一種基於wsn的煤礦採空區自然發火火源點定位系統的製作方法
2023-08-03 15:08:26 1
一種基於wsn的煤礦採空區自然發火火源點定位系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統，包括：信息處理伺服器、通信網絡、通信網關、位於工作面兩側順槽的信息匯聚節點以及位於採空區的無線測溫節點；所述無線測溫節點採集溫度信號，通過無線傳輸到所述信息匯聚節點，所述信息匯聚節點將接收到的溫度信號傳輸到通信網關，通信網關再傳輸到通信網絡，最後通信網絡將信號傳輸到信息處理伺服器，適用於煤礦採空區自然發火區發火點的定位。該系統對於制定採空區防滅火措施,實現煤礦安全高效生產和可持續發展具有重大的現實意義。
【專利說明】—種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種煤礦採空區自然發火火源點定位系統，尤其涉及一種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統。
[0002]
【背景技術】[0003]隨著無線通信技術的快速發展，無線定位技術也在飛速的發展。基於無線傳感器網絡的定位服務在人們的工作生活中的作用越來越大，這就加速了無線傳感器網絡定位的發展，無線傳感器網絡可以用於目標定位中。無線傳感器網絡在煤礦監測的應用中的主要目標之一就是指出它所監測的事件發生的地點。因此，在對環境、人員等進行監測時，能夠及時獲知突發事件發生的位置是其重要的。
[0004]煤炭自燃高溫火源(≤100°C)區域的探測一直是煤礦安全生產中的重大難題之一。國內外許多學者和煤炭生產、科研單位對此都十分重視，近若干年來對相關課題開展了大量的研究。但由於這一問題的複雜性，至今仍沒有得到很好的解決。其主要原因有二:一是探測技術手段和途徑不成熟，所採用的各種技術手段主要採用的是間接測量技術，都無法直接確定高溫火源點區域及其內部溫度；二是井下條件複雜，給直接溫度測量如熱電偶法、分布式光纖測溫法的使用帶來嚴重影響，如採空區塌落常將監測電纜、光纖砸斷、造成監測中斷，從而給探測井下火源位置帶來很多困難。
[0005]煤炭自燃產生的有害氣體不僅嚴重危害井下人員的健康，而且容易誘發瓦斯、煤塵爆炸事故，並造成嚴重的資源浪費，因此研製採空區自然發火火源點定位系統是煤礦安全生產的迫切需要。
[0006]
【發明內容】
[0007]鑑於上述狀況，本發明提供了一種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統，實現對煤礦採空區自然區溫度實時監測和自然發火點的定位，為煤礦採空區防滅火提供準確信息。
[0008]本發明的技術方案:
一種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統，包括:信息處理伺服器、通信網絡、通信網關、位於工作面兩側順槽的信息匯聚節點以及位於採空區的無線測溫節點；所述無線測溫節點採集溫度信號，通過無線傳輸到所述信息匯聚節點，所述信息匯聚節點將接收到的溫度信號傳輸到通信網關，通信網關在傳輸到通信網絡，最後通信網絡將信號傳輸到信息處理伺服器。
[0009]在一實施例中，所述信息匯聚節點包括:CC2530單片機、編程接口、無線收發天線電路、485接口電路、乙太網接口電路、時鐘電路、電源電路、聲光報警電路以及液晶顯示電路，其中所述編程接口、無線收發天線電路、485接口電路、乙太網接口電路、時鐘電路、電源電路、聲光報警電路以及液晶顯示電路連接於所述CC2530單片機。
[0010]在一實施例中，所述CC2530單片機的引腳5、6、7、20、35、36、37與編程接口的引腳8、5、6、7、3、4、10分別順序對應連接，CC2530單片機的引腳25、26與無線收發器連接，CC2530單片機的引腳14、15、16、17與485接口轉換晶片MAX485的引腳2、3、4、1分別順序對應連接，485轉換晶片MAX485的引腳6、7與485接口的引腳1、2分別順序對應連接，CC2530單片機的引腳22、23、32、33與時鐘電路連接，CC2530單片機的引腳10、21、24、39與電源電路，CC2530單片機的引腳18與聲光報警電路連接，CC2530單片機的引腳8、5、38、20、19、12與液晶顯示電路的引腳23、13、15、25、27和驅動電路分別順序對應連接。
