專利名稱：用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)。本發(fā)明具體地涉及一種能夠 實時連續(xù)跟蹤和監(jiān)視地下礦工及其設備移動的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)。本發(fā)明 更具體地涉及一種實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)視礦工和設備位置、環(huán)境參數(shù)、礦工進入非安全區(qū)，向相 應礦工提供警告信號和編碼消息，并且也防止礦場中車輛碰撞的用于礦場的無線信息和 安全系統(tǒng)。
背景技術：
本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)是硬件和軟件的組合，其中射頻標識 (RFID)設備已經(jīng)具有用于將RFID設備編程為作為協(xié)調器、路由器和終端設備來工作的 常駐硬件專用嵌入式軟件以及用于跟蹤、監(jiān)視和存儲從在礦場的關鍵位置放置的RFID設 備接收的信息的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件。對于本發(fā)明的用于礦場的無線信息和 安全系統(tǒng)，支持ZigBee的有源RFID設備已經(jīng)被使用以形成無線網(wǎng)絡。RFID系統(tǒng)是一種如今用來在制造、庫存管理、零售和安全應用中標識和跟蹤對 象和人的廣泛使用的自動ID技術。ZigBee是一種低成本、低功率和無線網(wǎng)格聯(lián)網(wǎng)標準。 低成本允許該技術廣泛地部署于無線控制和監(jiān)視應用中，低功率使用允許使用較小電池 實現(xiàn)較長壽命，并且網(wǎng)格聯(lián)網(wǎng)提供高可靠性和較大范圍。ZigBee技術(一種最近問世的基于IEEE 802.15.4標準的網(wǎng)絡通信協(xié)議)向自組 織網(wǎng)格網(wǎng)絡拓撲提供功率有效、低數(shù)據(jù)速率和多跳的數(shù)據(jù)傳輸。RFID系統(tǒng)可以通過將 ZigBee技術引入到現(xiàn)有RFID架構中來利用它的一些特征，比如具有延伸的有效范圍、提 高網(wǎng)絡靈活性以及具有與其它支持ZigBee的環(huán)境系統(tǒng)的兼容性。本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)對于地下和露天礦場特別有用。在地 下礦場中使用本發(fā)明的系統(tǒng)將有助于使用支持ZigBee的有源RFID設備(在它們本身之 間形成無線網(wǎng)絡)以及在關鍵位置放置的其它靜態(tài)和移動ZigBee設備來在線跟蹤和監(jiān)視 礦工和可移動設備。這將有助于標識進入地下礦場的礦工以保持對礦工的跟蹤并且維持 計算機化看護。這將有助于監(jiān)視設備位置及其操作以提高生產(chǎn)率并且減少致命的碰撞事 故。這將有助于在礦難情況下對礦工進行定位和跟蹤以進行迅速援救行動。這將有助于 監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)并且向相應礦工提供警告。這還將有助于實時監(jiān)視地下礦場中的 環(huán)境參數(shù)。這也將有助于向地下礦場中的相關人員發(fā)送編碼消息。這將有助于在地下礦 場的某部分中發(fā)生礦難情況下通過利用附近可用的ZigBee收發(fā)器(路由器)形成替代無 線網(wǎng)絡來建立從地表到地下的通信。這還將有助于監(jiān)視傾卸車在露天礦場中的移動，這 將最終有助于實現(xiàn)最優(yōu)的鏟_卸車性能并且提高生產(chǎn)率。下文引用主要與無線傳感器聯(lián)網(wǎng)有關的迄今已知的現(xiàn)有技術。可 以參考 Proceeding (572) Communication Systems, Networks, and Applications-2007 的標題為 ZigBee Enabled Radio Frequency Identification System 的論文。 http://www.actapress.com/PaperInfo.aspx ？ PaperID = 31796&reason = 500
3
在這篇論文中討論了在將ZigBee應用于RFID系統(tǒng)的不同部分之時的可能益處和 應用。在該論文中也討論了一種集成的SgBeeRFID系統(tǒng)架構，并且描述了一種演示系統(tǒng)?？梢詤⒖紭祟}為‘‘Method for rebuilding an ad hoc network and the nodes thereof" 的第W02007065987號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于重建ad hoc網(wǎng)絡的系 統(tǒng)，該系統(tǒng)用于收集網(wǎng)絡節(jié)點的與連接質量和非最優(yōu)網(wǎng)絡樹有關的數(shù)據(jù)并且用于計算當 前優(yōu)化結構。可以參考標題為“Electric device with wireless communicationmodule “的第
US2007132579號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于通過尋呼機網(wǎng)絡接收天氣信 息的系統(tǒng)。該設備根據(jù)天氣信息計算舒適度指數(shù)，并且自行以及通過其它電子設備向用 戶實時提供舒適度指數(shù)。 可以參考標題為〃 Locating and identifying a person using a mobile device “的第
CA2559125號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于與智能卡讀取器無線通信以獲 得其智能卡與智能卡讀取器耦合的人員的標識的系統(tǒng)。移動設備經(jīng)由網(wǎng)絡向服務器發(fā)送 該標識。移動設備也向服務器發(fā)送關于它的位置的信息。服務器確定使用移動設備的人 員的標識和位置。可以參考標題為“Wireless communication system of using ZigBee technology “的 第KR100668228B號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于將ZigBee技術用于地表 應用的無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)?？梢詤⒖紭祟}為〃Inter-vehicle communication system"的第 JP2007067533 號專
利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于車輛間通信的系統(tǒng)。在行駛于道路上的車輛上 安裝的無線通信終端可以經(jīng)由基站或者直接地向另一車輛實時發(fā)送車輛的周圍環(huán)境的信 息項或者在出現(xiàn)車輛中引起的異常時的異常信息項或者從基站提供的各種信息項。可以參考標題為‘‘Remote wireless temperature measuringsystem ‘‘的第 CN 1920502號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于從遠處無線測量溫度的系統(tǒng)。該系 統(tǒng)包括至少一個節(jié)點系統(tǒng)、ZigBee數(shù)據(jù)接收器、無線數(shù)據(jù)發(fā)送器和管理服務器。通過使 用溫度檢測器經(jīng)由數(shù)據(jù)線連接ZigBee溫度收集器來形成節(jié)點系統(tǒng)。ZigBee數(shù)據(jù)接收器經(jīng) 由RS232數(shù)據(jù)線連接到無線數(shù)據(jù)發(fā)送器?？梢詤⒖紭祟}為“Detection and transmission system for fuel gas monitoring “的第
