煤矿井下安全报警及人员管理装置.pdf

本实用新型涉及煤矿井下安全报警及人员管理，属于射频技术以及无线传输领域。本实用新型监护中心服务器与坑道电子卡扫描器连接并读取数据，而井下人员所佩戴的电子卡经过双波段天线经无线通讯网与监护中心服务器发送或接收信号。本实用新型完成了无线监控、人员定位、环境监测、生产管理功能为一体的综合无线数字化系统，该系统具有传统煤矿监测系统所无法比拟的优越性，利用RFID(radio frequency identification)技术，计算机网络技术提供了矿山乃至井下作业面无法监测的可行性解决方案。该电子卡集成度高，体积小，并利用几个传感器模块将一氧化碳气体、甲烷气体、温度、粉尘、湿度、压力等相关数据读入卡内经处理器处理通过双波段天线发送到服务器。

1、  煤矿井下安全报警及人员管理装置，由监护中心服务器(1)、坑道电子卡扫描器(4)、电子卡(8)组成，其特征在于：监护中心服务器(1)与坑道电子卡扫描器(4)连接，监护中心服务器(1)通过有线数字通讯(2)和网络连接(3)与坑道电子卡扫描器(4)连接并读取数据，坑道电子卡扫描器(4)通过微波天线矩阵(5)经无线通讯网(7)把信号发送至监护中心服务器(1)，而井下人员所佩戴的电子卡(8)经过双波段天线(6)经无线通讯网(7)与监护中心服务器(1)发送或接收信号，电子卡(8)上设有传感模块(10)，传感模块(10)与A/D及信号处理电路(11)连接后与微处理器(12)连接，微处理器(12)与电子卡声光报警电路(13)连接，微处理器(12)与电子标签芯片组(14)连接，电子标签芯片组(14)的信号经过一个功放电路(15)与双波段微波天线(6)连接，电子卡(8)的上设有电池(9)。

2、  根据权利要求1所述的煤矿井下安全报警及人员管理装置，其特征在于：电子卡(8)通过无线通讯网(7)与监护中心服务器(1)直接连接，监护中心服务器(1)与室外显示屏(16)、紧急报警(17)、继电器控制模块(19)相连接，继电器控制模块(19)与其他硬件模块(20)连接。

3、  根据权利要求2所述的煤矿井下安全报警及人员管理装置，其特征在于：其他硬件模块(20)为排风系统、防火系统。

4、  根据权利要求1所述的煤矿井下安全报警及人员管理装置，其特征在于：电子标签芯片组(14)为RFID无线射频电子标签芯片组。

5、  根据权利要求1所述的煤矿井下安全报警及人员管理装置，其特征在于：传感模块(10)内设有甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、压力传感器、风速传感器、湿度传感器、粉尘传感器。

6、  根据权利要求1所述的煤矿井下安全报警及人员管理装置，其特征在于：双波段天线(6)、微波天线矩阵(5)可设有一组或一组以上。

7、  根据权利要求1所述的煤矿井下安全报警及人员管理装置，其特征在于：坑道电子卡扫描器(4)可设置在坑道口以及坑道内，在坑道口和坑道内可设置两个或两个以上电子卡扫描器。

