多功能复合型基站科技创新

1、基于 ZigBee+WiFiW 联网无线技术的 矿井复合型多功能监测系统的设计及应用 概述： 物联网是互联网的延伸。物联网又称传感网，是指将各种信息传感设备，比如射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网相结合所形成的网络，其目的是让所有的物品都能够远程感知和控制，并与互联网结合成一个更加智慧的生产生活体系。作为前沿交叉领域，物联网同时涉及芯片、传感器、嵌入式智能、无线传输及实时数据交换等多种技术。 该基站采用高宽带 WiWi- -FiFi 通信技术、高精准 ZigBeeZigBee 精确定位技术、人像识别技术、信噪处理技术、VOIPVOIP 技术与 IPIP 技术等，通

2、过煤矿井下在安装融合一体化基站，实现宽带通信、无线通信、精确定位、语音广播的广泛覆盖，定位精度可达 5m5m 以内，宽带传输可达 300Mbp300Mbp融合一体化基站良好条件下覆盖距离不少于 800m800m 为构建井下物联网、智慧矿山奠定基础网络平台。 设计背景： 一、 目前我矿使用人员定位 KJ133KJ133 系统井下分站采用光纤串接方式和电缆用接独立成组方式链接，安装维护成本高，造成材料浪费严重。现有人员定位系统存在以下几点问题： 采用 RFIDRFID 射频定位技术，定位精度较差，一旦出现紧急状况无法掌握区域 人员的实际位置情况； 漏检率较高，不能处理多人同时经过都卡分站的情况；

3、单向信息传输，信息传输速率低，影响系统的时效性。 二、井下应急广播系统由济南华科生产的 KT190KT190 型井下应急救援广播系统，20122012年安装使用至今。现有井下应急广播系统存在以下几点问题： 该系统操作繁琐； 通话质量差，双向对讲有延迟， 设备笨重，安装极其不方便。 三、井下 3g3g 无线通讯系统，由 20132013 年安装至今，当时属于先进产品，现已落后，WIFIWIFI 小灵通已成为主流。现有井下通讯系统存在以下几点问题： 有线电话较少，并且为位置固定； 泄露通讯，无法与井上电话手机通讯； 系统安装维护工程量大； 井下无线对讲机少，且使用距离有限，无法与井上联系； 小灵通

4、频段给 3G3G 让路，成本高较，同时通话手机数量仅有三部。 四、我矿井下瓦斯监测监控系统存在以下两点问题： 有线瓦斯监测探头，在固定地点安装，安装施工工作量大，并且容易出现对掘进面等地点缺乏监测； 便携式瓦斯检测仪不具备传输报警功能。 五、我矿目前使用工业视频监控系统存在以下问题： 视频压缩率低，视频存储量低； 视频采集传输到调度室采用模拟信号，有延时卡顿显现。 ZigBee 技术的主要优点： 功耗低，发射功率仅 1mW1mW 还可以采用休眠模式，两节 5 5 号电池可工作 1 12 2 年； 时延短，具有很高的时效性，典型搜索设备时延为 30ms30ms 休眠状态激活时 延为 15m15m

5、6 6 活动设备信道接入时延为 15ms15ms； 传输可靠，采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙； 网络容量大，ZigBeeZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点可以最多管理 254254 个子节点， 同时主节点还可以由上一层网络节点管理， 该网络可同时容纳 6500065000个节点； 网络安全，采用 AESAES- -128128 加密算法，各应用可灵活确定其安全属性。 WiFi技术的主要有点： 无线电波覆盖范围广，覆盖半径可达 200200 米； 传输速率高，可达到 11Mbps11Mbps 且可靠性高； 可以无缝对接多种设备。 设计原则: 1 1