TW257462B號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于燃氣監(jiān)視的系統(tǒng)，其中在各燃 氣計量表中構建的控制單元執(zhí)行針對異常操作情形的緊急處理，并且通過短距離傳輸單 元向中央監(jiān)視模塊立即發(fā)送有關信息(該信息包含計量表的讀書、計量表的名稱、計量 表的狀態(tài)等)，這些單元采用ZigBee短距離無線通信標準并且相互通信進行數(shù)據(jù)收集和 管理而且為緊急處理采取必要行動。可以參考標題為“Method, apparatus and system for multicast communication in a wireless multi-hop network"的第W02007021269號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一
種用于在根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡規(guī)范的具有多個節(jié)點的網(wǎng)絡中的多播通信方法的系統(tǒng)，該方法 包括創(chuàng)建包括多個節(jié)點的子集的多播組以及排除多個節(jié)點中的至少一個非成員節(jié)點。多 播組具有多播地址。該方法也包括發(fā)送包括多播地址的多播消息，以及在多播組中的各節(jié)點接收多播消息?？梢詤⒖紭祟}為〃 Method and system for employing RFID tags in automated applications"的第US7,233,247號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于使用射頻標 識(RFID)標簽來提供通信的系統(tǒng)。RFID基本單元被提供用以與至少兩個不同類型的商 用RFID標簽通信。此外，RFID基本單元可以與包括但不限于計算機網(wǎng)絡的任何數(shù)目的 設備通信，這些設備允許動態(tài)訪問和更新以針對實際的任何情形定制RFID基本單元?？梢詤⒖紭祟}為〃 Personaltrackingdevice"的第US7,015,817號專利，其中已經(jīng) 描述并且要求保護一種用于監(jiān)視個體如假釋犯的位置的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括個體佩戴的可 佩戴設備和操作耦合到可佩戴設備的便攜設備。該便攜設備通過無線電話網(wǎng)絡操作耦合 到監(jiān)視系統(tǒng)。該便攜設備越過無線網(wǎng)絡向監(jiān)視系統(tǒng)定期發(fā)送加密的位置信息以及狀態(tài)信 息。監(jiān)視系統(tǒng)跟蹤個體的位置并且在個體觸犯規(guī)則如假釋條件時通知適當?shù)漠斁??？梢詤⒖紭祟}為‘‘Radio frequency identification (RFID) based sensor networks ‘‘的 第US7,148,803號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于RF可尋址傳感器網(wǎng)絡的系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個或者多個RF可尋址傳感器、耦合到通信網(wǎng)絡的一個或者多個無線傳 感器讀取器和耦合到通信網(wǎng)絡的一個或者多個終端用戶設備。可以參考標題為“Electronic device cover with embedded radiofrequency (RF) reader and method of using same"的第US7,079,832號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用
于電子設備的可更換蓋及其使用方法的系統(tǒng)，該蓋具有用于詢問收發(fā)器標簽的讀取器。 該蓋響應于詢問信號向電子設備提供來自標簽的信息。可以參考標題為“Passive RFID transponder/machine-mounted antenna and reader system and method for hidden obstacle detection and avoidance“的第 US7,002,461 號專禾[I 以 及標題為“Passive RFID transponder/reader system and method for hidden obstacle detection and avoidance"的第US6,621,417號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于探測和標 識因植被的大量過度生長而被隱藏的固定共用對象諸如電話亭、電力變壓器、檢修孔、 錨線纜等的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用無源射頻收發(fā)器技術在利用重型機的割刈和清除操作期間 提供對這類對象的自動前瞻探測，以探測被標記對象的直接存在以及答復詢問的對象的 類型的基本標識?？梢詤⒖紭祟}為‘‘Low-latency multi-hop ad hoc wireless network ‘‘的第
US7,161,926號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于使用多跳ad hoc網(wǎng)絡的在地表 的無線通信的系統(tǒng)。在包括兩個或者更多通信設備的該系統(tǒng)中提供多無線電傳感器的節(jié) 點。通信設備包括射頻(RF)設備，比如無線電收發(fā)裝置。各通信設備支持在相應的獨 立網(wǎng)絡群集的多無線電傳感器的節(jié)點之間同時通信。可以參考標題為“Wirelessroadway monitoring system"的第 US6,662,099 號專
利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于道路無線通信系統(tǒng)的系統(tǒng)。使用傳感器的無線 路內交通傳感器系統(tǒng)是小型、低成本和耐震的。傳感器可以能夠測量駛過車輛的速度、 標識駛過車輛的類型、并且測量關于道路條件的信息(例如潮濕或者結冰)。傳感器包括 無線發(fā)送器并且可以被配置用于安裝于路面以下。傳感器可以配置為如下交通傳感器系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括遍布道路系統(tǒng)的分布式傳感器、用于接收傳感器廣播的集中器、以及用 于積累和組織感測到的信息的中央計算機?？梢皂憫谟脩粽埱蠼?jīng)由Web通過比如交通延遲、替代路線規(guī)劃和行程時間估計之類的報告來使感測到的信息可用。取而代之，感 測到的信息也可以用來通過交通控制裝置如交通信號來控制交通?？梢詤⒖紭祟}為“Distributed topology control for wireless multi-hop sensor networks"的第US6,990,080號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于分布式無線多 跳網(wǎng)絡的系統(tǒng)。該網(wǎng)絡包括多個潛在移動節(jié)點。各節(jié)點在所有方向上發(fā)送發(fā)現(xiàn)消息。各 節(jié)點使用來自鄰近節(jié)點的響應于發(fā)現(xiàn)消息的一組傳入信號來發(fā)現(xiàn)一組鄰近節(jié)點。可以參考標題為〃 Method and apparatus for real-time tracking of inventory using active RFID technology"的第US7252230號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于動 態(tài)跟蹤位于不同地理區(qū)域中的資產(chǎn)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括掌控庫存系統(tǒng)的中央?yún)^(qū)域。庫存 系統(tǒng)與如下遠程區(qū)域有網(wǎng)絡通信，這些遠程區(qū)段包括用于詢問位于區(qū)域中的標記資產(chǎn)的 傳感器。可以參考標題為“Method for wireless data transmission and a transponder “的第