煤矿井下安全报警及人员管理装置
一、技术领域
本实用新型涉及煤矿井下安全报警及人员管理装置，属于射频技术以及无线传输，计算机网络领域。
二、背景技术
近年来，我国许多大、中型煤炭企业都相继建成了自己的局域网络，并开发了财务、人事以及供应等管理信息系统，这些系统的运行提高了煤炭企业的管理水平。但是，就煤矿而言，安全工作始终是煤炭企业面对的最重要、最严峻的问题，特别是近一段时期，全国煤矿重特大事故频繁发生，严重制约了煤炭企业的正常发展，也大大损害了煤炭企业的社会形象。为了加强安全管理的监测，现有的技术是经过传感器把信号发送到监护中心服务器，监护中心服务器再对数据进行分析处理，有的是有线或者光纤传输，这就对实时性，以及发生坍塌时对人员的定位，搜救就有了限制。
三、发明内容
本实用新型解决的技术问题是：实现对所有井下人员进行无线监控、自动跟踪、人员定位、环境监测、生产管理的一种煤矿井下安全报警及人员管理装置。
技术解决方案：由监护中心服务器、坑道电子卡扫描器、电子卡组成，监护中心服务器与坑道电子卡扫描器连接，监护中心服务器通过有线数字通讯和网络连接与坑道电子卡扫描器连接并读取数据，坑道电子卡扫描器通过微波天线矩阵经无线通讯网把信号发送至监护中心服务器，而井下人员所佩戴的电子卡通过双波段天线经无线通讯网与监护中心服务器发送或接收信号，电子卡上设有传感模块，传感模块与A/D及信号处理电路连接后与微处理器连接，微处理器与电子卡声光报警电路连接，微处理器与RFID电子标签芯片组连接，电子标签芯片组经过一个功放电路与双波段微波天线连接，电子卡的上设有电池。
电子卡通过无线通讯网与和监护中心服务器直接连接，监护中心服务器与室外显示屏、紧急报警、继电器控制模块相连接，继电器控制模块与其他硬件模块连接。
传感模块上设有甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、压力传感器、风速传感器、湿度传感器、粉尘传感器。
双波段天线、微波天线矩阵可设有一组或一组以上。
坑道口内设置两个或两个以上电子卡扫描器。
本实用新型完成了无线监控、人员定位、环境监测、生产管理功能为一体的综合无线系统数字化，该系统具有传统煤矿监测、监控系统所无法比拟的优越性，利用RFID(radio frequency identification)技术，计算机网络技术，采用易于与其他网络协议相对接的通信方式，提供了矿山乃至井下作业面无法监测的可行性解决方案。该电子卡集成度高，体积小便于携带，并利用几个传感器模块将一氧化碳气体、甲烷气体、温度、粉尘、湿度、压力等相关数据读入卡内经处理器处理通过双波段天线发送到服务器。
此外，该系统还有与监护中心服务器连接的微波天线矩阵，用于完成电子卡和监护中心服务器之间的双向数据通讯。该系统适用于各种井下作业面的有毒气体、粉尘的自动监测与报警和井下人员的管理。其特点如下：
1、本装置对所有人员佩带的电子卡进行自动跟踪、登记、适时修改更新其内容。该管理系统可远距离对电子卡进行读写操作。对进入作业区的所有人员进行自动跟踪。
2、本装置对电子卡配置的所有传感模块数据可进行远距离读取。
3、本装置可通过电子卡上的声光电路对佩带人员主动进行各种提示。
4、本装置可通过多组并行微波天线矩阵对电子卡所处大致位置进行估算。
5、本装置所提供的各种数据对整个系统实行适时有效的报警。
6、本装置提供的各种数据对系统所处的环境进行必要的安全保护响应，比如对温度、压力、湿度、通风强度、有毒气体超标而采取必要的措施。
7、本装置集成有多种有毒气体传感器，这些传感器可以包括一氧化碳气体传感器、甲烷气体传感器、温度传感器、粉尘传感器、湿度传感器、压力传感器。
8、本装置上的传感器某些输出超出预定指标时，电子卡报警电路会通过双波段微波天线向监护中心服务器报警。同时，向电子卡上的声光报警电路输出报警信号。
