本發(fā)明涉及一種煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置，該系統(tǒng)涉及無(wú)線電通信、井下安全監(jiān)控和定位技術(shù)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤礦安全監(jiān)控是遏制煤礦重特大事故發(fā)生的必要措施。《AQ1029-2016煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)儀器使用》等安全生產(chǎn)行業(yè)和煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都已明確各類(lèi)煤礦井下工作面及巷道中甲烷傳感器及風(fēng)速、風(fēng)向等傳感器的詳細(xì)安裝位置，還明確規(guī)定了各傳感器的限值與相應(yīng)的斷電閉鎖等自動(dòng)處理流程，防止煤炭生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯超限引起的火災(zāi)、爆炸等事故的發(fā)生，有效保障了煤礦安全生產(chǎn)。然而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，部分井下工作人員為減少瓦斯超限斷電閉鎖對(duì)煤炭生產(chǎn)的影響，不按規(guī)定位置安裝或私自移動(dòng)傳感器，造成了瓦斯爆炸等重大事故隱患。目前的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)只能對(duì)傳感器的工作狀態(tài)及通信狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，無(wú)法監(jiān)控傳感器的實(shí)際位置。為防止人為的傳感器位置作弊，保證各傳感器能夠可靠有效的工作，需要一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下傳感器安裝位置，并能對(duì)傳感器位置作弊進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與報(bào)警的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置，所述裝置包括：至少一種礦井下傳感器；至少一種用于監(jiān)測(cè)礦井下傳感器位置的定位裝置；用于存儲(chǔ)傳感器設(shè)計(jì)安裝位置相關(guān)的至少一種位置數(shù)據(jù)及其允許誤差的存儲(chǔ)裝置；用于處理和監(jiān)測(cè)傳感器位置相關(guān)的位置數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理裝置，負(fù)責(zé)將通過(guò)所述定位裝置獲得的當(dāng)前傳感器位置數(shù)據(jù)與所述存儲(chǔ)裝置所存儲(chǔ)的傳感器設(shè)計(jì)安裝位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)監(jiān)測(cè)到的傳感器位置與設(shè)計(jì)安裝位置距離是否大于允許誤差做出邏輯判斷；用于根據(jù)所述數(shù)據(jù)處理裝置處理結(jié)果發(fā)出聲光報(bào)警的報(bào)警裝置；用于傳輸數(shù)據(jù)的通信裝置。

1.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置包括監(jiān)測(cè)絕對(duì)位置數(shù)據(jù)的裝置和監(jiān)測(cè)相對(duì)位置數(shù)據(jù)的裝置。

2.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置的安裝位置包括井下傳感器殼體內(nèi)。

3.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述傳感器位置數(shù)據(jù)包括三維位置數(shù)據(jù)。

4.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述傳感器位置數(shù)據(jù)包括二維位置數(shù)據(jù)。

5.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述傳感器位置數(shù)據(jù)包括一維位置數(shù)據(jù)；所述一維位置數(shù)據(jù)包括沿巷道軸向的一維距離數(shù)據(jù)。

6.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述傳感器位置數(shù)據(jù)包括經(jīng)度、緯度和高度數(shù)據(jù)。

7.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述傳感器位置數(shù)據(jù)包括與參照物的距離數(shù)據(jù)。

8.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置包括井下定位系統(tǒng)的定位終端設(shè)備。

9.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置包括超聲波測(cè)距定位設(shè)備。

10.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置包括激光測(cè)距定位設(shè)備。

11.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置包括紅外測(cè)距定位設(shè)備。

12.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置包括電子雷達(dá)定位設(shè)備。

13.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置包括圖像監(jiān)測(cè)定位設(shè)備。

14.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置使用至少一種測(cè)距設(shè)備采集傳感器與參照物的當(dāng)前距離數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)處理裝置將傳感器與參照物的當(dāng)前距離數(shù)據(jù)與所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)的傳感器與參照物的設(shè)計(jì)安裝距離數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)監(jiān)測(cè)到兩個(gè)距離數(shù)據(jù)的差的絕對(duì)值超過(guò)允許誤差時(shí)，則發(fā)出報(bào)警邏輯信號(hào)，由所述報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警，并通過(guò)所述通信裝置傳輸報(bào)警信號(hào)。

