视线范围越大而在直层(G)/道路(TR)/竖井(SH)/斜井(I)中从40-80m变化。在小型和迷宫式层(G)的情况下，路由器(R)之间的距离应当保持较小距离，从而在路由器(R)之间维持视线距离。路由器(R)应当放置成使得在矿场的特定部分中发生矿难情况下可以通过替代路线自动建立通信。按照上述指导，路由器(R)放置于矿场的需要监视和跟踪矿工和可移动设备的关键位置。这些路由器(R)与协调器(C)形成无线网格网络。所需的环境监视传感器附着到特定路由器，其中气体监视是基本的。终端设备(E)分配给矿工和可移动设备。终端设备(E)在它们与相应路由器(R)的关联期间向路由器(R)发送信号/数据。相应路由器(R)接收信号/数据并且向下一路由器(R)发送，随后借助多跳发送机制通过中间路由器向协调器(C)发送数据。最终，协调器(C)向计算机(PC)发送数据。使用无线传感器网络(WSN)应用软件处理、分析并且在计算机(PC)中存储相同数据。该软件控制和命令全部网络进行的所有操作。该软件执行各种应用，即跟踪地下矿场中的矿工和车辆、进行露天矿场中的路线跟踪、预防地下矿场中的致命事故和车辆碰撞、监视地下环境参数、监视矿工的非安全作业、发送告警消息以及报告矿工的值班小时。分别在图4、图5和图6中描绘了用于竖井地下矿场、斜井地下矿场和露天矿场的详细安装流程。
通过举例说明来给出在实际实践的本发明的用于矿场的无线信息和安全系统的以下例子，因此这些例子不应理解为限制本发明的范围。
例1
本发明的用于矿场的无线信息和安全系统的原型被用于在仿真条件之下的实验室中的实验。使用10个符合ZigBee的RFID收发器/设备来进行实验。将RFID收发器编程为作为终端设备(2个)、路由器(7个)和协调器(1个)来操作。协调器使用RS232线缆来与计算机连接，并且一个路由器放置于协调器附近。然后其余六个路由器放置于两个支路(总公司大楼的走廊)中，在每个支路中的三个路由器保持两个路由器之间约15m的距离。分配路由器之一作为表示为非安全区的受阻设备。将终端设备赋予给两位人员并且命令终端设备在无线网络的不同方向上移动。该系统操作四个小时，并且使用无线传感器网络软件在计算机中记录终端设备移动。该系统在具有终端设备的人员到达分配作为受阻区/非安全区的特定路由器时提供警告信号。该系统提供分配了终端设备的人员的跟踪信息、他们的移动路径、在特定区域中的停留持续时间、当前位置、供给相应终端设备的编码消息以及总操作时间。
例2
在Bharat Coking Coal Limited的Bagdiggi Mine中用本发明的原型进行另一实验。使用支持ZigBee的有源RFID收发器设备(2个终端设备、7个路由器和1个协调器)(在它们本身之间形成无线网络)以及在关键位置放置的其它静态和移动ZigBee RFID收发器设备来进行实验。协调器在从入口点分叉的两个层的竖井底部附近使用RS232线缆来与膝上型计算机连接。一个路由器放置于协调器附近约20m的距离处。然后其余六个路由器放置于两个支路(层)中，在每个支路中的三个路由器保持两个路由器之间约40-50m的距离，从而在两个路由器之间维持视线。分配位于一个支路(层)的末端点的一个路由器作为表示为非安全区的受阻设备。将终端设备赋予给两位人员并且命令终端设备在这样形成的两层中的无线网络的不同方向上移动。该系统操作八个小时，并且使用无线传感器网络软件在膝上型计算机中记录终端设备的移动。该系统在终端设备到达分配作为非安全区的特定路由器时提供警告信号。该系统提供分配了终端设备的人员的跟踪信息、他们的移动路径、在特定区域中的停留持续时间、当前位置、供给相应终端设备的编码消息以及总操作时间。在地下矿场中成功地试验了该系统。
本发明的用于矿场的无线信息和安全系统基本上能够连续跟踪和监视矿场中的矿工和可移动设备。该系统能够标识进入地下矿场的矿工以保持对矿工的跟踪并且维持计算机化看护。该系统能够监视设备位置及其操作以提高生产率并且减少致命碰撞事故。该系统能够监视矿工的非安全作业并且在矿工迫近非安全区附近时向相应矿工提供警告。该系统能够监视地下矿场中的环境参数。该系统能够向地下矿场中的相关人员发送编码消息。
因此结论表明本发明的用于地下矿场工人的探测系统的发明步骤所实现的新颖特征基本上被证实对于实现更佳安全性的矿场管理而言是有用的。
本发明的用于矿场的无线信息和安全系统的主要优点在于：