6、）以太网结构，追求高性价比 采用标准工业以太网结构， 通过现有井下以太环网实现数据传输。 充分兼顾实用性、先进性、安全可靠性、灵活性、可扩展性、标准化、经济性的原则，充分利用现有资源。 2 2）设计技术 采用“定位与通信一体化”基站，采用 ZigBee+WiFi+ZigBee+WiFi+光纤宽带+ +语音广播+ +瓦斯检测仪于一体的混合模式，这些技术均在 KT251AKT106KT175KT251AKT106KT175 等系统中的大量的应用，经过了现场实践，证明稳定、可靠、使用。 采用融合通信技术，实现信息的统一管理、统一调度和统一共享,满足井下 各作业工种按需要求。 采用单基站能够判断移动动

7、态目标运动方向。 3 3）矿井巷道广范围覆盖 主要轨道运输巷及主运皮带巷无线通信全覆盖，并实现精确/区域定位； 各采掘工作面及顺槽无线通信覆盖率达 90%U90%U 上，并实现精确定位； 副井口、主运皮带巷井口设基站区别入井人员升入井； 地面工业广场、办公区域、工业广场无线通信覆盖率达 9595 犯上； 各岔道处要能够区分出不同方向人员的轨迹； 大巷和工作面顺槽每隔600600 米、 其它巷道每300300 米建立功能齐全的融合一体化基站。 4）与监测监控系统的联动 实现本系统与监测监控系统的联动，满足现行国家标准文件规定，同时兼顾新标准颁布后的平滑过渡以及煤矿岗位作业过程控制智能化系统人员定

8、位和通讯要求。 该系统优势在于四网合一，功能齐全，高效可靠，性价比高，四个子系统主要设备可以共用，四合一基站、矿用光缆、矿用电源等，安装及维护成本低，为企业节约大量成本。 系统主要功能 3.1 高宽带广覆盖的无线传输通道 采用 ZigBeeZigBee 及 WiFiWiFi 与以太网技术相结合， 在井下形成一个无线网络来实现各种语音、视频、数据传输。系统采用多线程并行与异步通讯技术，要求响应速度快，通话质量好。以工业以太（环）网为传输主干，无线基站之间可采用串联或者信号桥接方式。来实现井下无线信号的覆盖，从而减少投资与维护，并具有后期扩展功能。平台具有多功能开放性：无需额外增加无线基站或传输设

9、备，只需根据现场需求增加配备不同无线终端和应用软件，就可以组建语音通信、精确定位、安全监管、隐患排查、应急通信、数据采集传输、视频监控等多种应用系统，实现多种业务的综合应用。 3.2 与其他系统互联互通与灵活扩展 系统采用开放的 WiFiWiFi 协议，任何符合 WiFiWiFi 协议标准的设备均可接入，从而实现全矿井安全生产各环节的无线数据传输；系统可通过网关设备与调度系统或公共电话网络无缝连接，实现与调度电话、外线、语音广播系统的互联互通。 3.3 井下人员定位系统 人员定位系统主要用来跟踪监测井下人员和机车， 通过在人员和机车放置定位卡全程获取其信息，实时掌握井下人车数量、分布情况和工作

10、路线。 采用独特的 zigbeezigbee 技术，调度指挥中心可以随时知道井下矿工的精确位置，良好环境下数据误差在 5 5 米以内。 每个井下人员和机车上携有一张定位卡，该卡不断地自动向地面监控中心发送信息，系统据此可准确判断出其当前位置，发生事故时可迅速锁定人员遇难地点，为救援赢得时间。 矿用本安型读卡器模块无线覆盖距离可达 800800 米（良好巷道环境中），通过若干基站就可以保证巷道信号广泛覆盖。 采用线性调频扩频技术和特殊的防碰撞避免策略保证不漏卡，经实践证明多 张标识卡以高速同时经过一个基站时不发生漏卡现象。 实时监控 该功能是本套系统定位部分的核心功能， 使用本功能可以实时跟踪到

