[發明專利]一種井下多功能智能監測系統及檢測方法

在審

• 申請號: 201710214235.4
• 申請日: 2017-04-01
• 公開（公告）號: CN106888538A
• 公開（公告）日: 2017-06-23
• 發明（設計）人: 張雷;丁恩杰;樊子良;李家翔;胡延軍
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H05B37/02
• 分類號: H05B37/02;E21F17/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種井下多功能智能監測系統，包括設在井下的多個智能定位照明礦燈、多個WIFI無線基站、隨身礦燈和設置在井上的服務器，所述多個智能定位照明礦燈通過線路相互連接，并最終與井上服務器相連接，其特征在于：所述智能定位照明礦燈包括環境監測模塊、語音通話模塊、WIFI模塊、無線充電模塊、微波傳感器、射頻器、單片機、繼電器、變壓器、蜂鳴器、照明燈、預警燈和電池；單片機的輸入端分別與微波傳感器、環境監測模塊和射頻器相連接，單片機的輸出端分別與無線充電模塊、WIFI模塊、繼電器、預警燈、蜂鳴器相連接，繼電器與照明燈相連接，單片機還與語音通話模塊相連接，多個WIFI無線基站通過光纖連接到井上服務器，WIFI無線基站之間通過無線信號或光纖通訊；所述隨身礦燈包括便攜式照明燈和電源，電源上設有無線標簽。

2.根據權利要求1所述井下多功能智能監測系統，其特征在于：所述環境監測模塊包括氧氣、一氧化碳和甲烷氣體濃度檢測傳感器，通過給單片機設定檢測氣體的濃度閥值，當檢測到的氣體濃度超過或低于預設閥值，單片機被喚醒，通過蜂鳴器和預警燈進行警報。

3.根據權利要求1所述井下多功能智能監測系統，其特征在于：所述WIFI無線基站每隔10m-100m安裝在井下巷道壁上。

4.根據權利要求1所述的井下多功能智能監測系統，其特征在于：所述每兩個感應燈之間間距為定值，該定值為15米。

5.根據權利要求1所述的井下多功能智能監測系統，其特征在于：當隨身礦燈電量不足時，利用無線充電接收線圈在磁感應范圍內，通過磁共振進行持續充能。

6.根據權利要求1所述的井下多功能智能監測系統，其特征在于：所述智能定位照明礦燈利用電纜和電池供電，當電纜斷路時能定位照明礦燈自動使用電池供電。

7.一種使用權利要求1所述系統的井下多功能智能檢測方法，其特征在于步驟如下：

a.利用井上服務器對預備下井的隨身礦燈的無線標簽進行ID編號，同時對井下多功能智能監測系統中的所有智能定位照明礦燈進行ID編號，并在服務器中繪制出各個編號的智能定位照明礦燈在巷道中的位置；

b.井下多功能智能監測系統中的智能定位照明礦燈利用微波傳感器恒定檢測巷道中是否存在進行廣播的隨身礦燈無線標簽，其中微波傳感器掃描范圍為15米；

c.當微波傳感器掃描到當前巷道端中存在隨身礦燈的無線標簽，則向單片機發出喚醒信號，同時單片機控制照明燈打開，對掃描到人體經過的巷道段區域進行照明，同時單片機喚醒環境監測模塊對此段巷道的環境數據進行采集，將采集到的數據與預設在單片機內數據比較，若數據不超過預設警戒值則單片機控制環境監測模塊休眠，若檢測數據超過超過預設警戒值，則單片機控制蜂鳴器和預警燈進行報警，同時單片機通過WIFI無線基站組成的無線網向井上服務器發出信號，服務器獲取信號從而定位出各個ID編號的隨身礦燈處于巷道的位置，并獲得各ID編號的隨身礦燈所處區域的環境數據；如遇井下事故導致供電系統癱瘓，自動啟用備用電池供電，

d.當微波傳感器掃描不到當前區域內存在無線標簽時，則向單片機發送相應信息，單片機開始倒計時，計時結束后關閉照明燈。

8.根據權利要求7所述的井下多功能智能檢測方法，其特征在于：當智能定位照明礦燈檢測到隨身礦燈的無線標簽后，利用射頻器向無線標簽發送當前智能定位照明礦燈的ID編號，若無線標簽在收到ID編號后預設周期時間內沒有收到新的ID編號，即無線標簽在周期時間內只收到一個智能定位照明礦燈的ID編號時，則無線標簽利用射頻器向此智能定位照明礦燈發出激活指令，通過智能定位照明礦燈激活與其連接的后一個智能定位照明礦燈單片機，使后一個智能定位照明礦燈打開照明燈，同時采集周圍的環境數據并向無線表現發送相應數據。

9.根據權利要求7或8所述的井下多功能智能檢測方法，其特征在于所述定位出隨身礦燈處于巷道的位置方法為：當隨身礦燈的無線標簽收到至少兩個智能定位照明礦燈n、智能定位照明礦燈n+1反饋的無線信息時，智能定位照明礦燈n、智能定位照明礦燈n+1對無線標簽進行信息接收，無線標簽在0.1秒內各自發送到智能定位照明礦燈的多組不同RSSI信息，智能定位照明礦燈n和智能定位照明礦燈n+1將各個接收信號強度RSSI值記錄下來，并通過網絡將記錄下來的各個信號強度RSSI值發送給井上服務器，信息包含該無線標簽的ID編號，智能定位照明燈ID編號，隨身礦燈利用射頻器向智能定位照明礦燈進行廣播，井上服務器利用高斯校正模型：p₀＝p+x₀，對接收到的各個RSSI值進行修正，減少RSSI隨機誤差，提高RSSI的可用性，式中，p₀表示測量的RSSI值，單位為dBm；p為穩定值，單位為dBm；x₀為隨機誤差，單位為dBm；設服務器接收到照明燈n發送的RSSI值為X，則X服從正態分布X～N(μ,σ²)，其概率密度函數F(x)為：

$F\left(x\right)=\frac{1}{\mathrm{\σ}\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

$\mathrm{\μ}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i$

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x-\mathrm{\μ})}^2$

其中，x_i為照明燈n發送的第i個RSSI值，單位為dBm；n為照明燈n發送的RSSI值總數；μ為X均值，單位為dBm；σ為X標準差，單位為dBm；

選取RSSI值F(x)為0.6為處于高概率多發區界，忽略當F(x)＜0.6時的情況，當F(x)≥0.6時，將高概率多發區的RSSI去平均，利用對數常態路徑損耗模型：

$PL\left(d\right)\[dB\]=\stackrel{\‾}{PL}\left(d_0\right)+10nlog\left(\frac{d}{d_0}\right)+X_{\mathrm{\σ}}$

求出智能定位照明礦燈n到隨身礦燈無線標簽的距離d_n，再利用高斯校正模型求出智能定位照明礦燈n+1到隨身礦燈無線標簽的距離d_n+1；式中：PL(d)為d處的信號強度，為d₀處的信號強度，n為信道衰減指數，X_σ為隨時間而變化的隨機變量；

由于智能定位照明礦燈n、智能定位照明礦燈n+1的位置預先已知分別為：(x_n,y_n)、(x_n+1,y_n+1)，設無線標簽位置為(x,y)，則利用公式：

(x-x_n)²+(y-y_n)²＝d_n²和(x-x_n+1)²+(y-y_n+1)²＝d_n+1²得到交點坐標，由于可能出現兩個點的情況，去掉落在巷道壁內不存在的點，從而確定人員隨身礦燈的位置。