（控制理论与控制工程专业论文）煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计.pdf

煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计 摘要 煤矿是我国当前安全生产事故多发的重点行业，安全生产形势十分严峻， 而目前国内的矿井安全监控系统存在价格昂贵、功耗高、维护成本高、兼容性 差等缺点，不能满足安全生产需要。 本文深入研究了国内外矿井安全监控系统的技术现状和矿井安全生产需 求，分析当前市场上现有系统存在的缺点，结合我国中小煤矿企业的安全生产 需要，提出了一种集井下人员定位和瓦斯检测功能于一体的矿井安全监控系统 的设计方案。针对该系统的功能需求，本文首先对c a n 总线技术及其在煤矿 安全生产中的应用进行了深入地研究，提出主从和多主两种通讯模式相结合的 井下网络通信方案，制定了基于c a n 总线的系统网络通信协议。接着，对i u i d 技术及其在矿井安全生产中的应用进行了深入地研究，根据矿井安全生产的实 际需求，提出了一种基于i 讧i d 技术的井下人员区域定位方案。然后，合理地 选择了芯片、设计并开发出了智能卡、定位基站等硬件电路，采用c 语言编写 了相关应用程序，实现了以上的两个方案。最后，本文对开发出的系统进行了 联机调试，取得了满意的实验结果，表明本文研发的系统达到了矿井安全监控 和井下人员实时定位的要求。 本文研发的矿井安全监控及人员定位系统性价比高、实时性好，能加强对 井下矿工的有效监控和管理，解决了一般矿井人员定位系统中出现的人员漏读 问题，因而有着较高的实用价值和推广应用前景。 关键词：矿井安全监控：c a n 总线；射频识别；瓦斯检测；人员定位；通信协 议 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t c o a lm i n ei st h ef o c u so fi n d u s t r yi nc h i n a f sc u e n ts a f e t ya c c i d e n t si n p r o d u c t i o na n d i t ss a f e t yp r o d u c t i o ns i t u a t i o ni ss e r i o u s t h ec u r r e n td o m e s t i cm i n e m o l l i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi sm o r ee x p e n s i v e ，h i 曲- p o w e r ，h i g hm a i n t e n a n c e c o s t s ，p o o rc o m p a t i b i l i t ys h o r t c o m i n g sa 1 1 dc o u l dn o tm e e tp r o d u c t i o ns a f e t yn e e d s i nt h i sp a p e r ，t h e r ei ss t u d yo nt h et e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i co fc u l l r e n tm i n e m o n i t o r i n gs y s t e m sa n dt h en e e d so fs a f - e t yi nt h em i n ep r o d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h e s e c u r i t yp r o d u c t i o nn e e d so fd o m e s t i cs m a ua i l dm e d i 啪一s i z e dm i n ee n t e 印r i s e s ，t h e d i s s e r t a t i o nd e c i d e st o i n t e g r a t ep e r s o n n e ip o s i t i o n 如n c t i o n sa n dg a sd e t e c t i o n 如n c t i o n si n t oo n em o n i t o r i n gs y s t e m i no r d e rt or e a l i z et h i st h o u g h t ， t h e d i s s e r t a t i o nf i r s t l yr e s e a r c ht h ec a n - b u st e c l l l l o l o g ya j l di t s 印p l i c a t i o ni nm i n e s e c 埘t yp r o d u c t i o n ，c o m b i n e st h em u l t i - m a s t e rc o m m u n i c a t i o na n dm a s t e 卜s l a v e c o m m u n i c a t i o n ，d e s i g n st h es y s t e m sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do