1.该系统使用支持ZigBee的有源RFID收发器设备(在它们本身之间形成无线网络)以及在关键位置放置的其它静态和移动ZigBee设备来跟踪和监视地下矿场中的矿工和设备。
2.该系统标识进入地下矿场的矿工以保持对矿工的跟踪并且维持计算机化看护。
3.该系统监视设备位置及其操作以提高生产率并且减少致命碰撞事故。
4.该系统在矿难情况下对矿工进行定位和跟踪以进行迅速援救行动。
5.该系统监视矿工的非安全作业并且向相应矿工提供警告。
6.该系统实时监视地下矿场中的环境参数。
7.该系统向地下矿场中的相关人员发送编码消息。
8.该系统在地下矿场中的特定区域中发生矿难情况下在未受干扰的可用路由器之间自动形成替代网络。
9.该系统监视倾卸车在露天矿场中的移动，这最终有助于实现最优的铲-卸车性能并且提高生产率。
10.该系统实现一种用于地下和地表矿场的低功率、本质上安全、易于安装和成本有效的无线信息和安全机制。

Claims (8)

1.一种用于矿场的无线信息和安全系统，其特征在于：所述系统组合地包括多个可编程的有源RFID收发器设备，所述RFID收发器设备可编程为作为协调器、路由器和终端设备来操作，具有常驻硬件专用嵌入式软件，能够在它们本身之间形成无线网络；所述多个编程的RFID收发器设备被有策略地放置形成统一的无线网格联网基础结构，所述基础结构具有用于跟踪、监视和存储从连接到传感器的所述RFID设备接收的信息的常驻无线传感器网络(WSN)应用软件。
2.如权利要求1所述的用于矿场的无线信息和安全系统，其中所述可编程的有源RFID收发器设备是符合ZigBee的设备。
3.如权利要求1-2中任一项所述的用于矿场的无线信息和安全系统，其中作为用于作为协调器、路由器和终端设备来操作的符合ZigBee的可编程设备、具有常驻应用专用嵌入式软件的所述可编程的有源RFID收发器(1至16)设备包括：天线(1)、低噪声滤波器(2)、下变频混频器(3)、本地振荡器(4)、带通滤波器(5)、放大器(6)、模数转换器(7)、数字解调器(8)、无线电数据接口(9)、控制逻辑(10)、微控制器单元(11)、数字调制器(12)、模拟转换器(13)、低通滤波器(14)、上变频混频器(15)和功率放大器(16)的组合；其中所述天线(1)串联连接到低噪声滤波器(2)、下变频混频器(3)、带通滤波器(5)、放大器(6)、模数转换器(7)和数字解调器(8)；本地振荡器(4)连接到所述下变频混频器(3)和放大器(6)；所述数字解调器(8)通过无线电数据接口(9)连接到数字调制器(12)；控制逻辑(10)连接到所述数字解调器(8)、数字调制器(12)和所述无线电数据接口(9)；微控制器单元(11)连接到所述数据接口(9)；所述数字调制器(12)串联连接到模拟转换器(13)、低通滤波器(14)、上变频混频器(15)和功率放大器(16)；并且所述本地振荡器(14)与所述上变频混频器(15)连接。
4.如权利要求1-3中任一项所述的用于矿场的无线信息和安全系统，其中具有常驻硬件专用嵌入式软件以充当协调器、路由器和终端设备的所述符合ZigBee的有源RFID收发器设备通过矿场中的无线传感器联网来形成基于IEEE 802.15.4的网格网络，用于跟踪地下矿工和设备。
5.如权利要求1-4中任一项所述的用于矿场的无线信息和安全系统，其中所述常驻无线传感器网络(WSN)应用软件具有以下模块：(i)跟踪矿工和车辆；(ii)在露天矿场中的路线跟踪；(iii)预防车辆碰撞和致命事故；(iv)预防车辆碰撞；(v)环境监视；(vi)监视矿工的非安全作业；(vii)发送告警消息；以及(viii)预备计算机化矿工值班小时。
6.如权利要求1-5中任一项所述的用于矿场的无线信息和安全系统，其中使用‘C’语言在IAR嵌入式工作台和TI-make库中编译和调试用于将所述RFID收发器设备编程为作为协调器、路由器和终端设备来工作的所述常驻硬件专用嵌入式软件。
7.如权利要求1-6中任一项所述的用于矿场的无线信息和安全系统，其中所述无线信息和安全系统能够在地下矿场中的特定区域中发生矿难情况下在未受干扰的可用路由器之间自动形成替代网络，从而通信在整个矿场中不受干扰。
8.如权利要求1-7中任一项所述的用于矿场的无线信息和安全系统，其中所述无线信息和安全系统是用于地下和地表矿场的低功率、本质上安全、易于安装和成本有效的系统。
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