15.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置采集傳感器當(dāng)前二維位置數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)處理裝置將當(dāng)前二維位置數(shù)據(jù)與所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)的傳感器設(shè)計(jì)安裝二維位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)監(jiān)測(cè)到兩個(gè)位置數(shù)據(jù)的距離超過(guò)允許誤差時(shí)，則發(fā)出報(bào)警邏輯信號(hào)，由所述報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警，并通過(guò)所述通信裝置傳輸報(bào)警信號(hào)。

16.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述定位裝置采集傳感器當(dāng)前三維位置數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)處理裝置將當(dāng)前三維位置數(shù)據(jù)與所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)的傳感器設(shè)計(jì)安裝三維位置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)監(jiān)測(cè)到兩個(gè)位置數(shù)據(jù)的距離超過(guò)允許誤差時(shí)，則發(fā)出報(bào)警邏輯信號(hào)，由所述報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警，并通過(guò)所述通信裝置傳輸報(bào)警信號(hào)。

17.所述定位報(bào)警裝置進(jìn)一步包括：所述礦井下傳感器包括甲烷傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、煙霧傳感器、攝像機(jī)。

下文更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施示例。

附圖說(shuō)明

圖1煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置實(shí)施示例1示意圖。

圖2煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置實(shí)施示例1的硬件組成示意圖。

圖3煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置實(shí)施示例1的報(bào)警流程示意圖。

圖4煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置實(shí)施示例2示意圖。

圖5煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置實(shí)施示例2的硬件組成示意圖。

圖6煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置實(shí)施示例3示意圖。

圖7煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置實(shí)施示例3中的圖像識(shí)別報(bào)警器硬件組成示意圖。

圖8煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置實(shí)施示例3的圖像識(shí)別報(bào)警器報(bào)警流程示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所述定位報(bào)警裝置可采用TOA、TDOA、RSSI、AOA、圖像識(shí)別等定位技術(shù)進(jìn)行定位；可采用的定位裝置包括超聲波測(cè)距定位設(shè)備、激光測(cè)距定位設(shè)備、紅外測(cè)距定位設(shè)備、電子雷達(dá)定位設(shè)備、圖像識(shí)別定位設(shè)備等；所述定位裝置一般集成于傳感器內(nèi)，電子雷達(dá)定位設(shè)備和圖像識(shí)別定位設(shè)備可獨(dú)立安裝，從外部監(jiān)測(cè)傳感器位置。

圖1所示為采用RSSI定位技術(shù)的煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置實(shí)施示例1，所述定位報(bào)警裝置通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，并與井上設(shè)備通信，主要組成包括：

1.監(jiān)控終端(101)，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的顯示監(jiān)視設(shè)備，負(fù)責(zé)井下傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)控、聲光報(bào)警和人機(jī)交互，生產(chǎn)管理人員可通過(guò)監(jiān)控終端對(duì)所述定位報(bào)警裝置進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井下傳感器及其它設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控；監(jiān)控終端具有地圖顯示功能，地理信息平臺(tái)可使用MapX地圖化組件,礦井地圖為巷道矢量地圖,地圖文件為MapInfo格式。

2.存儲(chǔ)服務(wù)器(102)，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)裝置，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)各傳感器數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)等，并為監(jiān)控終端提供查詢(xún)服務(wù)。

3.交換機(jī)(103)，通信網(wǎng)絡(luò)的交換設(shè)備，負(fù)責(zé)所有接入通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，可采用以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)設(shè)備。

4.分站(104)，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器及其它無(wú)線通信設(shè)備進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)接入轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，并作為定位參考定位節(jié)點(diǎn)，為所述定位報(bào)警裝置及煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的其它無(wú)線通信設(shè)備提供定位服務(wù)，采用標(biāo)準(zhǔn)WiFi接入設(shè)備。

5.煤礦井下傳感器定位報(bào)警裝置(105)，包括傳感器及傳感器定位裝置等組成部件，具體組成見(jiàn)圖2。

圖2為所述定位報(bào)警裝置實(shí)施示例1的主要硬件組成：

1.主板(201)，是傳感器的核心部件，板上元件包括核心處理器、存儲(chǔ)單元、電源與時(shí)鐘模塊、傳感器。

2.核心處理器(202)，為所述定位報(bào)警裝置的數(shù)據(jù)處理裝置，使用采用三星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核的微處理器，具有3個(gè)UART接口，2個(gè)SPI接口，2個(gè)USB接口，1個(gè)IIC-BUS接口；搭載Linux系統(tǒng)。

