一体化自供电矿井应急通信与定位系统技术领域
本实用新型涉及一种一体化自供电矿井应急通信与定位系统，该系统涉及无线通信技术、
电能采集转换技术、无线充电技术等领域。
背景技术
煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、
顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。井下通讯联络系统是煤矿“六大安全避险系统”
之一，是煤矿安全生产的重要保障。现有井下通讯联络系统主要包括有线调度系统、移动
通信系统、广播系统、救灾系统、透地通信系统。当井下发生瓦斯突出、瓦斯爆炸、冲击
地压、冒顶、水灾、火灾等事故时，会对井下巷道内的各种通信设备、通信线缆、供电线
缆造成破坏，所以有线调度系统、移动通信系统、广播系统易受灾害事故影响无法使用。
救灾通信系统由灾后救援人员携带的无线通信系统，可在灾后一定范围内实现通信，但对
于救援人员无法到达的区域仍无法通信。透地通信系统是基于低频透地通信技术的通信系
统，事故影响小，抗灾能力强，但透地通信的发送设备和发送天线体积大成本高，所以透
地通信一般采用单向广播通信方式，井下人员只能接收井上的信息，不能发送信息，只有
在井下有限数量的硐室才可配有发射设备，发生事故后井上仍无法获知不在硐室内的井下
人员情况，所以透地通信系统也无法满足矿井应急通信需要。为保证井下人员的生命安全
并解决以上问题，需要新的应急无线通信系统，能够避免在灾害发生时由于通信、供电电
缆的损坏而导致井上与井下的通信中断，保证在井下灾害发生后，可以为井下被困人员和
救援人员提供可靠的通信和定位服务，同时可为视频和传感器设备提供数据链路通信服务。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种一体化自供电矿井应急通信与定位系统。在井下间隔一定
距离安装无线节点设备，无线节点设备采用无线多跳通信方式组成应急无线通信网络，井下
的无线移动终端设备由无线节点设备接入应急无线通信网络实现通信；无线节点设备默认处
于省电工作状态，无线移动终端设备设有紧急呼叫按钮，用于激活通信区域内的无线节点设
备，并组成应急无线通信网络为系统提供无线应急通信与定位服务；系统支持由无线移动终
端设备发起的应急通信，也支持由井上的通信设备发起的应急通信；无线节点设备内置蓄电
池和电能转换设备，电能转换设备可将井下环境中的能量转换为电能为蓄电池充电。
1.所述系统进一步包括：无线节点设备外壳包括顶部和底部，无线节点设备底部紧贴安装
面固定，外壳剖面应具有以下特征，侧面呈流线型，顶部没有锐角或直角，底部与顶部
交界角为锐角；顶部材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温隔热材料；底部材料采用
具有良好导热特性的材料；无线节点设备外壳具有防水功能。
2.所述系统进一步包括：电能转换设备为风电转换器，将风能转换为电能。
3.所述系统进一步包括：电能转换设备为电磁场能转换器，将附近供电线缆发出的电磁场
能转换为电能。
4.所述系统进一步包括：电能转换设备为光电转换器，将光能转换为电能。
5.所述系统进一步包括：电能转换设备为振动能/电能转换器，将振动能转换为电能。
6.所述系统进一步包括：电能转换设备为声电转换器，将环境声音能量转换为电能。
7.所述系统进一步包括：电能转换设备为温度差/电能转换器，将环境温度差转换为电能。
8.所述系统进一步包括：电能转换设备为射频电磁场能转换器，将临近的无线无线移动终
端设备发射的射频电磁辐射能转换为电能。
9.所述系统进一步包括：电能转换设备包括风电转换器、电磁场能转换器、光电转换器、
振动能/电能转换器、声电转换器、温度差/电能转换器、射频电磁场能转换器中的一种或
多种转换器。
10.所述系统进一步包括：无线移动终端设备包括手机、定位卡、具有无线通信功能的矿灯、