n c a n - b u s s e c o n d l y ，t h e r ei ss t u d yo nt h er f i dt e c l m o l o g ya n di t s 印p l i c a t i o ni n m i n e a c c o r d i n gt ot h es e c u r i t yp r o d u c t i o nn e e d s ，t h ep a p e rm a k eam i n e rr e g i o n a l p o s i t i o np r o p o s a lb a s e do nr f i dt e c l m o l o g y t h i r d l y ，t h eh a r d w a r ea n ds o r w a r e d e s i g na n dd e v e l o po nr f i dc a r da n dp o s i t i o nb a s e s t a t i o n si sf i n i s h e d t h e t h o u g h t sp r o v i d e db e f o r ea r er e a l i z e db yt h ea p p l i c a t i o np r o g r 锄m eb a s e do nc l 卸g u a g e f m a l l y ，n l ep a p e rt a l ( e sao n - l i n ed e b u g g i n go nt h es y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a t t h es y s t e md e v e l o p e di nt h i s p 印e rm e e t st h e m i n es a 传t ym o n i t o r i n ga n d u n d e 唱r o u n dp e r s o l l l l e lp o s i t i o nr e q u i r e m e n t s t h em i n es a f e t ym o n i t o r i n ga n dp e r s o r u l e ip o s i t i o ns y s t e md e s i g n e di nm i s p a p e ri m p r o v e st h es u p e r v i s i n ga i l dm a n a g e m e n to nt h eu n d e r g r o u n dm i n e r s ，a n d h a sb e t t e rc o s t - e f f e c t i v e ，r e a l - t i m ep e r f o m a n c e ，s ta _ b i l i t y ，c o m p a t i b i l i t y i ts o l v e st h e l e a k a g er e a d i n gp r o b l e m s 印p e a r e di nt h eg e n e r a lm i n es t a f fp o s i t i o ns y s t e m s o ，i t p o s s e s s e se x c e l l e n tp r a c t i c a b i l i t ya n dt h e 印p l i c a t i o nf o r 黟o u n d k e yw o r d s ：m i n es a f e t ym o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ；c a n - b u s ；r f i d ；p e r s o 皿e l p o s i t i o n ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i i i 硕士学位论文 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名：j f 笺孝 吼研年弓月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密彤 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 唰年 ， 日蟛j ：加西年 弓刚i i l 日 芗月，髟 日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 煤炭工业是国民经济的基础和重要组成部分。但煤矿也是我国当前安全生 产事故多发的重点行业，安全生产形势十分严峻。近年来，由于种种原因，我 国的矿难事故频繁发生，给国家和人民带来了严重的生命财产损失。特别是中 小型乡镇煤矿和私人煤矿，由于安全生产设备落后、安全生产意识不够、没有 建立一套完整的安全生产管理体系，安全生产状况令人担忧。据国家煤矿安全 监察局发布的全国煤矿生产和安全情况统计，2 0 0 5 年全国原煤产量2 1 1 亿吨， 死亡5 9 8 3 人，百万吨死亡率2 8 l 。这样的数据是西方发达国家的几十倍甚至 上百倍，令人触目惊心。这种局面若不能有效控制，势必影响我国经济的可持 续健康发展和全面建设和谐社会宏伟目标的实现。