9、本装置该电子卡集成有基于RFID技术的微波电子通讯子系统。此子系统与和监护中心服务器直接连接的属于同一网络的RFID总系统接发收网络双向通讯，交流数据。一旦有报警号或接到监护中心服务器的请求，电子卡就会按照通讯协议发出所要求的报警信号或数据。参考以上的电子卡示意图，来自各种传感器的信号经过A/D及信号处理电路送至电子卡上的微处理器，报警和各种数据通过RFID芯片组经由所属RFID驱动电路向总系统RFID接收发信号。来自监护中心服务器的各种命令由RFID芯片组送至微处理器，根据具体要求，微处理器采集所需要的数据，然后再通过RFID芯片组经由所属RFID驱动电路向总系统RFID接收发信号，将所要求的数据最终返回给监护中心服务器。
10、本装置电子卡的内容可以被同一系统的扫描器进行无接触式改写、编辑。对射频标签的写操作在一定的授权控制之下进行
11、本装置中所有佩带该电子卡的下井人员先经过坑道口电子卡扫描器，电子卡上的信息因而被收集并被记录在监护中心服务器数据库中。
12、本装置佩带有给电子卡的人员进入坑道后，进入坑道内电子扫描系统的监测范围内。总系统与子系统的双向通讯可以是定时的，也可以是连续工作方式。
13、本装置总系统的控制电路对其所配置的微波矩阵天线通过模拟电子开关进行快速扫描，其功能为：收集来自电子卡的各种报警信号以及对监护中心服务器的各种命令的响应信息；同时，根据对所有在其扫描范围内的电子卡的相对射频信号强度进行计算，结合微波矩阵天线对某一报警电子卡射频信号的相对接受强度的对比和分析，即可大致估算该电子卡在坑道内的具体位置。
14、本装置监护中心服务器也可以根据从总系统收集到的各种信息，对所有或部分电子卡发出各种指令。与监护中心服务器连接的总系统同时也装有各种独立于电子卡的传感模块和报警装置。一旦监护中心服务器探测到某一或某些报警信号，则可以立即通过总系统报警电路发出报警信息。
15、本装置监护中心服务器所控制的电子扫描系统可以对多个电子卡同时进行扫描，其原理是利用了多标签读写防冲突原理和双扫描器按时序接力启动扫描功能，这种设计使得总系统扫描速度、被扫描的电子卡数目和扫描范围均得到扩大。对于这种系统的设计，时序系统、通信握手、数据帧、数据编码、数据的完整性、多标签读写防冲突、干扰与抗干扰、识读率与误码率、数据的加密与安全性，读写器与应用系统之间的各种接口都是要妥善解决的问题。本系统完整地考虑了以上各种问题，针对矿井下环境的特殊性，主要侧重解决了时序系统的问题和读写器与应用系统之间的各种接口问题。接口问题其中最重要的问题是微波矩阵天线的接力点数据传输和接收信号的强度矢量分布计算问题。这些问题的解决使得电子卡大致位置估算问题得到妥善解决。
16、本装置本系统可实现井下人员的考勤，工作量统计，薪金发放，病事假管理等管理工作，目前常用的IC卡管理系统相比，本系统可以实现下井人员不用下车单个刷卡，可以在下井车同时进行50位以上工人的身份识别，大大的节约了工人在下井前身份签别的时间。由于每个芯片的身份的单一性，与管理网络系统联用可以实现诸如工作量计算、考勤计算、薪金发放、物品领用等现代化管理。
17、本装置井下安全警报与自救。本系统采用国际先进技术监测瓦斯以及其他有害气体，同时可进行对粉尘等有害环境的监测，并可在电子卡上实现灯光及蜂鸣器报警，可以实现工人自我避害以及相互通知和紧急对外报警。本系统电子卡为有源讯号，在一旦发生矿难时，还可以根据讯号强度进行及时有效的抢救工作。
18、本装置电子卡利用几个传感器将一氧化碳气体、甲烷气体、温度、粉尘、湿度、压力等相关数据读入卡内经处理器处理通过无线发送到服务器，实现监控，报警，管理一体化。
19、本装置适应恶劣的工作环境，不受温度变化及粉尘影响，耐用性、  可靠性、  准确性高。本装置能实时检测瓦斯浓度，CO浓度，风速，温度，粉尘，压力，声光等相关参数，传输精度高，抗干扰能力强。实现智能监控与管理系统。
20、本装置易于操作，安装简便，提示性强，井下人员可通过电子卡上的声光电路对佩带人员主动进行明显提示或声音提示。
21、本装置能远距离探测参数并基于多组并行微波天线矩阵对电子卡所处大致位置进行估算。该电子卡集成有基于RFID技术的微波电子通讯子系统。此子系统与和监护中心服务器直接连接的属于同一网络的RFID总系统接发收网络双向通讯，交流数据。