US2007176755號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于在基站與收發(fā)器之間無線傳 輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)在基站與收發(fā)器之間無線和雙向傳輸?？梢詤⒖紭祟}為“Readerfor RFID and RFID system"的第 US2007176747 號專
利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于使用RFID設備的無線通信的系統(tǒng)。接收信道信 號的RFID讀取器包括頻率振蕩器，生成在從信道信號的中心頻率按照偏移頻率而偏移 的頻率處的振蕩信號；混頻器，混合信道信號與偏移的振蕩信號；以及濾波器，對混頻 器提供的混合頻率信號進行濾波?？梢詤⒖紭祟}為〃 RFIDtag, RFID reader/writer, RFID system, and processing method of RFID system"的第US2007176772號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用
于使用RFID標簽的無線通信的系統(tǒng)。當通過使用各自并入一個傳感器單元的RFID標簽 來進行若干次測量時，從RFID讀取器/寫入器引向RFID標簽的載波的生成每當一次測 量結束時停止一個預定時段?？梢詤⒖紭祟}為〃Devicelocationsystemandmethod"的第 US2007176782 號專
利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于對隱藏對象進行定位的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由位置信 標(與指定物理位置關聯(lián))和探測信標(附著到設備或者物理上關聯(lián)于設備)構成?？梢詤⒖紭祟}為〃Secure two-way RFID communications"的第 US2007177738 號
專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于提供安全雙向(讀取器到標簽和標簽到讀取 器)RFID通信的系統(tǒng)。RFID標簽從讀取器接收噪聲加密的RF載波信號，并且反向散射 器用標簽信息來調制它。上述第W02007065987、US2007132579、CA2559125、KR100668228B、 JP2007067533、CN1920502、TW257462B、W02007021269、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號專利的弊端在于這些系統(tǒng)是僅針對地表應用而專門設 計的。這些系統(tǒng)對于在地下礦場中使用而言并非本質上安全。這些系統(tǒng)消耗較多功率 而且并不適合于安裝于地下礦場中。另外，這些系統(tǒng)并未提供在地下礦場中的不同基本 應用，比如預防車輛碰撞、燃氣監(jiān)視、消息接發(fā)以及向迫近非安全區(qū)的礦工提供警告信號?？梢詤⒖紭祟}為“A method to realize realtime monitoring of the underground coal miners by ZigBee network"的第CN1953408號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于
使用ZigBee網(wǎng)絡來實時監(jiān)視地下礦工的系統(tǒng)?？梢詤⒖紭祟}為“System and method for providing underground facility information using RFID “的第KR100612700B號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保護一種用于使用 RFID標簽來為地下提供信息設施的系統(tǒng)。可以參考標題為“Mine comprehensive information system under well based on ZigBee technology wireless network"的第CN2871852Y號專利，其中已經(jīng)描述并且要求保
護一種用于礦場中的無線通信的系統(tǒng)。該系統(tǒng)被提出用于監(jiān)視礦工的位置。上述第CN1953408、KR100612700B和CN2871852Y號專利的弊端在于這些系統(tǒng) 并未提供用于地下礦場的不同基本應用，比如預防車輛碰撞、燃氣監(jiān)視、消息接發(fā)以及 向迫近非安全區(qū)的礦工提供警告信號。

發(fā)明內容
根據(jù)上文引用的迄今已知的現(xiàn)有技術的系統(tǒng)及其弊端，清楚看出確實需要提供 一種用于對地下礦工和設備進行定位、無線環(huán)境監(jiān)視和預防碰撞的低功率、本質上安全 的無線信息和安全系統(tǒng)。本發(fā)明的主要目的在于提供一種克服如上文詳述的迄今已知的現(xiàn)有技術的弊端 的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)。本發(fā)明的另一目的在于使用支持ZigBee的有源RFID設備(在它們本身之間形成 無線網(wǎng)絡)以及在關鍵位置放置的其它靜態(tài)和移動SgBee設備來跟蹤和監(jiān)視地下礦場中 的礦工和設備，這克服了如上文詳述的迄今已知的現(xiàn)有技術的弊端。本發(fā)明的又一目的在于標識進入地下礦場的礦工以保持對礦工的跟蹤并且維持 計算機化看護。本發(fā)明的又一目的在于監(jiān)視設備位置及其操作以提高生產(chǎn)率并且減少致命碰撞事故。本發(fā)明的又一目的在于在礦難情況下對礦工進行定位和跟蹤以進行迅速援救行動。本發(fā)明的又一目的在于監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)并且向相應礦工提供警告。本發(fā)明的又一目的在于實時監(jiān)視地下礦場中的環(huán)境參數(shù)。本發(fā)明的又一目的在于向地下礦場中的相關人員發(fā)送編碼消息。本發(fā)明的另一目的在于在地下礦場中的特定區(qū)域中發(fā)生礦難的情況下在未受干 擾的可用的路由器之間自動形成替代網(wǎng)絡，從而通信在整個礦場中不受干擾。本發(fā)明的又一目的在于監(jiān)視傾卸車在露天礦場中的移動，這最終有助于實現(xiàn)最 優(yōu)的鏟_卸車性能并且提高生產(chǎn)率。本發(fā)明的又一目的在于開發(fā)一種用于地下和地表礦場的低功率、本質上安全、 易于安裝和成本有效的無線信息和安全系統(tǒng)。本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)在礦場中跟蹤和監(jiān)視礦工和設備、測量環(huán)境參數(shù)并且發(fā)送告警消息。