因此，从管理和技术两方面 分析导致我国煤矿尤其是中小型乡镇煤矿安全状况难以好转的原因，提出解决 问题的有效途径，对改善乡镇煤矿安全状态，促进其健康、有序的发展，将具 有积极的指导意义。 国内目前已经投入生产和使用的矿井安全监控系统和矿井人员定位系统有 很多种，但现有产品无论是使用还是维护上都需要较高的技术支撑，并要配备 足够的专职工作人员。由于监测主机和井下的监控分站为2 4 小时运转，即使是 小型的安全监测系统，也要配备4 5 名专职人员，而且其中至少要有一名工作 人员懂系统的维护和校正。这对大多数缺少必要技术力量的乡镇小煤矿是难以 支撑的。由于缺乏必要的安全动态监测系统，构不成高效的安全监控网络，监 察部门的巡检难分轻重缓急，无法及时、准确、快速地对矿井发生的灾害信息 做出反应，直接影响到控制事故发生的能力。因此从实际情况出发，研发出造 价低廉、使用方便、维护简单和可靠性高的本质安全型煤矿安全监控及人员定 位系统有着重要的现实意义。 课题来源于湖南省2 0 0 6 年科技攻关重点项目：矿山井下安全监控及无线定 位系统的研究与开发。本课题旨在研究国内外矿井安全监控系统的技术现状， 试图通过计算机控制技术、传感器技术、现场总线技术、射频识别技术等学科 理论的交叉运用，开发出一套适合于我国中小型煤矿使用的矿山井下安全监控 及人员定位系统。正常情况下，该系统能实时监测巷道温湿度、瓦斯浓度、及 井下人员位置信息，为矿山企业提供安全预警和考勤管理等功能。矿难发生时， 该系统可保证抢险救灾和安全救护工作的高效运行。 煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计 1 2 矿井安全监控系统概述 矿井安全监控系统是指对煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度、湿 度等环境参数和矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行 监测和控制，用计算机分析处理并取得数据的一种系统。近年来，随着现代化 管理意识的增强和以计算机为核心的煤矿监测监控技术的日益成熟，安全监测 监控系统在全国各类矿井中己得到广泛的应用。 1 2 1 矿井安全监控系统的作用 影响矿井生产的因素很多，主要有以下两方面：( 1 ) 环境参数：如瓦斯、 一氧化碳、风量、温度、湿度、井下粉尘、烟雾、水位、风压等参数。( 2 ) 机 电设备的运行参数：皮带机、割煤机、转载机、煤仓煤位的高低，支路的电压、 电流【。 这些参数任何一个出现异常，都会影响矿井的生产，发生灾害。瓦斯爆炸、 水灾和井下起火是最常见的三个灾害，其中瓦斯爆炸是三灾中最严重的。它的 破坏作用极大，是一种瓦斯、煤尘、大火混合型的爆炸灾害。掘进面、工作面， 瓦斯涌出的大小随地理情况、煤的生成情况不同而异，情况异常复杂，且无规 律。所以，解决这个问题的有效办法就只有随时测出其地域点的瓦斯含量。当 超限时，报警提醒工作人员注意，区域断电停止生产，避免产生点燃瓦斯爆炸 的火花，等待瓦斯随风排出后再行生产睇j 。 由此可见，避免发生事故的关键是能及时发现瓦斯超限，并在超限时及时 发出声光报警和切断相关工作区域的电源，避免产生火花。在没有安全监控系 统的情况下，该项工作一般由瓦斯检测员每隔一段时间用便携式瓦斯测定仪在 规定区域测试瓦斯浓度，并汇报到地面管理人员。而在瓦斯检测员不在规定区 域的这段时间内，瓦斯含量情况以及是否发生事故，地面管理人员就无法知道， 这是一个严重的问题。而监测系统所安装的传感器、工作站、报警断电执行机 构是连续工作方式，随时会测出瓦斯含量，并在出现异常时，同时声光报警和 执行区域断电，可避免事故发生，并随时定时地将测量数据送到地面调度室和 调度室计算机网络中，调度人员会随时知道何处出现异常并根据情况采取相应 的措施，缓解危情，如调度风量大小、决定是否撤出人员、如何撤出等。安全 监控系统在生产设备运行的管理上也起着十分显著的作用。地面调度人员根据 煤的生产情况进行合适的调度，可提高设备的运行效率和节能。 综上所述，监控系统是保障煤矿安全生产的重要手段。在矿井的防灾、减 灾方面以及提高生产效率方面起着重要作用，是矿井生产实现现代化管理的一 个重要标志。 2 硕上学位论文 1 2 2 矿井安全监控系统的结构 矿井安全监控系统是传感器技术、信息传输技术、计算机应用技术、电气 防爆技术和控制技术等多种技术在矿井安全生产领域应用的产物，对保障煤矿 安全生产，提高生产效率和机电设备的利用率都具有十分重要的作用【3 j 。 矿井安全监控系统通常由井下现场测控分站和井上监控中心主站组成。其 整体结构如图1 1 所示： 监控基站监控基站监控基站监控基站 图1 1 矿井安全监控系统结构图 分站可以脱离主站自动实现就地监测和控制功能。一般由传感器和执行器、 信息传输装置等组成。监控主站由计算机、服务器、打印机、显示屏、霹雷针 等组成。主要负责监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析和报表打 印等。 1 2 3 国内外矿井安全监控系统的发展及现状 1 国内外矿井监控系统的发展及现状 国外研制矿井计算机监控系统始于2 0 世纪6 0 年代，为保证煤矿安全生产， 世界主要产煤国( 如美国、英国、德国、波兰、前苏联等) 从上世纪5 0 年代起 便把监测、监控技术应用到安全生产管理上，陆续丌发出了s c a d a m 创0 5 系统、 t f 2 0 系统、c t t 6 3 1 4 等系统【4 。