具有无线通信功能的便携仪器和其它具有无线通信功能的设备。
11.所述系统进一步包括：无线节点设备安装于巷道侧壁或顶部和井筒壁，也可安装于巷道
侧壁或顶部和井筒壁牢固的且在巷道使用期内永久性保留的附属设施上。
附图说明
图1一体化自供电矿井应急通信与定位系统实施示意图1。
图2一体化自供电矿井应急通信与定位系统实施示意图2。
图3无线节点设备安装和剖面结构示意图。
图4无线节点设备原理组成示意图。
图5电磁波能转换器原理示意图。
图6射频电磁波能转换器原理示意图。
图7包含风电转换器的无线节点设备结构示意图。
图8包含光电转换器的无线节点设备结构示意图。
图9振动能/电能转换单元结构示意图。
图10声电转换基本单元结构示意图。
图11声能转换部件示意图。
图12温差转换部件结构示意图。
图13井下的无线移动终端设备发起通信的系统工作流程图。
图14井上设备呼叫井下的无线移动终端设备通信的系统工作流程图。
具体实施方式
所述通信与定位系统的具体实施方式1如图1所示，组成包括：
1.监控终端(101)，通过无线通信网络与井下无线移动终端设备(106)双向通信。
2.交换机(102)，负责所有接入以太网的设备的数据交换，同时负责无线通信网络的
建立与管理。
3.无线节点设备(103)，负责组建无线通信网络；具有自主供电功能，包括有风电转
换、电磁场能转换、光电转换、振动能/电能转换、声电转换、温度差/电能转换、射
频电磁场能转换中的一种或多种转换器；默认处于省电工作状态，可被无线移动终
端设备(104)和相邻的其它设备激活进入正常工作状态，在通信完成后自动返回省
电工作状态。
4.无线移动终端设备(104)，包括手机、定位卡、具有无线通信功能的矿灯、具有无
线通信功能的便携仪器和其它具有无线通信功能的设备，设有紧急呼叫按钮，用于
激活通信区域内的处于省电状态的无线节点设备(103)。
图2所示为所述通信与定位系统在斜井、平硐的实施方式示意图。
图3为无线节点设备安装和剖面结构示意图，包括：
1.锚杆(301)，用于固定安装无线节点设备，深入巷道壁内部，使无线节点设备底部紧
贴安装平面固定，事故发生时可有效防止无线节点设备脱落。
2.无线节点设备外壳底部(302)，用于搭载和安装无线节点设备各部件，采用具有良好
导热性能的材料，并具有防水功能，可将设备内部热量传导至底部接触的介质上进
行传导散热。
3.无线节点设备外壳顶部(303)，呈流线型，材料采用没有无线信号屏蔽作用的耐高温
隔热材料，并具有防水功能。
4.无线节点设备主板固定铜柱(304)，用于支撑和固定无线节点设备主板(203)，共4
个，固定在无线节点设备底部。
5.无线节点设备蓄电池(305)，安装在无线节点设备外壳底部。
6.无线节点设备主板(306)，包括除天线外所有的无线节点设备组成元部件，安装在蓄
电池上方，与蓄电池间隔一定的距离。
7.无线节点设备通信天线(307)，FPC板型天线采用柔性专用转接线与主板上的IPX接
口连接。
8.电能转换器的能量采集部件(308)，采集井下环境中的能量转换为电能，一般由多个
部分组成，本示意图中抽象成一个部件表达。如为风电、光电或射频电磁场转换部
件，则叶片、光电板、射频电磁波采集天线需安装于设备外壳(303)外。
如图4所示为无线节点设备的硬件组成示意图，主要组成包括：
1.处理器(401)，采用Atheros AR7161无线网络处理器，工作频率600Mhz。
2.存储单元(402)；包括快速闪存和随机存储器。快速闪存采用32M Flash；随机存储
器采用128M SDRAM。
3.无线通信单元(403)：包括无线通信模块和天线。无线通信模块核心芯片采用Atheros
AR9220；天线采用FPC板型内置天线，通过柔性专用转接线与主板上AR9220引出的
IPX接口连接，最大增益不小于3.5dBi。