3.存儲(chǔ)單元(203)；包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。NOR Flash作為所述定位報(bào)警裝置的存儲(chǔ)裝置使用，用于存儲(chǔ)傳感器設(shè)計(jì)安裝位置相關(guān)的位置數(shù)據(jù)及其允許誤差，還存儲(chǔ)通信范圍內(nèi)的各分站坐標(biāo)值。

4.電源與時(shí)鐘模塊(204)包括電壓轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘管理元件，DC電壓轉(zhuǎn)換均采用MAX1724系列電源芯片，為所有芯片供電；選用12MHz晶振。

5.傳感器(205),負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如采集巷道的甲烷濃度，可采用MQ-4甲烷傳感器模塊，量程范圍300至10000ppm，將甲烷濃度轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，由核心處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；如采集巷道的一氧化碳傳感器濃度，可采用ME2-C0一氧化碳傳感器模塊；如采集巷道的二氧化碳傳感器濃度，可采用MG811二氧化碳?xì)怏w傳感器模塊；如采集巷道的氧氣濃度，可采用ME3-O2氧氣傳感器模塊等。

6.無(wú)線通信模塊(206)，作為定位裝置和通信裝置使用，采用USB接口Wifi無(wú)線網(wǎng)卡，由Linux及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供支持。

7.報(bào)警器(207)，即報(bào)警裝置，采用一體式聲光報(bào)警器，通過(guò)UART接口與核心處理器通信。

所述定位報(bào)警裝置實(shí)施示例1的報(bào)警工作流程如圖3所示：

1.(301)通過(guò)無(wú)線通信模塊(206)采集無(wú)線通信距離內(nèi)的分站發(fā)出Wifi信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度RSSI值。

2.(302)核心處理器根據(jù)各分站信號(hào)的RSSI值和存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的各分站的位置坐標(biāo)運(yùn)算自身坐標(biāo)值。

3.(303)核心處理器從存儲(chǔ)單元調(diào)取該傳感器設(shè)計(jì)安裝位置數(shù)據(jù)信息及其允許誤差數(shù)據(jù)。

4.(304)核心處理器計(jì)算所述定位報(bào)警裝置當(dāng)前位置和設(shè)計(jì)安裝位置的距離，當(dāng)所得距離大于允許誤差范圍時(shí)執(zhí)行(305)，否則返回(301)。

5.(305)核心處理器控制報(bào)警器(207)發(fā)出聲光報(bào)警。

6.(306)通過(guò)無(wú)線通信模塊(206)和通信網(wǎng)絡(luò)向煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)。

圖4為所述定位報(bào)警裝置實(shí)施示例2，與實(shí)施示例1的主要區(qū)別在于所述定位報(bào)警裝置內(nèi)置測(cè)距設(shè)備作為定位裝置，可測(cè)量沿巷道軸向的一維距離數(shù)據(jù)，如與工作面或巷道壁的距離；本示例中所處理和存儲(chǔ)的位置數(shù)據(jù)均為一維距離數(shù)據(jù)。

圖5為所述定位報(bào)警裝置實(shí)施示例2的主要硬件組成，與圖2的實(shí)施示例1中傳感器的主要硬件組成相比，增加了測(cè)距模塊(207)，用于測(cè)量一維距離數(shù)據(jù)，可采用超聲波測(cè)距設(shè)備如KS109收發(fā)一體超聲波測(cè)距模塊距離傳感器，與核心處理器采用IIC-BUS接口通信；也可采用激光測(cè)距定位設(shè)備如GLS-B60激光測(cè)距傳感器模塊，與核心處理器采用USB接口通信；也可采用紅外測(cè)距定位設(shè)備如GP2Y0A710K紅外測(cè)距模塊，由核心處理器采集模塊輸出的模擬數(shù)據(jù)。無(wú)線通信模塊(206)只負(fù)責(zé)無(wú)線通信，無(wú)需定位。實(shí)施示例2的報(bào)警流程與圖3所示實(shí)施示例1的報(bào)警流程基本相同，區(qū)別在于所涉及的位置數(shù)據(jù)均為一維距離數(shù)據(jù)。

圖6為所述定位報(bào)警裝置實(shí)施示例3，與實(shí)施示例1的主要區(qū)別在于所述定位報(bào)警裝置不集成在一個(gè)殼內(nèi)，而是由三部分組成，包括：

1.傳感器(106)負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信模塊連接通信網(wǎng)絡(luò)，為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