5j 。由于我国煤矿计算机监测监控系统的研制起步 煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计 较晚，初期监测监控系统( 2 0 世纪8 0 年代初) 主要由传感器、断电仪、载波机、 计算机和调度盘等设备组成。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国 先后从美国、英国、德国、法国、加拿大分别引入数十套监控系统。借鉴这些 系统，我国自主开发研制出了许多种矿井安全监控系统。如，4 、k j 2 、k j 9 5 、 9 6 等系统。其中，9 6 型煤矿安全监测监控系统基本上反映了目前我国监 控系统总体发展水平，在全国许多大中型煤矿得到了广泛的应用。 上述系统均是综合型监测系统，侧重于安全参数的检测和控制，没有对下 井人员进行实时监控。随着射频识别技术i 江i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n t e c l u l o l o g y ) 兴起，目前国内外正积极地将该技术运用到井下的无线定位和安 全管理上来。射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自 动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣 环境。国外专家还借助p e d ( p e r s o n a le m e 玛e n c yd e v i c e ) ，构架利用超低频信 号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统，极大地提高了事故后的搜救效率。 2 0 0 3 年7 月2 4 日宾西法尼亚州煤矿矿道坍塌，9 名矿工在井下被困，三天后全部 获救。宾西法尼亚州煤矿正是利用了p e d 系统的紧急信息发布功能，矿工在事 故发生时才得以迅速撤离，而通过井下个人跟踪系统的准确定位功能，又将被 困的9 名矿工及时抢救出来。基于以上射频识别技术以及自动控制、通信等相关 技术，国内也投入生产了一些比较先进的井下人员及车辆跟踪系统，如煤炭科 学研究院重庆分院开发的9 0 型矿井人员跟踪定位及考勤管理系统1 6 。j 。 2 国内矿井安全监控系统存在的问题 随着我国科学技术的飞速发展，矿井安全监控系统有了很大的进步，整体 技术含量的提高为煤矿安全带来了本质性的飞跃。现有的矿井安全监控系统虽 在保证煤矿安全生产方面发挥了重要，但仍然有很大的不足，难以满足煤矿安 全生产的需要主要表现在以下几方面邛j ： ( 1 ) 价格昂贵，不适于中小煤矿企业。由于没有统一的行业标准，各厂商 的系统互不兼容，各厂家不得不从头开发自己的系统，造成大量的人力物力浪 费，大大提高了开发成本。国内很多矿井安全生产监控系统功能类似，是在同 一水平上的重复开发，浪费了大量的人力物力，因此导致的高价格使得这些系 统很难在小煤矿得到推广使用。 ( 2 ) 维护成本高。现有的矿井安全监控系统常由环境参数监控子系统、风 机控制子系统等系统组成。而这些子系统多为封闭系统，系统中使用的通信协 议和信息交换标准都是由厂商自己制定的，严格保密，互不兼容。而且，网络 结构和通信模式多样，不同子系统间联网困难，难以做到数据共享，造成设备 的重复投资，由于每种子系统都需要建立自己的通信网络，电缆的重复敷设、 维修人员的重复设置，造成企业资源配置不合理，大大提高了煤矿企业的生产 4 硕士学位论文 成本。 ( 3 ) 缺少人员监控功能。系统监控对象是井下环境参数( 瓦斯、c o 、温 度、湿度、风速、气压等) 和机电设备的运行参数( 转载机、皮带机、割煤机、 乳化泵、煤仓煤位的高低，支路的电压、电流等) ，不能对井下人员进行跟踪定 位。系统的应用目的主要在灾难的预防和生产效率的提高上，一旦发生矿难， 由于井上人员不知道井下人员的位置，很难组织高效的矿工疏散、搜救等工作。 ( 4 ) 兼容性差。没有统一的行业标准，各厂商的系统在软硬件上互不兼容。 如各厂商系统的通信协议均自己定义，没有一个符合矿井电气防爆等特殊要求 的总线标准，从而造成不同厂家的设备无法接入，互不兼容，无法共享传输通 道。 ( 5 ) 实时性、稳定性差。系统通信方式多为主从传输方式，如有的系统采 用r s 4 8 5 总线进行通信。主从通信方式中从站只有当主站有数据请求时才能与 主站通信，期间若有紧急情况发生，不能及时通知主站采取相应措施，系统实 时性不好；主从通信方式对主站要求很高，若主站发生故障，整个系统就会瘫 痪，系统可靠性较低。 因此，开发造价低、工作可靠、兼容性强、应用灵活、易扩展及升级的矿 井安全监控系统，已成为我国煤矿安全监控系统今后发展的重要目标。 1 2 4 矿井安全监控系统的发展趋势 当前计算机、网络和多媒体等技术日新月异，加上计算机应用在我国煤矿 的大量普及、一些先进生产设备的投入使用，使得煤矿行业的现代化生产和管 理水平迸一步提高，对煤矿监控系统的性能和功能也提出了新的要求。我国煤 炭企业数量多，分布广，规模多样。因此，开发研制出一系列满足大、中、小 煤矿不同层次需求的矿井监测监控系统是十分必要的。不同规模的煤矿企业对 监控系统的需求是不同的，所以用于煤矿的监控系统的发展趋势也不一样【8 j 们。 国有大型煤矿资金雄厚，对安全监控系统的要求高。