4.最靠近巷道出口的无线节点设备除起无线移动终端设备无线的接入的作用外，还具有
将应急无线通信网络接入井上有线网络的功能，所以此无线节点设备具有有线通信
单元。有线通信单元(404)包括有线通信模块和通信接口。有线通信模块核心芯片
采用Atheros AR8035，支持千兆以太网。通信接口采用标准以太网通信接口。
5.电源单元(405)：包括蓄电池、电压转换和电池充放电管理部分，蓄电池使用锂离子
蓄电池，锂电池应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有有外保护电路，具备
防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换负
责将锂电池输出电压转换为其它单元元件所需电压，采用MAX1724电源芯片。电池
充电管理核心芯片采用CS0301锂电池充电管理芯片。
6.电能转换器(406)，将井下环境中的能量转换为电能，可为风电转换、电磁场能转换、
光电转换、振动能/电能转换、声电转换、温度差/电能转换、射频电磁场能转换中的
一种或多种转换器。能量采集部件、整流电路、滤波电路、稳压电路和储能元件；
能量采集部件负责将环境能量转换为电能，提供原始波动电源；整流电路负责将风
电转换、电磁场能转换、振动能/电能转换、声电转换、射频电磁场能转换产生的电
源进行整流，采用单项桥式整流电路；滤波电路负责将风电转换、电磁场能转换、
振动能/电能转换、声电转换、射频电磁场能转换产生的经整流后的波动电源进行滤
波，输出较为平滑的滤波电源；稳压电路用于电源稳压，由光能和热能转换的电能
无需整流和滤波，可直接进行稳压。稳压电路可采用稳压管，也可采用可调集成稳
压器LM317；储能元件起防电冲击和储能作用，为无线节点设备提供较稳定的电源供
电，主要包括一个大容量超级电容。
如图5所示为电磁波能转换器原理示意图，电磁波能转换模块采集供电线缆产生的工频
电磁波能，将其转换为电能。电磁波能转换器组成包括电磁感应天线、整流、滤波和稳压电
路；采用带铁氧体芯的线圈作为电磁感应天线；采用电磁波能转换的电能转换设备安装时，
先使用设备开停传感器在线缆周边不同位置进行测试，根据设备开停传感器指示确定最佳安
装位置，在此位置安装电能转换设备。
如图6所示为射频电磁波能转换器原理示意图，射频电磁波能转换器采集附近无线移动
终端设备所发射的射频电磁波能，将其转换为电能。射频电磁波能转换器组成包括电磁感应
天线、可调电感、整流、滤波、稳压电路；电磁感应天线采用L型天线，可调电感用于谐振
调整，频率调整为无线移动终端设备的通信工作频率。
如图7所示为包含风电转换器的无线节点设备结构示意图，包括：叶片(701)、外轴(702)、
传动轴(703)、发电机(704)、主板(705)等部分。主板(705)上包含有整流电路、滤波
电路、稳压电路和储能元件。
如图8所示为包含光电转换器的无线节点设备结构示意图，包括：光电转换板(801)、
支杆(802)、电线(803)、主板(804)等。光电转换板(801)将光能转换为电能，支杆(802)
用于支撑连接光电转换板，与光电转换板连接处采用活动转轴，可调节光电转换板方向至最
佳采光位置；支杆采用中空材料，可放置光电转换板引出的电线(803)。主板(804)上包
含有稳压电路和储能元件。
如图9所示为振动能/电能转换部件结构示意图，振动能/电能转换模块通过压电材料的
振动来实现机械能与电能之间的转换。组成包括：振子(901)、压电悬臂(902)、导电层(903)、
电极(904)(905)，基板(906)。振子(901)用于降低压电悬振动频率，调整整体固有频
率与环境机械振动相匹配而产生共振，压电悬臂(902)采用PZT锆钛酸铅压电陶瓷材料，
压电悬臂形变时在两个表面产生极性相反的电荷。导电层(903)覆盖在PZT材料表面，负
责将PZT材料产生的表面电荷引出，电极(904)和电极(905)极性相反，连接整流电路。