22、本装置电子卡可存入各种用户信息。这些信息包括用户个人信息，用户工作岗位所属信息，时间信息，用户携带的电子卡上记录的各种数据的历史记录等等，可根据需要扩充。
23、本装置监护中心服务器在坑道口设置的双电子卡扫描器按时序接力扫描实现了非等待性扫描，被扫描的电子卡数目和扫描范围均得到扩大，及大的提高了井下人员入井速度，提升了工作效率。
24、本装置采用Li电池，能长久耐用。该系统的粉尘探测器采用红外探头，温度传感器可采用AD590，风速传感器可微压传感器，一氧化炭传感器可采用多种微型半导体固体探头如MGS1100固体半导体探头。
25、本装置系统所提供的各种数据对整个系统实行适时有效的报警，应急紧急呼救系统。该信息传输到信息处理中心，即使发生坍塌，改变以往需要人为报警，改为射频卡发送信息来报警。
26、较高的性价比。由于本系统采用了高度集成，从而使诸多目的在同一设备上实现，有效的节约了成本，有利于大范围推广。
四、附图说明
图1为本实用新型总结构示意图；
图2为本实用新型服务端控制硬件结构框图；
图3为本实用新型电子卡硬件结构示意图；
图4为本实用新型监护中心服务器在坑道口设置的双电子卡扫描器示意图；
图5为本实用新型无线射频电路图；
五、具体实施方式
本实用新型监护中心服务器1与坑道电子卡扫描器4连接，监护中心服务器1通过有线数字通讯2和网络连接3从坑道电子卡扫描器4读取数据，坑道口设有两个电子卡扫描器4，电子卡扫描器4通过微波天线矩阵5经无线通讯网7把信号发送至监护中心服务器1，而井下人员所佩戴的电子卡8由双波段天线6经无线通讯网7与监护中心服务器1发送或接收信号，电子卡8上设有传感模块10，传感模块10与A/D及信号处理电路11连接后与微处理器12连接，微处理器12与电子卡声光报警电路13连接，微处理器12与电子标签芯片组14连接，电子标签芯片组14经过一个功放电路15与双波段微波天线6连接，电子卡8上设有电池。
传感模块10包括：甲烷传感器、一氧化碳传感器、温度传感器、压力传感器、风速传感器、湿度传感器、粉尘传感器。
双波段天线6、微波天线矩阵5可设有一组或一组以上。
本实用新型如附图2所示，电子卡8通过无线通讯网7与监护中心服务器1连接，监护中心服务器1可及时采取措施。监护中心服务器1与室外显示屏16、紧急报警17、继电器控制模块19相连接，继电器控制模块19启动其他硬件模块20(如排风扇)。以监护中心服务器1为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。
传感器模块10内设有为甲烷传感器、一氧化碳感应器，8为电子卡，11为A/D及信号处理电路，12为微处理器，14为电子标签芯片组RFIDchipset，15为功放电路，13为电子卡声光报警电路，9为锂电池，6为双波段微波天线。传感器模块10内的各传感器把信号传递给A/D模数信号处理电路11，微处理器12与电子标签芯片组14传递信号，经功放电路15把信号放大，最后通过双波段微波天线6来收发信号。
电子卡8内集成的传感模块10可对煤矿井下瓦斯气体(一氧化碳，甲烷气体)。进行自动监测，如果其中一种或者两种气体超标，则系统通过双波段微波天线6向监护中心服务器报警。同时对井下有关人员进行报警。该系统亦可对各类微粒子如粉尘进行有效监测。其中的一氧化炭传感器可采用多种微型半导体固体探头如MGS1100固体半导体探头。该种探头有效原件为在微型硅桥结构中嵌入的加热器上形成的SnOB2B薄膜，对CO气体在很宽的温度范围内具有敏感性，硅膜同时也具有较小的热传导损失。其工作原理是SnOB2B薄膜层的电阻会随着CO浓度的变化而变化，CO浓度越大，SnOB2B薄膜层阻值越小。该系统的集成式甲烷探测器亦采用多种固体半导体元件。比如QM家族的传感原件。该类材料对CH4有极高的敏感度和稳定性。工作原理类似一氧化炭传感器。该系统的粉尘探测器采用红外探头。该电子卡8系统采用可充电型1200mAh，3.6伏锂电池供电。双波段天线6通过有线网络和监护中心服务器连接，以确保数据通讯的及时和可靠性。双波段天线6采用多组并行微波天线矩阵5以便于快速确定电子卡8大致位置。