为满足企业的安全生 成需要，这类监控系统将向性能卓越的综合监控信息系统方向发展，主要是在 以下技术领域取得突破： 传感器技术。监测传感器是实现计算机监控的技术基础，也是决定监 控系统品质的重要方面。它正朝着新技术、新原理、模块化、组件化、 智能化和功能化方面发展。 多媒体技术。当前绝大多数系统仍是以简单的数据信息为主要监测处 理对象，随着多媒体技术的日益成熟，数据信息将与文字、语音、图 象等多媒体信息结合，监控系统将发展成为集视频监控、语音调度及 考勤管理为一体的综合监控信息系统。 5 煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计 信号传输技术。现有煤矿监控系统的地面监控中心与分站、子系统的 通信线缆只能传输数字语音信号，带宽窄，通信速率偏低，难于满足 现场多媒体信息的实时传输要求。随着光通信技术的发展，光缆将取 代现有通信电缆( 如双绞线、铜缆等) 成为主干传输网络。 远程监控技术。随着现代移动通信技术、i n t e m e t 、信息处理技术的发 展，企业局部的监控系统将通过网络与异地安监部门的监控系统或其 它企业的监控系统互联以实现远程监控或信息共享，最大限度地利用 监控信息资源。传统的本地监测监控系统将朝着无线远程监控系统方 向发展。 由于中小型煤矿企业资金不是很宽裕，所以要求监控系统价格低廉，功能 简单实用。对中小煤矿而言，增加其生产成本的主要原因是瓦斯引起的爆炸及 其带来的人员伤亡，因此瓦斯浓度超限报警及矿难发生时的人员定位搜救就显 得格外重要。只要安全监控系统具备瓦斯浓度监测报警和人员实时监控功能就 能满足中小煤矿的安全生产要求。这类监控系统将在瓦斯传感及预测报警、人 员定位等技术领域中取得突破。本文所研发的系统就属于此类系统。 1 3 本文主要研究内容 本文在结合我国国情，分析当前矿井安全监控系统缺点的基础上，深入研 究了现场总线技术、射频识别技术、传感器技术在矿井安全生产领域的应用， 并结合应用对象矿井安全监控及人员定位系统，在以下几方面进行详细的 研究： 国内外矿井安全监控系统的现状及发展趋势 c a n 总线、射频识别、瓦斯检测等技术在矿井安监领域中的应用研究 基于c a n 总线的系统网络通信协议的制定及应用 系统人员定位方案的设计与研究 系统中定位基站、智能卡的软硬件设计及实现 系统的调试 1 4 本文的章节安排 本文章节结构如下： 第1 章绪论介绍课题来源及研究意义、矿井安全监控系统的作用与结构， 国内外矿井安全监控系统现状及发展趋势，并给出本文的主要研究内容和章节 安排。 第2 章系统的整体方案设计概述系统的功能需求、系统的设计思想、系 6 硕士学位论文 统整体结构及工作原理、系统的技术指标；深入研究c a n 总线技术及应用， 制定了基于c a n 总线的系统网络通信协议，设计合适的通讯方式；深入研究 r f i d 技术及应用，提出井下人员区域定位方案，并给出该方案的实现措施。 第3 章系统的硬件设计本章详细介绍系统中智能卡、瓦斯传感器和定位 基站三部分的硬件设计。 第4 章系统的软件设计本章详细介绍系统中智能卡和定位基站两部分的 软件设计。 第5 章系统调试本章简单介绍了井上监控系统的部分人机界面；提出系 统的实验室调试方案；分析联机调试结果。 结论概述本文所完成的工作、取得的成果、存在的不足。 7 煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计 第2 章系统的整体方案设计 系统的整体方案设计是系统开发成功的关键。本章结合煤矿井下安全生产 的实际需求，设计系统的整体结构及功能；介绍总线技术发展及应用、分析c a n 总线的分层结构、深入研究c a n 报文传输及帧结构、给出基于c a n 总线的井 下通信方案；研究r f i d 系统的分类及工作原理、分析常见的i 疆i d 系统冲突 及防冲突算法、给出基于r f i d 技术的人员定位方案、分析该方案中的关键问 题并给出解决措施。 2 1 系统的总体设计 2 1 1 系统的功能需求 为了满足煤矿井下安全生产的需要，矿井安全监控系统在正常情况下应能 为煤矿管理人员提供瓦斯检测、瓦斯超限报警、人员实时监控、进出限制、考 勤作业等多方面的管理信息。一旦发生安全事故，通过监控系统应可以知道该 被困人员的具体位置，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。因此，本文 设计的煤矿井下安全监控及人员定位系统应具备以下基本功能： 1 人员定位检测功能。实时检测下井人员所处的区域信息，实现对下 井员工的人员定位和跟踪管理功能。 2 井下环境参数监控功能。实时监控井下安全相关敏感数据信息，能 够检测井下瓦斯浓度、一氧化碳浓度、温度、湿度等物理信息。 3 自动报警功能。当井下定位基站、相关传感器设备或通信电缆及传 输接口出现故障时，井上监控主机有相应的显示和报警功能；当检测到井 下某处的瓦斯浓度超标时，定位基站和井上监控主机均能发出报警；当有 矿工误入井下禁区时，定位基站报警。 4 安全保障功能。系统根据数据库中储存下来的历史数据信息，可迅 速知道井下人员及重要设备的分布情况，一旦出现矿井灾难，可对现场被 困人员进行定位和搜寻，便于有效救护。 5 考勤管理功能。通过操作平台专用管理软件对下井人员进行下井次 数、井下停留时间等信息分类统计，便于考核，实现工作人员的考勤统计 管理功能和有关报表的打印。 6 生产调度功能。通过调用数据库中的数据，可以查询井下人员分布情况 并根据需要迅速进行人员调配，实现井下有限资源的优化配置，达到事半功倍 的效果。 