完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统及方法技术方案

本发明专利技术属于近场通信技术领域，特别涉及一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统及方法，包含：用于采集所处空间环境数据的若干从通信节点，所述若干从通信节点间隔布置在采空区金属缆绳上且通过金属缆绳近场耦合与其他节点通信，由各从通信节点与对应金属缆绳形成无线组网网络；及用于汇聚各从通信节点环境数据并通过与上位机连接以实现采空区环境监测的主通信节点，所述主通信节点设置在采煤工作面，且金属缆绳一端与主通信节点连接，另一端纵向贯穿采空区并延伸至完全掩埋空间。本发明专利技术通过通信节点的对称电偶极子天线将电场信号耦合到金属缆绳或从金属缆绳上感应其他节点馈出的电场信号来进行无线组网通信，在完全掩埋条件下，能够确保金属缆绳附近通信节点通信质量。点通信质量。点通信质量。

【技术实现步骤摘要】
完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统及方法


[0001]本专利技术属于近场通信
，特别涉及一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统及方法。

技术介绍

[0002]依据煤矿安全规程中矿井火灾预报及监测的相关规定，自然发火危险的矿井应定期检查CO和其他有害气体情况；建立煤矿自然发火监测系统，确定煤层自然发火标志气体及临界值；火区封闭、管理及启封等过程中，应分析火区内温度和气体成分等。
[0003]现有采空区火灾监测技术主要有束管法和光纤测温法，前者通过间接监测气体浓度进行预警且无法定位火灾位置，后者存在光纤被挤压后虚警率过高无法可靠应用。基于温度法的煤矿采空区高温点预防技术是采空区火灾治理最有前景的手段，将采空区温度采集节点通过无线通信方式组网将是最有前景的一种方法，但由于采空区环境特殊，通信节点会被遗落煤块、煤矸石、砂岩甚至地下水等导电介质掩埋(厚度5～10米，与上层砂岩之间有很小的空隙)，给无线通信系统设计带来极大挑战。现有无线组网方法主要包括蓝牙、ZigBee、Wi
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Fi、Lora等，其中蓝牙和WiFi工作在2.4G频段，Zigbee工作在2.4G、868MHz、915MHz等多个频段，Lora工作在433MHz、868MHz、915MHz等，可以看出上述无线组网手段的通信频率均在400MHz以上。在完全掩埋环境中，电磁波在煤、砂石、海水等半导体介质中传播面临被严重吸收的问题无法远距离传播，中北大学团队在采空区掩埋条件下，使用170MHz频率测试通信最远距离不足5米，当频率高于400MHz，将难以实现更远距离通信。因此，上述现有无线组网通信手段难以用于完全掩埋空间中无线组网通信需求。美国马歇尔无线电遥测股份有限公司提出的用于透地通信的系统和方法，用于在发送天线与接收天线之间透过大地无线发送信号，通过通信天线产生显著远场辐射以及除了磁耦合之外，基本上通过发射和吸收电磁辐射来交互作用的类型，通常选择比常规用于透地(TTE)通信的频率高得多的频率。该方法可以工作在0.1MHz～3MHz频率，但由于天线尺寸大且需要在天线周边预设留净空间，不适用于完全掩埋环境。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术提供一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统及方法，在保证较高穿透性的同时，还可支持较大的通信带宽，以满足多节点组网的需要。
[0005]按照本专利技术所提供的设计方案，提供一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，包含如下内容：
[0006]用于采集所处空间环境数据的若干从通信节点，所述若干从通信节点间隔布置在采空区金属缆绳上且与对应金属缆绳段近场耦合通信，由各从通信节点与对应金属缆绳段形成无线组网网络；
[0007]及用于汇聚各从通信节点环境数据并通过与上位机连接以实现采空区环境监测的主通信节点，所述主通信节点设置在采空区工作面上，且金属缆绳一端与主通信节点连
接，另一端纵向贯穿采空区并延伸至完全掩埋空间。
[0008]作为本专利技术中完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步地，所述通信节点包含：密封舱体，及设置于密封舱体内用于收集环境气体和温度数据的传感器模块、与传感器模块连接的主控电路模块、用于与其他节点无线通信组网的通信模块、用于为节点提供电压的电池模块和用于将电池模块电压进行转换输出的电源管理模块。
[0009]作为本专利技术中完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步，所述舱体包含：不锈钢材料制成的圆柱形壳体，设置在圆柱形壳体一端面上的透气防水阀，及设置在圆柱形壳体另一端面上用于连接外部通信天线的密封插接件：且在圆柱形壳体上还设置有用于防止透气防水阀堵塞的防掩埋滤网。
[0010]作为本专利技术中完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步，所述电源管理模块设置有用于提供通信模块和传感器模块两者的休眠和唤醒信号的时钟模块，利用该时钟模块提供的休眠或唤醒信号来关闭或开启通信模块和传感器模块的电源。