本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)是硬件和軟件 的組合，其中支持SgBee的有源RFID收發(fā)器設備已經(jīng)被使用以形成無線網(wǎng)絡。RFID設 備已經(jīng)具有用于將RFID收發(fā)器設備編程為作為協(xié)調器、路由器和終端設備來工作的常駐 硬件專用嵌入式軟件。所述軟件使用‘C’語言在IAR嵌入式工作臺和Tl-make庫中編 譯和調試。IAR系統(tǒng)是致力于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具領域的瑞典計算機技術公司；而TI(德 州儀器)是電子器件和芯片領域的美國公司。本發(fā)明的系統(tǒng)主要包括兩個模塊，即硬件設備和無線傳感器網(wǎng)絡嵌入式應用專 用的軟件。硬件模塊是符合ZigBee的有源RFID收發(fā)器設備，這些設備具有常駐應用專用嵌 入式軟件以充當終端設備(標簽)、路由器或者協(xié)調器。將設備編程為充當終端設備、 路由器或者協(xié)調器，使它們能夠形成基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)格網(wǎng)絡。它使用統(tǒng)一的無線 網(wǎng)格聯(lián)網(wǎng)基礎結構以對移動資產(chǎn)和人員進行定位、跟蹤和管理，以及使用傳感器來監(jiān)視 不同環(huán)境條件。ZigBee設備具有許多特征、即使用無需許可的2.4GHz工業(yè)、科學和醫(yī) 學(ISM)頻帶，超低功率(對于電池操作的系統(tǒng)而言是理想的)，借助廉價電池操作經(jīng) 年，大量節(jié)點/傳感器，在網(wǎng)絡節(jié)點之間的可靠和安全鏈路，容易部署和配置，低成本 系統(tǒng)，非常快的過渡時間、數(shù)字電池監(jiān)視設施、尺寸更小(片上系統(tǒng))以及能夠在礦難情 況下在未受干擾的可用路由器之間自動形成替代網(wǎng)絡。常駐應用軟件模塊是為了跟蹤、監(jiān)視和存儲從在礦場的關鍵位置放置的RFID設 備接收的信息而開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)軟件。該軟件專門設計用于礦場中的不同 用途并且具有以下模塊ω跟蹤礦工和車輛；Gi)在露天礦場中的路線跟蹤；Gii)預防 致命事故；(iv)預防車輛碰撞；(ν)環(huán)境監(jiān)視；(vi)監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)；(vii)發(fā)送 告警消息；以及(viii)預備計算機化的礦工值班小時。


本說明書在附圖的圖1至圖6中描述了用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)。附圖的圖1示出了編程為作為終端設備、路由器和協(xié)調器來工作并且在礦場中 形成無線傳感器網(wǎng)絡的SgBee收發(fā)器的框圖。ZigBee收發(fā)器包括用于通過礦場中的無線 傳感器網(wǎng)絡接收和發(fā)送2.4GHz RF信號的子系統(tǒng)(1)至(16)。附圖的圖2a至圖2d示出了硬件專用嵌入式軟件的流程圖。RFID設備已經(jīng)具有 用于將RFID設備編程為作為協(xié)調器、路由器和終端設備來工作的常駐硬件專用嵌入式軟 件。附圖的圖3示出了應用軟件的流程圖。無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)軟件跟蹤、監(jiān)視 和存儲從位于礦場的不同部分中的RFID收發(fā)器設備接收的信息。本發(fā)明的系統(tǒng)是硬件和軟件模塊的組合，其中由符合ZigBee的有源RFID收發(fā)器 設備構成的硬件設備具有用于將RFID設備編程為作為協(xié)調器、路由器和終端設備來工 作的常駐硬件專用嵌入式軟件；以及用于跟蹤、監(jiān)視和存儲從在礦場的關鍵位置放置的 RFID設備接收的信息的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件。附圖的圖4圖示了用于地下豎井礦場的無線傳感器網(wǎng)絡。附圖的圖5示出了用于地下斜井礦場的無線傳感器網(wǎng)絡。
附圖的圖6描繪了用于露天礦場的無線傳感器網(wǎng)絡。
具體實施例方式下文給出附圖的圖1至圖6的詳情。在圖1中描繪了本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)的ZigBee收發(fā)器的框 圖，該ZigBee收發(fā)器包括天線(1)、低噪聲濾波器(2)、下變頻混頻器(3)、本地振蕩器 (4)、帶通濾波器(5)、放大器(6)、模數(shù)轉換器(7)、數(shù)字解調器(8)、無線電數(shù)據(jù)接口 (9)、控制邏輯(10)、微控制器單元(11)、數(shù)字調制器(12)、模擬轉換器(13)、低通濾 波器(14)、上變頻混頻器(15)和功率放大器(16)。天線(1)串聯(lián)連接到低噪聲濾波器 (2)、下變頻混頻器(3)、帶通濾波器(5)、放大器(6)、模數(shù)轉換器(7)和數(shù)字解調器 (8)。本地振蕩器(4)連接到所述下變頻混頻器(3)和放大器(6)。所述數(shù)字解調器(8) 通過無線電數(shù)據(jù)接口(9)連接到數(shù)字調制器(12)?？刂七壿?10)連接到所述數(shù)字解調器 (8)、數(shù)字調制器(12)和所述無線電數(shù)據(jù)接口(9)。微控制器單元(11)連接到所述數(shù)據(jù) 接口(9)。所述數(shù)字調制器(12)串聯(lián)連接到模擬轉換器(13)、低通濾波器(14)、上變頻 混頻器(15)和功率放大器(16)。所述本地振蕩器(4)與所述上變頻混頻器(15)連接。附圖的圖2a至圖2d示出了在協(xié)調器、路由器和終端設備中的硬件專用嵌入式軟 件的流程圖。附圖的圖3示出了無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件的流程圖。WSN軟件用于 礦場中的各種用途并且具有以下模塊ω跟蹤礦工和車輛；Gi)在露天礦場中的路線跟 蹤；(iii)預防致命事故；Gv)預防車輛碰撞；(V)環(huán)境監(jiān)視；(Vi)監(jiān)視礦工的非安全作 業(yè)；(Vii)發(fā)送告警消息；以及(Viii)預備計算機化的礦工值班小時。圖4圖示了在具有豎井入口的地下礦場中的無線傳感器網(wǎng)絡。該傳感器網(wǎng)絡包 括個人計算機(PCl)、協(xié)調器(Cl)、路由器(Rl至R19)和終端設備(El至E9)。在地表 (Si)控制室(CRl)中，計算機(PCl)使用RS232線纜連接到協(xié)調器(Cl)。在地下(Ul) 豎井(SH)中，按照約60m的相隔距離布置的路由器(Rl至R4)與所述協(xié)調器(Cl)無線 連接。在按照約50m的相隔距離分別放置在第一層(Gl)的左側和右側中的路由器(R5至 R7)和路由器(R8至R9)無線連接到所述路由器(R2)。與礦工/可移動設備附著的終端 設備(El和E2)分別與路由器(R6和R9)無線通信。分別放置在第二層(G2)的左側和 右側中的路由器(R10至R12)和路由器(R13至R14)無線連接到所述路由器(R3)。與 礦工/可移動設備附著的終端設備(E3、E4和E5)分別與路由器(R12，R13和R14)無 線通信。分別放置在第三層(G3)的左側和右側中的路由器(R15至R17)和路由器(R18 至R19)無線連接到所述路由器(R4)。與礦工/可移動設備附著的終端設備(E6至E9) 分別與路由器(R16、R15、R18和R19)無線通信。圖5示出了在具有斜井入口的地下礦場中的無線傳感器網(wǎng)絡。