比如：当遇到瓦斯气体超标时，电子卡上的甲烷传感器、一氧化碳感应器，通过A/D模数及信号处理电路11，经微处理器12触发电子卡上声光报警电路13，有不同的方式来显示或者蜂鸣。比如红灯闪烁表示CH4超标，黄灯显示表示CO超标。电子标签芯片组14的信号经过一个功放电路15把信号放大，由双波段微波天线6经415/900M信道把报警信号送到监护中心服务器1。监护中心服务器1的工作人员可以快速判断报警地点采取积极行动。监护中心服务器1也可以根据从总系统收集到的各种信息，对所有或部分电子卡发出各种指令。与监护中心服务器1连接的总系统同时也装有各种独立于电子卡的传感模块和报警装置。一旦监护中心服务器1探测到某一或某些报警信号，则可以立即通过总报警电路发出报警信息。
如编号从00001到00100名矿工，每人佩戴一个电子卡8，每个人有唯一的标识符，在煤矿井下入口处安装坑道电子卡扫描器4，当矿工坐在矿车里集体入井下时，可以同时扫描，避免了矿工逐个持卡扫描，节约了大量的时间。这里就用到了双扫描时序系统。
总系统与子系统的双向通讯可以是定时的，也可以是连续工作方式；监护中心服务器所控制的电子扫描系统可以对多个电子卡同时进行扫描，其原理是利用了多标签读写防冲突原理和双扫描器按时序接力启动扫描功能，如附图4所示。这种设计使得总系统扫描速度、被扫描的电子卡数目和扫描范围均得到扩大。对于这种系统的设计，时序系统、通信握手、数据帧、数据编码、数据的完整性、多标签读写防冲突、干扰与抗干扰、识读率与误码率；数据的加密与安全性；读写器与应用系统之间的各种接口都是要妥善解决的问题；收集来自电子卡的各种报警信号以及对监护中心服务器的各种命令的响应信息；同时，根据对所有在其扫描范围内的电子卡的相对射频信号强度进行计算，结合微波矩阵天线对某一报警电子卡射频信号的相对接受强度的对比和分析，即可大致估算该电子卡8在坑道内的具体位置。本系统完整地考虑了以上各种问题，针对矿井下环境的特殊性，主要侧重解决了时序系统的问题和读写器与应用系统之间的各种接口问题。接口问题其中最重要的问题是微波矩阵天线的接力点数据传输和接收信号的强度矢量分布计算问题。这些问题的解决使得电子卡8大致位置估算问题得到妥善解决。
本装置采用的双扫描时序系统，原理图如附图4所示。
4为电子卡扫描器、8为电子卡，扫描器可同时扫描50人以上。
电子卡8的RFID无线射频电路如图5所示：
MCU微处理器12与电子标签芯片组14相互通信，双波段微波天线6通过无线通讯网7，频率在415/900MHz，MCU微处理器12的TX发送数据线与RX接收数据线分别与microphone麦克风和speaker送话器相连，也可以改为LED指示灯，可根据需要来进行变更。便于信息的交互。其中3个IC集成电路分别是对语音信号的编码与解码过程。
MCU微处理器12的DATA OUT数据输出引脚与DATA IN数据输入引脚是为了发送和接收信号，分别与电子标签芯片组14的DATA IN数据输入引脚，DATA OUT数据输出引脚相连。电子标签芯片组14的D0，D1，D2，D3为4路I/O输入输出通道，分别与MCU微处理器12的4路I/O输入输出通道相连，电子标签芯片组14从双波段微波天线6接收信号通过RF OUT数据输出引脚与MCU微处理器12的RX接收数据引脚相连，MCU微处理器12的TX发送数据引脚与声音采集集成电路IC相连，此外功放集成电路IC的引脚5与扩音器相连。
采用双扫描时序系统可以有效的防止多次读入数据，或漏读数据。坑道电子卡扫描器4把读入的标识符数据通过有线数字通讯2和网络连接3把信息传送到监护中心服务器1，电子卡8上的信息因而被收集并被记录在监护中心服务器数据库中。
监护中心服务器1内设有数据库，数据库内设有系统设置、考勤人员管理库、地图管理、实时定位、接收电子卡信息、向电子卡获取信息；监护中心服务器1与数据库连接，读取考勤人员管理库中的标识符的数据资料，如00021的标识符，可以查到相关数据如：姓名，性别，年龄，职务等一系列与本标识符相关的数据。同时监护中心服务器1可以监测某标识符所对应的井下人员的位置。