8 硕士学位论文 2 1 2 系统的设计思想 煤矿井下安全监控及人员定位系统涉及计算机软件、数据库、电子电路、 防爆本安电源、数字通讯、传感器、射频识别( i 江i d ) 等方面技术。因此在设 计方案时，除了考虑其功能外，在稳定性、可靠性、抗干扰能力、容错能力及 异常保护等方面也进行了充分考虑。本文以c a n 总线作为系统的主传输平台， 开发智能卡、定位基站等设备与c a n 通信网络挂接，构成二级集散式井下安全 监控及人员定位系统。系统通过井下定位基站及井上实时监控主机，信息管理 专用软件与主机数据库进行后台数据交换从而实现井下坑道瓦斯浓度检测、瓦 斯超限报警、井下作业人员的跟踪定位和考勤管理等功能。系统总体设计思想 主要体现在： ( 1 ) 设计人性化。本文从“以人为本”的指导思想出发，研发出的系统具备 瓦斯检测、瓦斯超标报警、人员定位、矿工报警等功能。这些功能可以降低矿 井安全事故的发生，确保煤矿工人的生命安全。此外，系统是通过r f i d 技术 来对井下人员进行自动识别定位的，无须人工干涉，没有增加煤矿工人的工作 负担。这些都彰显了系统的“人性化、信息化和高度自动化”。 ( 2 ) 应用灵活化。系统中的瓦斯传感器、读卡器等都是以模块的形式设 计的，这两模块可以方便的嵌入系统或从系统移除。本系统应有以下几种应用 方式： 对于没有任何安全监控系统的中小型煤矿，可以全套应用本文设计开 发的系统。 对于已有瓦斯监控系统的中小煤矿，可以去掉本系统的瓦斯传感器模 块，将本系统以人员定位系统的方式引入。 由于矿难事故频繁发生，这两年内一些安全监控设备十分落后的中小 煤矿纷纷引入了矿井人员定位系统，但瓦斯浓度的检测还多采用人工 检测的方式。对于这类煤矿，可以将本系统以瓦斯监控系统的形式引 入。 ( 3 ) 功能实用化。本系统在功能上不是追求功能多而全，而是追求功能简 单实用。对中小煤矿而言，只要安全监控系统具备瓦斯浓度监测报警和人员实 时监控功能就能满足它们的安全监控要求。本文开发的系统在具备这些基本功 能的基础上，还扩展了人员无线报警等功能。 2 1 3 系统总体结构及工作原理 1 系统的总体结构 本系统由地面监控子系统和井下人员定位子系统两部分组成，其结构如图 2 1 所示。 9 煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计 井下人员定位子系统由定位基站、现场总线、智能卡组成。其中定位基站 负责采集处理矿井人员的身份编码、坑道内的瓦斯浓度、温湿度等信息， 并将它们送给地面监控主机；智能卡里保存有员工的身份编码，并不断的 向周围发送该编码，矿难发生时可发无线报警信号。 匪 囵 分 口 圈 图2 1 矿井安全监控及人员定位系统结构图 地面监控子系统由监控主机、w e b 服务器、通信处理机、打印机、显示器 等组成。通信处理机负责将井下现场总线信号转换为r s 2 3 2 信号；h u b 用 于地面设备网络连接；监控主机用来运行管理软件，在计算机屏幕上直观 动态显示井下人员的分布情况，使管理者一目了然；w e b 服务器里存放数 据库，供监管部门通过i n t e i e t 远程监控；打印机主要用来打印人员监测 管理等报表。 2 系统的工作原理 正常情况下，井下定位基站中的读卡器的将加密的数据载波信号经发射 天线向外发送，在其周围产生电磁场。矿工随身携带的智能卡进入电磁场 区域后被激活；同时将加密的载有编码号的信息经卡内的射频收发电路发 射出去；定位基站接收天线接收到智能卡发来的载波信号，经其内部的微 控制器( m c u ) 处理后，提取出人员身份识别码送至地面计算机，完成预 设的系统功能，从而实现目标的实时监控。另外，智能卡可将传感器采集 到的瓦斯浓度，温度、湿度等数据经通道内总线送至地面监控计算机。瓦 斯浓度超标时，地面监控主机和井下监控基站都能发出声音报警信号。 矿难发生时，矿工可通过智能卡向地面监控中心发呼救信号，地面监控 监控中心可以通过服务器中存储的历史数据知道井下人员的具体分布，从 而有效地组织搜救。 l o 硕士学位论文 2 1 4 系统技术指标 定位基站安装在井下主巷道、采掘面、危险场合( 如盲巷) 等需要监控的 地方，分布区域的大小由所需定位精度和井下具体环境而定。智能卡可内嵌在 井下工人的矿灯、安全帽和腰带等下矿工作随身必备物品中，不需额外增加携 带装备。在井下，员工只要穿过感应区域，定位基站中的读卡器就将接收到的 数据经c a n 总线传送到地面中心站，处理后保存到数据库服务器中。系统的 具体技术指标如下： 1 系统容量：定位基站2 5 6 台 2 允许被测目标最大移动速度：1 0 0 i i l s 3 有线信号的传输速率：2 4 0 0 b p s 4 容纳员工数：最多6 5 5 3 5 个 5 通讯方式：c a n 总线通信 6 监控主机到井下基站的最大距离：1 0 k m 7 地面人员监测管理软件： 操作系统：w i n d o w s 网络平台：以太网 数据库：s q ls e r v e r 8 智能卡： 电源：3 3 vd c 信号频率：4 3 3 8 6 8 9 l5 m h z 信号的识别距离：1 5 m 1 0 0 m 可调 同时识别卡数量：6 5 5 3 6 张 9 井下定位基站： 电源：2 2 0 v 3 8 0 va c 读卡器：参数与智能卡同 瓦斯传感器：8 位加转换精度 温、湿度传感器：1 2 位d 转换精度 2 2 基于c a n 总线的井下通信方案设计 2 2 1c a n 总线概述 c a n ，全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t 、o r k ”，即控制器局域网，是国际上应用 最广泛的现场总线之一。