該無線傳感器網(wǎng) 絡包括個人計算機(PC2)、協(xié)調器(C2)、路由器(R20至R34)和終端設備(E10至E13)。 在地表(S2)控制室(CR2)中計算機(PC2)使用RS232線纜來連接到協(xié)調器(C2)。在地 表(S)上，路由器(R20，R21和R22)按照約80m的相隔距離來無線連接到所述協(xié)調器 (C2)。在進口斜井(Il)中按照約50m的距離相隔放置的路由器(R23至R26)無線連接 到所述路由器(R22)。在回程斜井(12)中放置的路由器(R27至R29)無線連接到所述路由器(R20)。在層(G4)中按照約50m的距離相隔放置的路由器(R30至R34)無線連接 到所述路由器(R26和R29)。與礦工/可移動設備相配的終端設備(E10至E13)分別與 所述路由器(R30，R34，R32和R31)無線通信。圖6示出了在露天礦場中的無線傳感器網(wǎng)絡。該無線傳感器網(wǎng)絡包括個人計算 機(PC3)、協(xié)調器(C3)、路由器(R35至R44)和終端設備(E14和E15)。在地表控制室 (CR3)中計算機(PC3)使用RS232線纜來連接到協(xié)調器(C3)。沿著露天礦場(OCM)的 傳送道路(TR)按照約80m的距離間隔放置的路由器(R35至R44)與所述協(xié)調器(C3)無 線連接。與傾卸車(Dl和D2)相配的終端設備(E14和E15)分別與所述路由器(R38和 R42)無線通信。因而本發(fā)明提供一種用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)組 合地包括多個可編程有源RFID收發(fā)器設備，比如具有常駐硬件專用嵌入式軟件的可編 程為作為協(xié)調器、路由器和終端設備來操作的符合ZigBee的設備；所述多個編程的符合 ZigBee的RFID收發(fā)器設備被有策略地放置形成統(tǒng)一的無線網(wǎng)格聯(lián)網(wǎng)基礎結構，該基礎結 構具有用于跟蹤、監(jiān)視和存儲從連接到傳感器的所述RFID設備接收的信息的常駐無線傳 感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件。在本發(fā)明的一個實施例中，可編程有源RFID收發(fā)器(1至16)設備(比如具有 常駐應用專用嵌入式軟件的用于作為協(xié)調器、路由器和終端設備來操作的符合ZigBee的 可編程設備)包括天線(1)、低噪聲濾波器(2)、下變頻混頻器(3)、本地振蕩器(4)、 帶通濾波器(5)、放大器(6)、模數(shù)轉換器(7)、數(shù)字解調器(8)、無線電數(shù)據(jù)接口(9)、 控制邏輯(10)、微控制器單元(11)、數(shù)字調制器(12)、模擬轉換器(13)、低通濾波器 (14)、上變頻混頻器(15)和功率放大器(16)的組合；其中天線(1)串聯(lián)連接到低噪聲 濾波器(2)、下變頻混頻器(3)、帶通濾波器(5)、放大器(6)、模數(shù)轉換器(7)和數(shù)字解 調器(8)；本地振蕩器(4)連接到所述下變頻混頻器(3)和放大器(6)；所述數(shù)字解調器 (8)通過無線電數(shù)據(jù)接口(9)連接到數(shù)字調制器(12)；控制邏輯(10)連接到所述數(shù)字解 調器(8)、數(shù)字調制器(12)和所述無線電數(shù)據(jù)接口(9)；微控制器單元(11)連接到所述 數(shù)據(jù)接口(9)；所述數(shù)字調制器(12)串聯(lián)連接到模擬轉換器(13)、低通濾波器(14)、上 變頻混頻器(15)和功率放大器(16)；并且所述本地振蕩器(4)與所述上變頻混頻器(15) 連接。在本發(fā)明的又一實施例中，RFID設備可以連接到傳感器以實現(xiàn)礦場中的環(huán)境監(jiān) 視。在本發(fā)明的另一實施例中，具有常駐硬件專用嵌入式軟件以充當協(xié)調器、路由 器和終端設備的符合ZigBee的有源RFID收發(fā)器設備形成基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)格網(wǎng) 絡，用于通過礦場中的無線傳感器聯(lián)網(wǎng)來跟蹤地下礦工和設備。在本發(fā)明的又一實施例中，比如這里描述的常駐無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟 件具有以下模塊ω跟蹤礦工和車輛；Gi)在露天礦場中的路線跟蹤；Gii)預防車輛碰 撞和致命事故；(iv)預防車輛碰撞；(V)環(huán)境監(jiān)視；(Vi)監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)；(Vii) 發(fā)送告警消息；以及(Viii)預備計算機化礦工值班小時。在本發(fā)明的又一實施例中，使用‘C’語言在IAR嵌入式工作臺和Tl-make庫 中編譯和調試比如這里描述的用于將RFID收發(fā)器設備編程為作為協(xié)調器、路由器和終端設備來工作的常駐硬件專用嵌入式軟件。在本發(fā)明的又一實施例中，無線信息和安全系統(tǒng)能夠在地下礦場中的特定區(qū)域 中發(fā)生礦難的情況下在未受干擾的可用路由器之間自動形成替代網(wǎng)絡，從而通信在整個 礦場中不受干擾。在本發(fā)明的又一實施例中，無線信息和安全系統(tǒng)是用于地下和地表礦場的低功 率、本質上安全、容易安裝和成本有效的系統(tǒng)。在本發(fā)明的一個特征中，無線信息和安全系統(tǒng)能夠使用支持ZigBee的有源RFID 收發(fā)器設備(在它們本身之間形成無線網(wǎng)絡)以及在關鍵位置放置的其它靜態(tài)和移動 ZigBee設備來跟蹤和監(jiān)視地下礦場中的礦工和可移動設備。在本發(fā)明的另一特征中，無線信息和安全系統(tǒng)能夠標識進入地下礦場中的礦工 以保持對礦工的跟蹤并且維持計算機化看護。在本發(fā)明的又一特征中，無線信息和安全系統(tǒng)能夠監(jiān)視設備位置及其操作以提 高生產(chǎn)率并且減少致命碰撞事故。在本發(fā)明的又一特征中，無線信息和安全系統(tǒng)能夠在礦難情況下對礦工進行定 位和跟蹤以進行迅速援救行動。在本發(fā)明的又一特征中，無線信息和安全系統(tǒng)能夠監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)并且 向相應礦工提供警告。在本發(fā)明的又一特征中，無線信息和安全系統(tǒng)能夠實時監(jiān)視礦場中的環(huán)境參數(shù)。在本發(fā)明的又一特征中，無線信息和安全系統(tǒng)能夠向地下礦場中的相關人員發(fā) 送編碼消息。在本發(fā)明的又一特征中，無線信息和安全系統(tǒng)能夠監(jiān)視傾卸車在露天礦場中的 移動，這最終有助于實現(xiàn)最優(yōu)的鏟_卸車性能并且提高生產(chǎn)率。在本發(fā)明中提供一種用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)組合地包括通過 硬件專用嵌入式軟件可編程為作為終端設備、路由器和協(xié)調器來操作的符合ZigBee的設 備以及具有用于地下和露天礦場的各種應用模塊的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件。符 合ZigBee的設備(可編程為作為終端設備、路由器和協(xié)調器來操作)這一核心模塊包括不 同子系統(tǒng)(1至16)。傳入的2.4GHz RF信號由天線(1)拾取并且經(jīng)由雙工器向低噪聲濾 波器(2)傳遞。所述低噪聲濾波器(2)消除DC偏移和噪聲問題，并且在向下變頻混頻器 (3)饋送之前將來自天線的RF信號放大至適當電平。在所述下變頻混頻器(3)處，該放 大的信號與本地振蕩器(4)生成的高頻信號混合。然后向帶通濾波器(5)饋送所述下變 頻混頻器(3)的輸出。