CN102900469A - 一种用于煤矿井下的安全监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于煤矿井下的安全监控方法，包括如下步骤：a、在被监测点设置无线传感器基站、无线传感器节点，相对所述基站移动节点，在节点相对基站的不同位置坐标点上，检测并记录基站接收到当前节点的信号强度，构建信号强度和位置坐标映射表，并存储于基站；b、在节点工作时，基站获取的节点信号强度，根据信号强度和位置坐标映射表定位节点的当前位置坐标；c、当判断节点当前位置坐标超过设定阈值时，所述基站向地面监控系统发送告警信息。本发明以低成本的实现对煤矿井下的无线传感器节点的位置监测，防止了将传感器节点放置在安全的环境中的规避安全监控的违规操作，能有效的杜绝煤矿井的安全隐患，防范煤矿井安全事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器技术，特别涉及一种用于煤矿井下的安全监控方法。
背景技术
煤矿井下安全监控系统已成为煤矿井下安全管理、生产与设备管理的重要手段。煤矿井下安全监控系统主要由传感器、传感器基站、面监控中心及传输信道组成。煤矿井下常用的传感器种类主要有：环境参数传感器、生产参数传感器、设备工况及故障保护传感器和电量传感器。传感器相当于安全监控系统的神经末梢，负责测量煤矿井下各种参数；其他部分负责将传感器测量得到的参数进行正确的传输和利用。因此，传感器能够获得正确的测量信号是煤矿井下安全监控系统正常发挥作用的基础。
传感器测量得到的信号通过煤矿井下的传感器基站经信道传输到地面监控中心，一个煤矿井下的传感器基站可以连接一个或多个传感器，传感器基站充当传感器与地面监控中心之间通信的基站，传感器基站与地面监控中心之间采用有线连接方式。通常，煤矿井下的传感器基站因为体积较大、需要特殊供电为固定安装，不易移动，而传感器体积较小、供电灵活，因此安装方便，很容易移动。因而有人就利用传感器可移动的特点，将传感器节点放置在安全的环境中，从而使得在日常监控时，将非真实的煤矿井下信息传输给地面监控中心，以规避安全监控，进行违规操作。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种用于煤矿井下的能对无线传感器节点进行定位监控的安全监控方法。
本发明的安全监控方法包括下列步骤：
a、在被监测点设置无线传感器基站、无线传感器节点，相对所述基站移动节点，在节点相对基站的不同位置坐标点上，检测并记录基站接收到当前节点的信号强度，构建信号强度和位置坐标映射表，并存储于基站；
b、在节点工作时，基站获取的节点信号强度，根据信号强度和位置坐标映射表定位节点的当前位置坐标；
c、当判断节点当前位置坐标超过设定阈值时，所述基站向地面监控系统发送告警信息。
本发明在常见的无线传感收发装置的基础上，将无线信号传输损耗转化为距离的经验模型应用到煤矿井下的安全监管系统中，基站通过其接收到无线传感器节点的信号强度实现对煤矿井下中的节点的定位功能，当节点被移动使其相对于基站的位置坐标超过设定阈值时，则基站向地面监控系统发送告警信息，防止了将传感器节点放置在安全的环境中的规避安全监控的违规操作，能有效的杜绝了煤矿井下的安全隐患，防范煤矿井下安全事故的发生，且本发明的安全监控方法的实现无需额外硬件设施，兼容性好、成本低廉。
本发明的用于煤矿井下的安全监控方法，所述步骤b中，基站根据获取的信号强度的最小均方差，与信号强度和位置坐标映射表中匹配的位置坐标为节点的当前位置坐标。
本发明的用于煤矿井下的安全监控方法，所述步骤a中，构建信号强度和位置坐标映射表为：
根据信号强度值S与节点与基站的相对距离d间的数学模型：S=-(10n·lg(d)+A)+45，计算节点的当前位置坐标点，其中，所述A为基站与节点相距1米时S的绝对值，n为无线信号传播指数。通过上述步骤，可进一步精细化本发明的信号强度和位置坐标映射表，在节点与基站的相对路径上，可取多个测量记录节点的信号强度的测量点，可取各测量点的间隔距离等同，通过上述的数学模式快速计算出节点与基站的相对距离d，从而使得映射表更精细化，从而使得基站对工作时的节点的定位更准确。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：低成本的实现了对煤矿井下的无线传感器节点的位置监测，防止了将传感器节点放置在安全的环境中的规避安全监控的违规操作，能有效的杜绝煤矿井下的安全隐患，防范煤矿井下安全事故的发生。
附图说明
本发明将通过实施例并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明中无线传感器节点的结构示意图。