2.攝像機(jī)(107)負(fù)責(zé)采集包括傳感器在內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，采用模擬攝像機(jī)，通過(guò)模擬視頻端口連接圖像識(shí)別報(bào)警器(108)。

3.圖像識(shí)別報(bào)警器(108)通過(guò)圖像模式識(shí)別方式對(duì)各傳感器進(jìn)行定位，并完成數(shù)據(jù)處理、報(bào)警工作。

如圖7所示，圖像識(shí)別報(bào)警器組成包括：

1.核心處理器(701)，采用三星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核的微處理器，具有8位數(shù)字視頻接口，最大值支持4096×4096像素可編程視頻同步信號(hào)輸入，通過(guò)8位數(shù)字視頻接口接收視頻采集模塊(203)的視頻數(shù)據(jù)；S3C2440通過(guò)16位總線方式連接網(wǎng)絡(luò)通信模塊(205)；S3C2440通過(guò)IC-BUS接口與視頻采集模塊SAA7113進(jìn)行控制通信，使用嵌入式Linux平臺(tái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制通信，內(nèi)置OpenCV庫(kù)用于視頻數(shù)據(jù)處理。在本實(shí)施示例中作為所述定位報(bào)警裝置的數(shù)據(jù)處理裝置。

2.存儲(chǔ)單元(702)；包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。在本實(shí)施示例中NOR Flash作為所述定位報(bào)警裝置的存儲(chǔ)裝置使用，用于存儲(chǔ)傳感器在采集圖像中的設(shè)計(jì)安裝位置數(shù)據(jù)及其允許誤差。

3.視頻采集模塊(703)；主要處理芯片采用SAA7l13H視頻輸入處理芯片，SAA7l13H是QFP44封裝，電壓3.3V,通過(guò)IIC-BUS接口與核心處理器(201)進(jìn)行控制通信，選擇四路模擬輸入通道一路進(jìn)行攝像頭模擬場(chǎng)頻視頻信號(hào)的采集，通過(guò)8位VPO總線向核心處理器(701)輸出標(biāo)準(zhǔn)ITU656格式的數(shù)字視頻。

4.報(bào)警器(704)，為所述定位報(bào)警裝置的報(bào)警裝置，采用一體式聲光報(bào)警器，通過(guò)UART接口與核心處理器通信。

5.網(wǎng)絡(luò)通信模塊(705)，主要芯片采用DM9000，DM9000是完全集成的單芯片以太網(wǎng)MAC控制器，上層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由核心處理器的內(nèi)置Linux驅(qū)動(dòng)支持。DM9000支持10/100M自適應(yīng)，支持3.3V與5V的電源電壓。DM9000通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器接口芯片YL18-1080S連接RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的物理連接進(jìn)行通信。在本實(shí)施示例中作為所述定位報(bào)警裝置的通信裝置。

6.電源與時(shí)鐘模塊(706)包括AC/DC開(kāi)關(guān)電源、DC電壓轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘管理元件，AC/DC開(kāi)關(guān)電源輸出5V直流電，DC電壓轉(zhuǎn)換均采用MAX1724電源芯片，為所有芯片供電；選用12MHz晶振。

所述定位報(bào)警裝置實(shí)施示例3的圖像識(shí)別報(bào)警器報(bào)警工作流程如圖8所示：

1.(801)視頻采集模塊(703)采集攝像機(jī)(107)傳輸?shù)哪M視頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。

2.(802)核心處理器(701)運(yùn)用內(nèi)置OpenCV庫(kù)對(duì)視頻數(shù)據(jù)處理，對(duì)傳感器位置進(jìn)行模式識(shí)別。

3.(803)核心處理器從存儲(chǔ)單元(702)調(diào)取包括安裝在設(shè)計(jì)安裝位置的傳感器圖像數(shù)據(jù)及傳感器位置的允許誤差數(shù)據(jù)。

4.(804)核心處理器計(jì)算當(dāng)前傳感器位置與設(shè)計(jì)安裝位置的距離，當(dāng)所得距離大于允許誤差范圍時(shí)執(zhí)行(805)，否則返回(801)

5.(805)核心處理器控制報(bào)警器(704)發(fā)出聲光報(bào)警。

6.(806)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信模塊(705)和通信網(wǎng)絡(luò)向煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)。

所述定位報(bào)警裝置也可采用具有目標(biāo)位置偵測(cè)和報(bào)警功能的攝像機(jī)直接對(duì)傳感器進(jìn)行位置監(jiān)測(cè)報(bào)警。