這樣從所述下變頻混頻器(3)獲得的信號正交下變頻成2MHz中 頻(IF)。所述下變頻混頻器(3)將接收的RF頻率轉換成IF。IF由所述帶通濾波器(5) 濾波和放大，該帶通濾波器由鎖相環(huán)自動調諧。向放大器(6)饋送所述帶通濾波器(5) 的輸出，該放大器通過內置式自動增益控制(AGC)來控制增益。所述放大器(6)的自動 頻率控制(AFC)控制也內置于所述放大器(6)中的所述本地振蕩器(4)的頻率。在模數(shù) 轉換器(7)處以4MHz采樣速率對AGC輸出進行采樣以供進一步數(shù)字化。向數(shù)字解調器 (8)饋送數(shù)字化信號，在該數(shù)字解調器中在數(shù)字域中進行信道濾波和解調。這樣從所述數(shù) 字解調器⑶獲得的信號是向無線電數(shù)據(jù)接口(9)和控制邏輯(10)饋送的包含數(shù)據(jù)的高效數(shù)字化實際信號。所述無線電數(shù)據(jù)接口(9)將信號對接到微控制器單元(11)。所述 控制邏輯(10)控制所述數(shù)字解調器(8)和數(shù)字解調器(12)的信號。對于IF信號的傳輸 而言，IF信號來自所述無線電數(shù)據(jù)接口(9)，由所述數(shù)字調制器(12)調制并且向數(shù)模轉 換器(13)饋送以便轉換成數(shù)字信號。向低通濾波器(14)饋送所述數(shù)模轉換器(13)的輸 出，在該低通濾波器中信號被濾波并且再次傳輸通過上變頻混頻器(15)，該上變頻轉換 器借助所述本地振蕩器(4)通過單邊帶調制器將濾波后的信號直接上變頻轉換成RF。所 述上變頻混頻器(15)被設計用于低電壓操作，并且對于在便攜用戶設備中使用而言是理 想的。所述上變頻混頻器(15)以在40MHz與500MHz之間的IF輸入頻率操作，并且上 變頻至高達2.5GHz的輸出頻率。然后向功率放大器(16)饋送所述上變頻混頻器(15)的 輸出，該功率放大器增強該信號。增強的信號然后經(jīng)由雙工器向所述天線(1)傳遞。雙 工器將兩個或者更多信號組合到共同信道或者介質上以增加它的發(fā)送效率。它允許發(fā)送 器在一個頻率上操作而接收器在不同頻率上操作，以共享一個共同天線而不同RF信號的 互作用和降級最少。然后RF信號發(fā)送到所述天線(1)進行發(fā)送。編程為作為協(xié)調器(C) 來操作的ZigBee收發(fā)器在地表(S)中的控制室(CR)中通過串行端口來與計算機(PC)連 接。編程為作為路由器(R)來工作的SgBee收發(fā)器按照50_80m的間隔沿著感興趣的道 路放置用于形成無線網(wǎng)格網(wǎng)絡并且跟蹤礦工和可移動設備。編程為作為終端設備(E)來 工作的ZigBee收發(fā)器附著到礦工或者可移動設備。所述路由器(R)從所述終端設備(E) 接收信號并且經(jīng)由多跳無線網(wǎng)絡向協(xié)調器(C)轉發(fā)，并且相同信息被存儲于計算機(PC) 中。類似地，也以相反路徑發(fā)送針對特定礦工的任何消息。不同功能和存儲信息由無線 傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件完成。該軟件具有不同應用模塊，即跟蹤礦工和車輛、在露 天礦場中的路線跟蹤、預防致命事故、預防車輛碰撞、環(huán)境監(jiān)視、監(jiān)視礦工的非安全作 業(yè)、發(fā)送告警消息以及礦工的值班小時報告。在本發(fā)明的用于礦場的無線信息系統(tǒng)的一個物理實施例中，系統(tǒng)的不同單元的 規(guī)格給出如下。如圖1中所示的ZigBee收發(fā)器高性能低功率8051微控制器芯；操作電壓為 2V至3.6V ；操作環(huán)境溫度范圍為_40°C至85°C ；頻帶為2.4GHz-2.4835GHz ISM ；有源 微控制器在接收模式中的電流消耗為27mA，而有源微控制器在發(fā)送模式中的電流消耗為 25mA；無線電比特速率為250kbps ；閃存為128kb ；并且接收器靈敏度為_94dBm ；從休 眠到活躍模式的過渡時段為54 μ S ；從活躍到接收或者發(fā)送模式的過渡時段為450 μ S。無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件在作為前端工具的窗口環(huán)境下的Visual Basic中 開發(fā)，而SQL-Server為后端支持。Visual Basic(VB)是基于面向對象的軟件包，因此使 用由VB提供的各種對象。在VB中設計很少功能和類以集成該軟件。對于報告很強大 和廣泛的軟件，使用Crystal Report。通過以下非顯而易見的發(fā)明步驟已經(jīng)實現(xiàn)本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全 系統(tǒng)的新穎特征集成符合ZigBee的可編程收發(fā)器以通過硬件專用嵌入式軟件和具有各 種應用模塊的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件作為終端設備、路由器和協(xié)調器來工作， 這些應用模塊即跟蹤礦工和車輛、在露天礦場中的路線跟蹤、預防致命事故、預防車輛 碰撞、環(huán)境監(jiān)視、監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)、發(fā)送告警消息以及礦工的值班小時報告。 ZigBee設備滿足IEEEE 802.15.4標準并且具有使該技術在礦場中可行和適用的寶貴特
12征，這些特征即為非需許可的2.4GHz ISM頻帶、超低功耗、借助廉價電池操作經(jīng)年、允 許大量節(jié)點/傳感器、在網(wǎng)絡節(jié)點之間的可靠和安全的鏈路、容易部署和配置、低成本 系統(tǒng)、非?？斓倪^渡時間、數(shù)字電池監(jiān)視設施、尺寸更小(片上系統(tǒng))以及能夠在礦難情 況下在路由器之間自動形成替代網(wǎng)絡。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術的新穎性在于1.能夠使用支持ZigBee的有源RFID收發(fā)器設備(在它們本身之間形成無線網(wǎng) 絡)以及在關鍵位置放置的其它靜態(tài)和移動SgBee設備來跟蹤和監(jiān)視地下礦場中的礦工 和設備。2.能夠標識進入地下礦場的礦工以保持對礦工的跟蹤并且維持計算機化看護。3.能夠監(jiān)視設備位置及其操作以提高生產(chǎn)率并且減少致命碰撞事故。4.能夠在礦難情況下對礦工進行定位和跟蹤以進行迅速援救行動。5.能夠監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)并且向相應礦工提供警告。6.能夠實時監(jiān)視地下礦場中的環(huán)境參數(shù)。7.能夠向地下礦場中的相關人員發(fā)送編碼消息。8.能夠在地下礦場中的特定區(qū)域中發(fā)生礦難的情況下在未受干擾的可用路由器 之間自動形成替代網(wǎng)絡，從而通信在整個礦場中不受干擾。9.能夠監(jiān)視傾卸車在露天礦場中的移動，這最終有助于實現(xiàn)最優(yōu)的鏟-卸車性能 并且提高生產(chǎn)率。10.實現(xiàn)一種用于地下和露天礦場的低功率、本質上安全、易于安裝和成本有效 的礦工的信息和安全系統(tǒng)。通過以下非顯而易見的發(fā)明步驟已經(jīng)實現(xiàn)用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)的新 穎性，這些步驟組合地提供符合ZigBee的收發(fā)器(通過硬件專用嵌入式軟件可編程為作 為終端設備、路由器和協(xié)調器來工作)以及具有用于地下和露天礦場的各種應用模塊的 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件。