图2是本发明中无线传感器基站的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。
实施例
参见图1，本发明中的无线传感器节点由MC9S12NE64单片机（包括处理器和存储器单元）、Zigbee模块CC2420E-M（包括网络和收发器单元）、瓦斯气体传感器模块（包括传感器和数模转换单元）、电力供应模块和声光报警模块构成。
参见图2，本发明的无线传感器基站的无线收发模块为Zigbee模块CC2420E-M，基站和无线传感器节点之间的无线通信由该模块完成；控制器为集成控制器局域网络（Cont ro ll er Area Network,CAN）的C85I F020单片机，包括处理器和存储器，通过处理器实现本发明的坐标监测模块功能，在存储器中写入本发明的无线传感器节点的信号强度和位置坐标映射表；有线通信模块为CAN总线收发器；告警模块为声光报警器；还包括传感器模块，即基站也能感知即检测周围的环境参数。无线传感器基站是CAN总线系统上的一个节点，通过有线连接方式与地面监控中心通信。
当基站的Zigbee模块CC2420E-M在正确接收节点当前位置的信号强度值S后，选取式(1)的测距信号衰减模型，将信号强度值S转化为距离，进而构建节点信号强度和位置坐标映射表：
S=-(10n·l g(d)+A)+45式(1)
其中A为基站与节点相距1米时RSS I的绝对值，本实验中测得A ≈40，n为无线信号传播指数，一般取2～4，在本发明中经过多次试验取3.0效果较优。
在本发明中，无线传感器基站和节点均使用短杆状天线，基站放置高度为2m左右。固定基站，相对基站逐渐移动节点，经过大量的实验分析得出，基站接收到节点的信号强度值S在30m的范围内随着节点与基站的相对距离d的增加变化比较明显，故本发明的测试范围限定在0～30m。在0～30m的范围内，每间隔0.2m或者0.3m记录基站能收到节点当前位置的信号强度值S，每个位置均接收100个左右的数据包，对信号强度值S先进行均值处理，然后基于式(1)构建节点信号强度和位置坐标映射表，并将该映射表写入C85IF020单片机的存储器中。
在节点工作时，基站取获取的信号强度的最小均方差，与信号强度和位置坐标映射表中匹配的位置坐标为节点的当前位置坐标，基站取信号强度的最小均方差处理具体为：在一段时间内（如104us）进行基带IQ功率积分得到信号强度值S的瞬时值Si，即Si=sum（I^2+Q^2）；然后在约1秒内对n个(本实施例中取n为8192)Si进行平均得到信号强度的平均值S均，即S均=sumSi/n，同时给出1秒内Si的最大值和Si大于某一门限K（K为n个Si的算术平均值）时的比率，即Si大于K的个数/n）。
根据获取的节点信号强度，由信号强度和位置坐标映射表定位节点的当前位置坐标，
当判断节点当前位置坐标超过设定阈值（根据实际的应用环境，本实施例中设定阈值为：节点相距基站直线距离5m）时，基站向地面监控系统发送告警信息，实现对规避安全监控的违规操作的有效监督。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (5)
1.一种用于煤矿井下的安全监控方法，其特征在于，包括下列步骤：
a、在被监测点设置无线传感器基站、无线传感器节点，相对所述基站移动节点，在节点相对基站的不同位置坐标点上，检测并记录基站接收到当前节点的信号强度，构建信号强度和位置坐标映射表，并存储于基站；
b、在节点工作时，基站获取的节点信号强度，根据信号强度和位置坐标映射表定位节点的当前位置坐标；
c、当判断节点当前位置坐标超过设定阈值时，所述基站向地面监控系统发送告警信息。
2.如权利要求1所述的用于煤矿井下的安全监控方法，其特征在于，所述步骤b中，基站根据获取的信号强度的最小均方差，与所述信号强度和位置坐标映射表中匹配的位置坐标为节点的当前位置坐标。
3.如权利要求1或2所述的用于煤矿井下的安全监控方法，其特征在于，所述步骤a中，构建信号强度和位置坐标映射表为：
根据信号强度值S与节点与基站的相对距离d间的数学模型：S=-(10n·lg(d)+A)+45，计算节点的当前位置坐标点；
其中，所述A为基站与节点相距1米时S的绝对值，n为无线信号传播指数。
4.如权利要求3所述用于煤矿井下的安全监控方法，其特征在于，所述A为40，n的取值范围为2～4。
5.如权利要求4所述用于煤矿井下的安全监控方法，其特征在于，所述n为3.0。
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