[0011]作为本专利技术完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步地，所述通信模块包含：通信天线、阻抗匹配电路、功放驱动电路、滤波电路、模/数转换电路、调制解码电路、控制电路、数/模转换电路及信号放大电路，通信天线安装在密封舱体上且通过阻抗匹配电路与功率驱动电路和信号放大电路连接，利用该通信天线通过近距离耦合方式将通信节点射频信号发送至金属缆绳，由金属缆绳接收感应信号，以实现与其他通信节点的无线通信组网。
[0012]作为本专利技术完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步地，所述通信天线采用对称电偶极子天线。
[0013]作为本专利技术完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步地，通信节点还包裹有绝缘外皮，且通信节点放置在金属缆绳周边或固定在金属缆绳上。
[0014]进一步地，基于上述的系统，本专利技术还提供一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信方法，包含：
[0015]根据应用场景通信载波频率设置通信节点天线长度并调整通信节点匹配参数；将采空区纵向铺设的金属缆绳作为无线通信信道，预置在采空区且与金属缆绳近场耦合的各个通信节点与其他节点之间通过缆载式通信来构建无线通信组网网络；
[0016]设置与金属缆绳工作面端连接的通信节点作为主通信节点，金属缆绳上其他通信节点作为从通信节点，利用无线通信组网网络将从通信节点采集到的采空区环境数据汇聚至工作面主通信节点，工作面主通信节点连接的上位机来对接收到的环境数据进行分析处理，以实现对完全掩埋空间环境的监测。
[0017]作为本案无线组网通信方法，进一步地，各通信节点放置在金属缆绳周边或与金属缆绳电气绝缘固定，且相邻通信节点之间依据应用场景间隔预定距离进行布设。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]本专利技术将金属缆绳作为信道，通过通信节点的对称电偶极子天线将一定频率的电场信号耦合到金属缆绳或从缆绳上感应其他节点馈出的电场信号，进行无线组网通信，在完全掩埋条件下，确保固定在缆绳附近的多个通信节点可以进行稳定可靠的无线通信，可用于地下完全掩埋空间或水下等极端环境的无线组网通信；进一步地，通信节点利用透气防水耐砸的舱体结构来保护电路、电池不被采空区遗落砂石破坏或水淹，引入透气防水阀，
通过加装金属滤网，以保证在完全掩埋情况下气体进入舱体并隔绝水；电源管理模块利用“休眠
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唤醒”工作模式，即在休眠时关断通信模块和传感器模块的电源，并在唤醒时开启通信模块和传感器模块的电源，降低系统功耗，提升系统续航时间；并进一步利用小尺寸、低成本对称电偶极子天线，该天线和周边介质绝缘，天线通过匹配电路和后端驱动或放大电路连接，以保证较高的转换效率；采用主多从的组网模式，可在物理层使用OFDM技术，并可使用BPSK调制，使得具备较强的抗噪、抗突发干扰的性能，能够用于井下强干扰环境通信；在MAC层，可基于TDMA机制实现，能够提供冲突避免机制，可支持多个节点的并发通信；在网络层，可基于动态路由、多路径寻址等方式，实现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，其特征在于，包含：用于采集所处空间环境数据的若干从通信节点，所述若干从通信节点间隔布置在采空区金属缆绳上且与对应金属缆绳段近场耦合通信，由各从通信节点与对应金属缆绳段形成无线组网网络；及用于汇聚各从通信节点环境数据并通过与上位机连接以实现采空区环境监测的主通信节点，所述主通信节点设置在采空区工作面上，且金属缆绳一端与主通信节点连接，另一端纵向贯穿采空区并延伸至完全掩埋空间。2.根据权利要求1所述的完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，其特征在于，所述通信节点包含：密封舱体，及设置于密封舱体内用于收集环境气体和温度数据的传感器模块、与传感器模块连接的主控电路模块、用于与其他节点无线通信组网的通信模块、用于为节点提供电压的电池模块和用于将电池模块电压进行转换输出的电源管理模块。3.根据权利要求2所述的完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，其特征在于，所述舱体包含：不锈钢材料制成的圆柱形壳体，设置在圆柱形壳体一端面上的透气防水阀，及设置在圆柱形壳体另一端面上用于连接外部通信天线的密封插接件：且在圆柱形壳体上还设置有用于防止透气防水阀堵塞的防掩埋滤网。4.根据权利要求2所述的完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，其特征在于，所述电源管理模块设置有用于提供通信模块和传感器模块两者的休眠和唤醒信号的时钟模块，利用该时钟模块提供的休眠或唤醒信号来关闭或开启通信模块和传感器模块的电源。5.根据权利要求2所述的完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，其特征在于，所述通信模块包含：通信天线、阻抗匹配电路、功放驱动电路、滤波电路、模/数转换电路、调制解码电路、控制电路、数/模转换电路及信...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴丽娟，林琳，董世伟，
申请(专利权)人：北京百泰拓科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：