11、特定人员的当前井下位置，当天上班途经的地点和时间，在各位置的滞留时间，并可对其运行轨迹在巷道分布图上进行形象直观的回放。使用该功能可以对特定人员进行迅速定位，核查相关领导是否进行了跟班作业，监督特殊工种；对于井下特定位置财物遗失和损坏可以圈定相关责任人；事故发生时，可以迅速确定相关遇险人员的数量，最近出现位置和时间，为事故抢险提供可靠依据；事故抢险过程中，地面指挥人员可以在第一时间知道抢险人员与被困人员当前所在位置，为事故的 抢险赢得宝贵时间；事故发生后可以根据该系统保留的历史数据，进行事故分析和责任界定提供参考依据； 选择跟踪：本功能对任意指定编号或者姓名的员工进行实时跟踪（可对跟踪人员进行

12、增减）；指定人员一旦在井下移动了位置，可以第一时间进行自动报告。这对于监督特殊工种当前的作业状况非常实用，是调度人员有用的跟踪工具。 实时跟踪：本功能对当前经过读卡器的人员进行实时显示；可以知道当前指定时间内处于活动状态的员工。直观形象的表示出人员的实时流动状况。 个人定位：此功能是在巷道布置图上快速的标识出特定人员的位置。与位置查询功能是一个互补。位置查询是以文本报表方式提交给用户，而个人定位是将结果以图形的方式展现。 轨迹回放功能 可对人员和机车的运动轨迹进行跟踪回放，掌握其详细工作路线和时间，在进行救援或事故分析时可提供有效的线索或证明。 限制区域报警功能 根据需要在煤矿井下限制员工进入

13、特殊区域。 如果有未经许可人员接近该区域可发出声光报警信号，井下人员进入禁区、在井下时间超限、区域超员时地面系统软件发出声光报警。人员、设备等各种报警均可记录报警时间、报警区域、报警信息、报警类型、处理内容等。 对历史报警记录可按照报警时间段、报警区域、报警信息、报警类型及处理内容等进行查询显示。 人员管理与考勤功能 人员信息管理，对出/入矿井的人员注册与注销，包括姓名、图像信息、所属单位、职务、工种等相关信息 整个人员定位系统的主体是人，所以“员工管理”功能是必不可缺少的。为了充分和现阶段各个矿上的系统相适应，该功能可以方便的使用矿上已有的人力资源管理数据，也可以使用本系统进行自建人员信息数

14、据库。在独立与兼容方面做了最大程度上的无缝融合。 员工资料查询：提供非常便捷的员工背景资料信息； 新建员工信息：为一个员工建立对应的背景资料； 修改员工信息：当员工的背景资料发生改变后，进行修改； 删除员工信息：删除对应员工的背景资料； 员工生日查询：对指定时间段、指定员工姓名、指定部门进行员工生日查询处理； 标识卡管理：当标识卡损坏或转移后使用本功能； 员工资料查询：可按照任意指定条件进行员工资料查询。 考勤管理，对井下人数管理，个人信息、下井次数、井下工作时间、区域人员信息进行统计、存储、查询、显示和打印 系统详尽记录了所有井下人员的工作时间，由此可方便地对个人、班组、部 门进行考勤统计，

15、或根据工种、职务等进行统计。 双向通讯功能 识别卡可发送遇险求救信息，中心站进行报警提示，提供地址、时间等营救信息。对历史报警处理可按照时间段、区域、报警信息、类型及处理内容等进行查询显示。 系统不仅能够接收识别卡发送的信息， 还可以对全矿井或部分区域内目标进行群发“撤离”命令、对单个目标下发“撤离升井”或“回电话”命令。中心站 终端显示命令下发确认，地面可自由对命令进行撤销。井下工作人员接收的命令后，按动“确认”键可对地面进行回复确认。 设备管理功能 对井下不同区域设备进行划分、管理，对系统设备的类型与编号、所在区域与位置等信息在系统上进行查询。 对不允许进行控制区域等人员权限进行声光报警管