基板(906)采用硅基材料，固定在电能转换器底部。
如图10所示为声电转换部件基本单元结构示意图，包括：压电薄膜(1001)、导电镀膜
(1002)、电极(1003)(1004)、均压孔(1005)、基板(1006)。压电薄膜(1001)呈圆形，
采用PYDF聚偏氟乙烯压电膜材料，根据所环境噪声的声能峰值确定主要噪声频率，根据主
要噪声频率确定压电薄膜厚度。导电镀膜(1002)采用金属材料，直接覆盖在压电材料表面，
负责将压电材料产生的表面电荷引出。电极(1003)和电极(1004)极性相反。基板(1006)
采用硅基材料，为中空的长方体；均压孔(1005)用于保证单元内外的气压平衡。
如图11所示为声能转换单元示意图，呈正方体，4个面由多个声电转换单元组合成声电
转换阵列，可接收4个方向的声能，所有声电转换单元的输出并联，共同连接稳压电路板。
如图12所示为温差转换单元结构示意图，温差转换模块利用两种不同半导体材料温差
而引起电动势实现热能到电能的转换，包括：导热板(1201)、珀耳帖元件(1202)、散热片
(1203)、电极(1204)(1205)。导热板(1201)和散热片(1203)采用导热特性良好的金
属铜板，珀耳帖元件(1202)位于导热板和散热片中间，利用两端的温差产生电动势。由于
温差不易发生突变，所以产生的电动势一般不会突变，所以无需整流和滤波电路，电极(1204)
与电极(1205)极性相反，直接连接稳压电路板。
如井下无线移动终端设备发起应急通信，所述系统的工作流程如图13所示：
1.(1301)按下无线移动终端设备的紧急呼叫按钮及呼叫号码，无线移动终端设备发送
网络链路建立请求。
2.(1302)最近的无线节点设备接收无线移动终端设备网络链路建立请求，如无线节点
设备处于省电状态，则从省电状态转入正常工作状态。
3.(1303)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。
4.(1304)无线节点设备根据路由判断网络链路方向，如被呼叫设备由本无线节点设备
接入，则执行(1307)；如被呼叫设备的路由级数较低，则执行(1305)；如被呼叫
设备的路由级数较高则执行(1306)。
5.(1305)依次唤醒上行方向上处于省电状态的无线节点设备，直至被呼叫所在区域的
无线节点设备，如被呼叫设备是井上设备，则唤醒上行方向的所有无线节点设备。
6.(1306)依次唤醒下行方向上处于省电状态的无线节点设备，直至被呼叫设备所在区
域的无线节点设备。
7.(1307)网络链路所需设备都被唤醒后，建立呼叫设备和被呼叫设备之间的网络链路。
8.(1308)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。
9.(1309)呼叫设备或被呼叫设备任一方主动结束通信，或超过设定时间网络链路无数
据通信，则断开网络链路。
10.(1310)断开网络链路延迟设定时间后，此网络链路上原处于省电状态的无线节点
设备再次转入省电状态。
如井上设备发起同井下的无线移动终端设备的应急通信，所述系统的工作流程如图14所
示：
1.(1401)井上设备呼叫井下的无线移动终端设备。
2.(1402)接入有线网络的无线节点设备接收井上设备的网络链路建立请求。
3.(1403)无线节点设备查询被呼叫设备的路由。
4.(1404)依次唤醒下行方向上处于省电状态的无线节点设备，直至被呼叫设备所在区
域的无线节点设备。
5.(1405)网络链路所需设备都被唤醒后，建立呼叫设备和被呼叫设备之间的网络链路。
6.(1406)呼叫设备和被呼叫设备通过网络链路进行通信。
7.(1407)呼叫设备或被呼叫设备任一方主动结束通信，或超过设定时间网络链路无数
据通信，则断开网络链路。
8.(1408)断开网络链路延迟设定时间后，此网络链路上原处于省电状态的无线节点设
备再次转入省电状态。