最初，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯网， 在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发 动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控 煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计 制装置。它是一种多主总线，最大通讯距离可达1 0 k m ，最大通讯波特率可达 1 m 。总线仲裁采用1 l 位标识和非破坏性位仲裁总线结构机制，可以确定数据 块的优先级，保证在网络节点冲突时最高优先级节点不需要冲突等待。c a n 总 线协议己被国际标准化组织认证，形成国际标准化组织i s 0 1 1 8 9 8 标准，特别适 用于分布式测控系统之间的数据通讯【l 。 c a n 属于总线式串行通信网络，c a n 总线的数据通讯具有突出的可靠性、 实时性和灵活性。本文采用c a n 总线做传输网络，正是考虑到该总线具有以下 特点： c a n 以多主机方式工作，网络上任一节点距可在任意时刻主动地向网 络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优 先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响 地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。 c a n 的直接通信距离最远达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速度最高 可达1 m b p s ( 通信距离4 0 m 以下) 。 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。每帧信息都有c r c 校验 及其他检错措施，数据出错率极低。 通信的硬件接口简单，通信线少，通信介质可为双绞线、同轴电缆或 光缆等。 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他 节点的操作不受影响。 2 2 2c a n2 o 技术规范 随着c a n 总线的应用领域的不断扩大，在一些应用中，对其通信格式的 标准化提出了要求。为此，1 9 9 1 年9 月b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规 范( v e r s i o n2 0 ) 。该规范包括a 和b 两部分，本文采用的是v 2 o b 规范。v 2 0 b 给出了c a n 的分层结构、c a n 的报文传输处理及帧格式、c a n 的出错处理及 故障界定等方面的规范。 1 c a n 体系结构 为使设计透明和执行灵活并遵循i s o o s i 标准模型，c a n 分为数据链路层 ( 包括逻辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ) 和物理层。而在c a n 技术规范2 0 a 中，数据链路层的l l c 和m a c 子层的服务和功能被描述为“目 标层”和“传输层”。c a n 分层结构如图2 2 所示【l2 1 。 1 2 硕士学位论文 图2 2c a n 总线分层结构图 ( 1 ) 物理层 物理层用于网络上节点间的物理数据传输。物理层定义了传输线和接口硬 件的机械、电气和电信号特征及功能。机械特性包括连接器尺寸、类型等：电气 特性包括最大传输速率、最大传输距离、信号电平状态代表意义等：电信号特征 包括对应电平信号的逻辑信号、信号的传输时序、数据采样方式等。 c a n 总线驱动可以采用单线上拉、单线下拉或双绞线驱动方式，接收采用 差分比较器形式。总线末端均应接有抑制反射的终端负载电阻。c a n 能够使用 多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电 压传送，两条信号线被称为“c a nh ”和“c a nl ”。静态时均是2 5 v 左右，此时 状态表示为逻辑“1 ”，也可以叫做“隐性”。用“c a nh ”比“c a nl ”高表示逻辑 “0 ”，称为“显形”，此时，通常电压值为c a nh = 3 5 v 和c a nl = 1 5 v 。显性、 隐性状态在总线上的差分电压表示如图2 3 所示。 图2 3 总线数值的电压定义 1 3 i i i 煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计 c a n 的传输距离与节点间的距离有关系，在没有中继的情况下，它们的关 系如图2 4 。 波特率 总线长度 图2 4 总线距离与传输速率的关系 由图可知，距离速率积约为常数即：距离x 速率= 4 0 m 厂b p s 。 ( 2 ) 数据链路层 c a n 网络的数据链路层主要分为逻辑链路控制子层( l l c ) 和媒体访问控制 子层( m a c ) 。 