本發(fā)明的系統(tǒng)主要包括如下兩個模塊ZigBeeRFID 收發(fā)器，其通過在所需的礦場部分中形成多跳無線傳感器網(wǎng)絡來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；以及 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件，其接收、處理和存儲數(shù)據(jù)，并且向相應網(wǎng)絡設備發(fā)送 必要的命令/消息。本發(fā)明在于硬件和軟件的組合，其中已經(jīng)開發(fā)硬件專用嵌入式軟件用于將RFID 收發(fā)器設備編程為協(xié)調器、路由器和設備。使用‘C’語言在IAR嵌入式工作臺和 Tl-make庫中編譯和調試該嵌入式軟件。IAR系統(tǒng)是致力于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具領域的瑞 典計算機技術公司，而TI(德州儀器)是制造各種電子器件和芯片的美國公司。已經(jīng)開發(fā) 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件以跟蹤、監(jiān)視和存儲從放置在礦場的關鍵位置的RFID 設備接收的信息。本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)的使用應當如下ZigBee RFID收發(fā)器/設備(終端設備、路由器和協(xié)調器)容納于堅硬和強韌的 結構中以耐受惡劣采礦條件。協(xié)調器(C)在地表控制室中使用RS232線纜來連接到計算 機(PC)。路由器(R)懸置于地表上的桿中或者從豎井(SH)/斜井(I)/層(G)的頂部/ 側部懸置，從而它不會妨礙人員和機器的移動。兩個路由器(R)之間的距離可以隨著視 線范圍越大而在直層(G)/道路(TR)/豎井(SH)/斜井⑴中從40-80m變化。在小型
13和迷宮式層(G)的情況下，路由器(R)之間的距離應當保持較小距離，從而在路由器(R) 之間維持視線距離。路由器(R)應當放置成使得在礦場的特定部分中發(fā)生礦難情況下可 以通過替代路線自動建立通信。按照上述指導，路由器(R)放置于礦場的需要監(jiān)視和跟 蹤礦工和可移動設備的關鍵位置。這些路由器(R)與協(xié)調器(C)形成無線網(wǎng)格網(wǎng)絡。所 需的環(huán)境監(jiān)視傳感器附著到特定路由器，其中氣體監(jiān)視是基本的。終端設備(E)分配給 礦工和可移動設備。終端設備(E)在它們與相應路由器(R)的關聯(lián)期間向路由器(R)發(fā) 送信號/數(shù)據(jù)。相應路由器(R)接收信號/數(shù)據(jù)并且向下一路由器(R)發(fā)送，隨后借助 多跳發(fā)送機制通過中間路由器向協(xié)調器(C)發(fā)送數(shù)據(jù)。最終，協(xié)調器(C)向計算機(PC) 發(fā)送數(shù)據(jù)。使用無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件處理、分析并且在計算機(PC)中存儲 相同數(shù)據(jù)。該軟件控制和命令全部網(wǎng)絡進行的所有操作。該軟件執(zhí)行各種應用，即跟蹤 地下礦場中的礦工和車輛、進行露天礦場中的路線跟蹤、預防地下礦場中的致命事故和 車輛碰撞、監(jiān)視地下環(huán)境參數(shù)、監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)、發(fā)送告警消息以及報告礦工的 值班小時。分別在圖4、圖5和圖6中描繪了用于豎井地下礦場、斜井地下礦場和露天礦 場的詳細安裝流程。通過舉例說明來給出在實際實踐的本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)的 以下例子，因此這些例子不應理解為限制本發(fā)明的范圍。例 1本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)的原型被用于在仿真條件之下的實驗 室中的實驗。使用10個符合ZigBee的RFID收發(fā)器/設備來進行實驗。將RFID收發(fā) 器編程為作為終端設備(2個)、路由器(7個)和協(xié)調器(1個)來操作。協(xié)調器使用 RS232線纜來與計算機連接，并且一個路由器放置于協(xié)調器附近。然后其余六個路由器 放置于兩個支路(總公司大樓的走廊)中，在每個支路中的三個路由器保持兩個路由器之 間約15m的距離。分配路由器之一作為表示為非安全區(qū)的受阻設備。將終端設備賦予給 兩位人員并且命令終端設備在無線網(wǎng)絡的不同方向上移動。該系統(tǒng)操作四個小時，并且 使用無線傳感器網(wǎng)絡軟件在計算機中記錄終端設備移動。該系統(tǒng)在具有終端設備的人員 到達分配作為受阻區(qū)/非安全區(qū)的特定路由器時提供警告信號。該系統(tǒng)提供分配了終端 設備的人員的跟蹤信息、他們的移動路徑、在特定區(qū)域中的停留持續(xù)時間、當前位置、 供給相應終端設備的編碼消息以及總操作時間。例 2在Bharat Coking Coal Limited的Bagdiggi Mine中用本發(fā)明的原型進行另一實 驗。使用支持ZigBee的有源RFID收發(fā)器設備(2個終端設備、7個路由器和1個協(xié)調 器)(在它們本身之間形成無線網(wǎng)絡)以及在關鍵位置放置的其它靜態(tài)和移動SgBee RFID 收發(fā)器設備來進行實驗。協(xié)調器在從入口點分叉的兩個層的豎井底部附近使用RS232線 纜來與膝上型計算機連接。一個路由器放置于協(xié)調器附近約20m的距離處。然后其余 六個路由器放置于兩個支路(層)中，在每個支路中的三個路由器保持兩個路由器之間約 40-50m的距離，從而在兩個路由器之間維持視線。分配位于一個支路(層)的末端點的 一個路由器作為表示為非安全區(qū)的受阻設備。將終端設備賦予給兩位人員并且命令終端 設備在這樣形成的兩層中的無線網(wǎng)絡的不同方向上移動。該系統(tǒng)操作八個小時，并且使 用無線傳感器網(wǎng)絡軟件在膝上型計算機中記錄終端設備的移動。該系統(tǒng)在終端設備到達分配作為非安全區(qū)的特定路由器時提供警告信號。該系統(tǒng)提供分配了終端設備的人員的 跟蹤信息、他們的移動路徑、在特定區(qū)域中的停留持續(xù)時間、當前位置、供給相應終端 設備的編碼消息以及總操作時間。在地下礦場中成功地試驗了該系統(tǒng)。本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)基本上能夠連續(xù)跟蹤和監(jiān)視礦場中的 礦工和可移動設備。該系統(tǒng)能夠標識進入地下礦場的礦工以保持對礦工的跟蹤并且維 持計算機化看護。該系統(tǒng)能夠監(jiān)視設備位置及其操作以提高生產(chǎn)率并且減少致命碰撞事 故。該系統(tǒng)能夠監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)并且在礦工迫近非安全區(qū)附近時向相應礦工提供 警告。該系統(tǒng)能夠監(jiān)視地下礦場中的環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)能夠向地下礦場中的相關人員發(fā) 送編碼消息。因此結論表明本發(fā)明的用于地下礦場工人的探測系統(tǒng)的發(fā)明步驟所實現(xiàn)的新穎 特征基本上被證實對于實現(xiàn)更佳安全性的礦場管理而言是有用的。本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于1.該系統(tǒng)使用支持ZigBee的有源RFID收發(fā)器設備(在它們本身之間形成無線網(wǎng) 絡)以及在關鍵位置放置的其它靜態(tài)和移動ZigBee設備來跟蹤和監(jiān)視地下礦場中的礦工 和設備。2.該系統(tǒng)標識進入地下礦場的礦工以保持對礦工的跟蹤并且維持計算機化看 護。3.該系統(tǒng)監(jiān)視設備位置及其操作以提高生產(chǎn)率并且減少致命碰撞事故。4.該系統(tǒng)在礦難情況下對礦工進行定位和跟蹤以進行迅速援救行動。5.該系統(tǒng)監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)并且向相應礦工提供警告。6.該系統(tǒng)實時監(jiān)視地下礦場中的環(huán)境參數(shù)。7.該系統(tǒng)向地下礦場中的相關人員發(fā)送編碼消息。8.該系統(tǒng)在地下礦場中的特定區(qū)域中發(fā)生礦難情況下在未受干擾的可用路由器 之間自動形成替代網(wǎng)絡。9.該系統(tǒng)監(jiān)視傾卸車在露天礦場中的移動，這最終有助于實現(xiàn)最優(yōu)的鏟_卸車性 能并且提高生產(chǎn)率。10.該系統(tǒng)實現(xiàn)一種用于地下和地表礦場的低功率、本質上安全、易于安裝和成 本有效的無線信息和安全機制。