16、理及查询；各种设备发生故障时均会立即发出声光报警，显示报警区域、报警时间、设备类型、编号。 无线切换功能 通信基站之间的电缆出现故障时， 基站会自动切换至无线通信方式， 保持链路通畅，确保系统可以无间断连续运行，同时向地面发送链路故障信息，以便及时维护 信息联网功能 人员定位监测与管理系统通过局域网能实时同步地看到各种监测信息，可以 进行各种查询操作,支持 TCP/IPTCP/IP 协议。 工作站模式：服务器装服务器软件，并安装防火墙，上传到上级监管部门，相关部门可通过安装工作站软件浏览信息。 WEBJWEBJ 览模式：在有互联网（或局域网）的情况下，通过在局域网内建立 WEBWEB 发布服务

17、器，可以通过浏览网页的方式实现信息共享，任意连入局域网的计算机无须另加任何软件，只需输入用户名和密码即可访问。 系统运行状态提示功能 分站信息查询：硬件设备的通讯质量决定了系统运行的可靠度。在此报表中， 可以非常明确的查询设备相关的空间属性、时间属性和状态，便于设备抢修。在图形功能模块上对通讯状况做了友好的动态提示。 分站异常查询：此功能提供运行记录报告。用户可以方便的查阅设备的运行 状况。并提供了分类异常查询功能，可以很快的区分设备故障，开始时间和终止时间。并且必须进行逐一确认才能解除报警，否则报警状态一直延续。 自诊断功能 系统可实时监测在用标识卡的供电情况， 标识卡的通信情况及数据监测站

18、的供电状态，在系统出现故障时，能够提示报警。 便携式检测仪功能 井下人员持便携式检测仪 FDY100FDY100 可以检测当前区域的人员数量等信息，同时也可对每一张卡的完好性及电量情况等基本信息。 三级联网功能 系统具备矿到矿到集团公司及上级监管部门的联网功能，方便随时查询各矿 井下作业人员情况。 无线通信功能 (1)(1)系统可与其它设备复用井下工业以太环网的信息传输平台，运行稳定、可 靠性好，无须铺设独立的通讯线路； (2)(2)支持 WIFIWIFI 手机之间的呼叫服务； (3)(3)系统支持 WIFIWIFI 协议的无线设备(系统)接入； (4)(4)支持固定电话和 WIFIWIFI

19、手机的呼入呼出服务； (5)(5)系统通讯设备采用了标准 IPIP 协议，具有很强的网管能力； (6)(6)支持内部语音通讯网络与外部 PSTNPSTN 网络的互通呼叫； (7)(7)无线漫游：支持无线 IEEE802.11b/gIEEE802.11b/g 标准及 SIPSIP 通讯协议； (8)(8)音频编码 G.711G.711 及 G.729a/b,G.729a/b,语音质量高、延时低、稳定性好； (9)(9)支持活动语音检测/舒适噪音生成/抖动缓存/回声抑制； (10)(10)具有防水、防尘、防爆、防震等防护性能，为行业用户量身定做； (11)(11)系统采用就地本质安全供电和通讯设备

20、本质安全的方式，方便使无线通讯的覆盖范围延伸进回风区域和工作面； (12)(12)系统可通过网关设备与调度系统无缝连接； (13)(13)系统具有抗过流、过压、防雷击等保护措施，具有防强电磁场干扰、特殊 冲击波的冲击，电路受冲击释放后，能自动恢复； (14)(14)系统井下设备在动力交流电源停电的情况下能依靠后备电池维持 2 2 小时 以上； (15)(15)所有系统设备由系统控制设备统一管理，手机号码统一分配； (16)(16)系统具备传统 PBXPBX 的业务功能，如呼叫转移、呼叫等待、呼叫保持、三方通话、呼叫权限设置等； (17)(17)系统管理方式采用成熟的 WEBWEB 图形操作界面