l l c 子层的功能：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层 接收的报问实际己被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。 m a c 子层是c a n 协议的核心。它把接收到的报文提供给l l c 子层，以及 接收来l l c 子层的报文。m a c 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和 标定。m a c 子层也称作故障界定的管理实体监管。此故障界定为自检机制， 以便把永久故障和短时扰动区别开来。 2 c a n 总线的报文传输和帧格式 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。如果一个单元 不是报文发送器，并且现不处于空闲状态，则该单元为报文的接收器。构成一 帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列均借助位填充规则进行编码。 当发送器在发送的位流中检测到5 位连续的相同数值时，将自动地在实际发送 的位流中插入一个补码位。报文中的位流是按照非归零码方法编码，这意味着 一个完整位的位电平要么是显性，要么是隐形。c a n 报文传送4 种类型的帧： 数据帧、远程帧、出错帧或超载帧。下面将分别阐述【l 3 1 。 ( 1 ) 数据帧数据帧是由7 个不同的位域组成，即帧起始、仲裁域、控制 域、数据域、c r c 域、应答域和帧结束。数据域的长度可以为0 。数据帧的组 成如图2 5 所示。 1 4 硕士学位论文 帧间空间 数据帧 帧间 一 或 过载 帧起始帧结束 间 图2 5 数据帧组成 ( 2 ) 远程帧激活为数据接收器的站可以借助于传送一个远程帧初始化各 资源节点数据的发送。远程帧是由6 个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、控 制域、c i 配域、应答域和帧结束。同数据帧相反，远程帧的i 盯r 位是隐形。 远程帧不存在数据域。远程帧的组成如图2 6 所示。 帧问空间 帧间 远程帧 或 ；计i 奎j 帧起始帧结束 图2 6 远程帧组成 ( 3 ) 出错帧出错帧由两个不同域组成，第一个域由来自站的错误标志叠 加得到，后随的第二个域是出错界定符。出错帧的组成如图2 7 所示。错误标 志具有两种形式，一种是主动错误标志，一种是被动错误标志，主动错误标志 由6 个连续的显位组成，而被动错误标志由6 个连续的隐位组成。检测到错误 条件的“错误激活”的站通过发送主动错误标志指示错误。错误标志的形式破坏 了从帧起始到c r c 界定符的位填充的规则，或者破坏了a c k 域或帧结束的固 定形式。所以其他站由此检测到错误条件并与此同时开始发送错误标志。出错 界定符包括8 个隐位。 图2 7 出错帧组成 ( 4 ) 过载帧过载帧包括两个位域：过载标志和过载界定符。过载帧的组 成如图2 8 所示。有三种过载的情况，这三种情况都会引发过载标志的传送： 接收器的内部情况( 此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时) 。在 间歇的第一和第二字节检测到一个“显性”位。如果c a n 节点在错误界定符或 过载界定符的第8 位采样到一个显性位，节点会发送一个过载帧。超载标志由 煤矿井下安全监控及人员定位系统的研究与设计 6 个显位组成。全部形式对应于活动错误标志形式。超载界定符与错误界定符 具有相同的形式，由8 个隐位组成。 帧结束或 图2 8 过载帧组成 3 错误处理及故障界定 c a n2 0 规范定义了5 种错误类型。这些错误类型互不排斥，可能部分或全 部地同时出现。 ( 1 ) 位错误发送站点时刻监测它发送的每一个数值，如检测到的总线数 值与发送的数值不同，则为位错误。 ( 2 ) 填充错误在应用位填充方法进行编码的报文段中，出现了第六个连 续相同的位电平，则为填充错误。 ( 3 ) c r c 错误接收站点接收的c r c 序列与计算出的c r c 序列不同。 ( 4 ) 应答错误在位应答期间，发送站未检测到应答信号。 ( 5 ) 形式错误报文中固定格式的场的格式与规定的不同。 检测到出错条件的节点通过发送出错标志进行标识。对于错误积极节点， 发送的是积极出错标志；对于错误消极节点，则发送消极出错标志。无论是位 出错、填充错误、格式错误还是应答错误，只要被任一节点检测到，该节点就 会在下一位的时间开始发送出错标志。当检测到c r c 错误时，出错标志将在应 答界定符的后一位开始发送，除非其他出错条件引起的出错标志已经开始发送。 总线上每个单元都设置有两种计数器：发送出错计数器和接收计数器，错 误计数器可按照相应的规则进行修正。这样，c a n 总线m a c 子层可以实现一定 功能的错误界定。 4 c a n 总线的c s m c d 技术 c s m c d 是载波侦听多路存取冲突检测( c a h i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t hc o l l i s i o nd e t e c t ) 的缩写【1 4 j 。利用c s m a 访问总线，可对总线上信号进行 检测，只有当总线处于空闲状态时，才允许发送。利用这种方法，可以允许多 个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有节点重新