權利要求
1.一種用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)組合地包括多個可 編程的有源RFID收發(fā)器設備，所述RFID收發(fā)器設備可編程為作為協(xié)調器、路由器和終 端設備來操作，具有常駐硬件專用嵌入式軟件，能夠在它們本身之間形成無線網(wǎng)絡；所 述多個編程的RFID收發(fā)器設備被有策略地放置形成統(tǒng)一的無線網(wǎng)格聯(lián)網(wǎng)基礎結構，所述 基礎結構具有用于跟蹤、監(jiān)視和存儲從連接到傳感器的所述RFID設備接收的信息的常駐 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)應用軟件。
2.如權利要求1所述的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，其中所述可編程的有源 RFID收發(fā)器設備是符合ZigBee的設備。
3.如權利要求1-2中任一項所述的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，其中作為用于 作為協(xié)調器、路由器和終端設備來操作的符合SgBee的可編程設備、具有常駐應用專用 嵌入式軟件的所述可編程的有源RFID收發(fā)器(1至16)設備包括天線(1)、低噪聲濾 波器(2)、下變頻混頻器(3)、本地振蕩器(4)、帶通濾波器(5)、放大器(6)、模數(shù)轉換 器(7)、數(shù)字解調器(8)、無線電數(shù)據(jù)接口(9)、控制邏輯(10)、微控制器單元(11)、數(shù) 字調制器(12)、模擬轉換器(13)、低通濾波器(14)、上變頻混頻器(15)和功率放大器 (16)的組合；其中所述天線(1)串聯(lián)連接到低噪聲濾波器(2)、下變頻混頻器(3)、帶通 濾波器(5)、放大器(6)、模數(shù)轉換器(7)和數(shù)字解調器(8)；本地振蕩器(4)連接到所 述下變頻混頻器(3)和放大器(6)；所述數(shù)字解調器(8)通過無線電數(shù)據(jù)接口(9)連接到 數(shù)字調制器(12)；控制邏輯(10)連接到所述數(shù)字解調器(8)、數(shù)字調制器(12)和所述無 線電數(shù)據(jù)接口(9)；微控制器單元(11)連接到所述數(shù)據(jù)接口(9)；所述數(shù)字調制器(12) 串聯(lián)連接到模擬轉換器(13)、低通濾波器(14)、上變頻混頻器(15)和功率放大器(16)； 并且所述本地振蕩器(14)與所述上變頻混頻器(15)連接。
4.如權利要求1-3中任一項所述的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，其中具有常駐硬 件專用嵌入式軟件以充當協(xié)調器、路由器和終端設備的所述符合ZigBee的有源RFID收發(fā) 器設備通過礦場中的無線傳感器聯(lián)網(wǎng)來形成基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)格網(wǎng)絡，用于跟蹤地 下礦工和設備。
5.如權利要求1-4中任一項所述的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，其中所述常駐無 線傳感器網(wǎng)絡(wsN)應用軟件具有以下模塊ω跟蹤礦工和車輛；Gi)在露天礦場中 的路線跟蹤；(iii)預防車輛碰撞和致命事故；(iv)預防車輛碰撞；(ν)環(huán)境監(jiān)視；(Vi) 監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)；(vii)發(fā)送告警消息；以及(viii)預備計算機化礦工值班小時。
6.如權利要求1-5中任一項所述的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，其中使用‘C’ 語言在IAR嵌入式工作臺和Tl-make庫中編譯和調試用于將所述RFID收發(fā)器設備編程為 作為協(xié)調器、路由器和終端設備來工作的所述常駐硬件專用嵌入式軟件。
7.如權利要求1-6中任一項所述的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，其中所述無線信 息和安全系統(tǒng)能夠在地下礦場中的特定區(qū)域中發(fā)生礦難情況下在未受干擾的可用路由器 之間自動形成替代網(wǎng)絡，從而通信在整個礦場中不受干擾。
8.如權利要求1-7中任一項所述的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，其中所述無線信 息和安全系統(tǒng)是用于地下和地表礦場的低功率、本質上安全、易于安裝和成本有效的系 統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明的用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)實現(xiàn)了使用支持ZigBee的有源RFID設備(在它們之間形成無線網(wǎng)絡)以及在關鍵位置放置的其它靜態(tài)和移動ZigBee設備來連續(xù)跟蹤和監(jiān)視地下礦場中的地下礦工和可移動設備。本發(fā)明提供一種用于礦場的無線信息和安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)組合地包括符合ZigBee的設備(通過硬件專用的嵌入式軟件可編程為作為終端設備、路由器和協(xié)調器來操作)以及具有用于地下和露天礦場的各種應用模塊的無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)軟件。使用本發(fā)明的系統(tǒng)將有助于標識進入地下礦場的礦工以保持對礦工的跟蹤并且維持計算機化看護。這將有助于監(jiān)視設備位置及其操作以提高生產(chǎn)率并且減少致命碰撞事故。這將有助于在礦難情況下對礦工進行定位和跟蹤以進行迅速援救行動。這將有助于監(jiān)視礦工的非安全作業(yè)并且向相應礦工提供警告。這還將有助于實時監(jiān)視地下礦場中的環(huán)境參數(shù)。這也將有助于向地下礦場中的相關人員發(fā)送編碼消息。這還將有助于監(jiān)視傾卸車在露天礦場中的移動，這將最終有助于實現(xiàn)最優(yōu)的鏟-卸車性能并且提高生產(chǎn)率。
文檔編號G01S5/02GK102016627SQ200980114909
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權日2008年3月26日
發(fā)明者L·K·班德優(yōu)帕德亞, P·K·米夏, S·K·喬爾亞 申請人:科學與工業(yè)研究委員會