21、，可通过操作界面实现系统功能，如用户注册、注销用户、拨号方式、话机权限设置等； (18)(18)手机支持群发功能；出现紧急情况时，监控中心可向井下手机发起群组呼叫，或同时呼叫井下所有手机。调度管理中心可以对井下手机强插、强拆通话，群呼可以组织现场电话会议。 (19)(19)可对系统内所有通话记录进行查询、统计，包括通话双方号码、使用者姓名、通话时间、通话时长，并可打印为报表。在进行救援或事故分析时，通话查询可提供有效的线索或证明。 语音应急广播功能 (1)(1)系统通过融合基站和音箱可进行大音量的音频广播。 (2)(2)能与安全监控、设备管理等系统实现联动报警。 与安全监控系统、设备管理等系统

22、服务器联网后，当出现瓦斯超限、风机不能正常工作等情况时，根据预案，自动发出安全告警，指挥相关人员撤离或采取必要的措施。 (3)(3)通话功能 每台多功能融合基站具有独立的电话号码，支持拨号通话功能，可与调度台或其他终端进行拨号实时通话。若与其他语音系统联网后，也可实现相互拨号呼叫。 (4)(4)具有曲目编辑、播放控制功能 能在广播系统服务器上对单个或全部 IPIP 广播终端进行播放曲目(包括音乐、 温馨祝福、上下班铃声等卜播放时间、播放顺序、播放音量等的控制。系统可通过网络将需要立即播放的音频文件下载到 IPIP 广播终端实时播放，并通过扩音喇叭(音箱)进行语音传播。 (5)(5)自动开关、定

23、时播放 广播系统由一台专用多媒体服务器作为控制主机，同时兼做数字节目源，通过系统播放和控制软件可实现手动和自动定时播放。煤矿可将安全教育、标语、轻松音乐等常用曲目，存储在硬盘上，实现全自动非线性播出。无需人工干预，即可自动播放。具有自动开关机功能，实现 2424 小时无人值守。可按照周来制作不同的播放方案，实现循环播放。 (6)(6)呼叫功能 当井上管理人员要通过值班室呼叫通知井下工作人员时，在值班室终端上输 入井下广播终端的的数字编码，广播系统自动接通井下广播终端。 (7)(7)终端区域扩播功能 用户可在广播终端任何状态按下区域扩播”对沿线音箱进行区域语音扩播， 实现生产调度、紧急喊话等功能

24、。 (8)(8)录音功能 实时语音播音和通话可形成录音文件，以便查询。 (9)(9)监听功能 广播终端内置拾音器， 可在调度中心监听广播播放站点周围声音而不影响其它广播终端节目广播。 (10)(10)分区播放功能 可以对广播终端进行分区。各分区可以独立播放不同的内容。 (11)(11)分控功能 能局域网内部实现本矿多个部门分控，根据权限设置，每个分控台都可以控制部分或全部广播，可以直接对井下相应区域广播讲话。 (12)(12)巡检功能(故障自动检测功能) ) 系统定时向广播终端发送命令，一旦通讯中断或终端故障，系统能立即显示。 (13)(13)联网功能 与调度电话，无线通信系统联网，使用任意一

25、部电话(包括无线手机)就可以对井下任意一台、多台或者全部广播终端进行语音广播。 3.6视频监控功能 视频监控系统以图象方式直观实时监控采掘面、皮带运输、主副井提升、选煤厂等关键生产环节工况。 数字化、网络化：不同于传统的模拟视频监控系统，扩展方便；采用 H.264H.264 视频压缩，压缩率是普通压缩方式的 1010 倍;无线化，将视频数据通过无线传输给基站;智能化，禁区闯入、车牌识别、人头识别等。 该系统功能特点： (1)(1)光纤传输井下工业电视图像，距离远，抗干扰能力强； (2)(2)H.264H.264 视音频压缩标准，数据量小，存储时间长； (3)(3)权限管理、网络通信为一体，功能强大，操作方便； (4)(4)在计算机屏幕上可同时显示 1/