[0011]在一實施例中，所述無線測溫節點包括CC2530單片機、編程接口、無線收發器、模擬開關、測溫傳感器DS18B20、時鐘電路、半導體製冷器、耐高溫電池以及溫度控制器，其中所述編程接口、無線收發器、模擬開關、測溫傳感器DS18B20、時鐘電路、半導體製冷器、耐高溫電池以及溫度控制器連接於所述CC2530單片機。
[0012]在一實施例中，所述CC2530單片機的引腳5、6、7、20、35、36、37與編程接口的引腳8、5、6、7、3、4、10分別順序對應連接，CC2530單片機的引腳25、26與無線收發器連接，CC2530單片機的引腳11與模擬開關的TS5A23166晶片引腳6連接，CC2530單片機的引腳6與測溫傳感器DS18B20的引腳2分別順序對應連接，模擬開關的TS5A23166晶片引腳2測溫傳感器DS18B20的引腳3連接，CC2530單片機的引腳32、33、22、23與時鐘電路連接，溫度控制器的LM26CM5-TPA晶片引腳1、5與半導體製冷器TEC1-12706的引腳1、2分別對應順序連接，溫度控制器的LM26CM5-TPA(U59)晶片引腳I接電源正極、半導體製冷器TEC1-12706(U57)的引腳I接電源正極、U59的引腳5與U57的引腳2連接。耐高溫電池(U58)的正極與U5的電源輸入端正極相連，負極與U5地相連。
[0013]本發明的有益效果:
本發明的技術方案直接監測採空區溫度場，抗毀能力強、不會因若干節點失效影響中斷監測，可以準確定位火源點位置。與以往的間接溫度測量方法比它具有直接測量、反應速度快、定位準的特點；與分布式光纖為代表的其他直接測量法相比具有布署方便，抗毀能力強的特點。該系統對於制定採空區防滅火措施，實現煤礦安全高效生產和可持續發展具有重大的現實意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統在煤礦採空區的部署方式示意圖。
[0015]圖2為基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統的系統結構示意圖。
[0016]圖3為信息匯聚節點U4電路組成模塊示意圖。
[0017]圖4為測溫節點U5電路組成模塊示意圖。
[0018]圖5為一實施例中U41和U51的具體電路示意圖。
[0019]圖6為一實施例中U42和U52的具體電路示意圖。
[0020]圖7為一實施例中U43和U53的具體電路示意圖。
[0021]圖8為一實施例中U54的具體電路示意圖。
[0022]圖9為一實施例中U55的具體電路示意圖。[0023]圖10為一實施例中U46和U56的具體電路示意圖。
[0024]圖11為一實施例中U57和U59的具體電路示意圖。
[0025]圖12為一實施例中U44的具體電路示意圖。
[0026]圖13為一實施例中U48的具體電路示意圖。
[0027]圖14為一實施例中U49的具體電路示意圖。
【具體實施方式】
[0028]為了便於理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳的實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，並不限於本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。
[0029]需要說明的是，當元件被稱為「固定於」另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是「連接」另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術語「垂直的」、「水平的」、「左」、「右」以及類似的表述只是為了說明的目的。
[0030]如圖1所示，在採空區每間隔一定距離10-20Μ(距離大小可根據情況做相應調整)，部署測溫節點U5 —個，其中在採空區中測溫節點至少為I個；在兩側順槽個部署一個信息匯聚節點U4，負責無線傳感器網絡的組網和溫度信息的採集。設置兩個匯聚節點的目的，一是提高信息採集速度；二是減少通信轉發跳數，節約無線節點能源；三是利用雙匯聚節點，提高系統運行可靠性。考慮到工作面工作環境的複雜性，在順槽布置的電纜作為傳輸介質，方便維護，在採區變電所或採面外的永久巷道中設置通信網關，溝通礦上通信骨幹網和監測網。`
[0031]圖2是系統總體結構圖，從圖中可以看出系統是由位於地面的伺服器U1、通信網絡U2、通信網關U3及位於工作面兩側順槽的信息匯聚節點U4、位於採空區之中的無線測溫節點U5組成。且系統可以同時監測多個採空區溫度情況。實現多個採空區發火點同時定位。
[0032]圖3是信息匯聚節點的電路結構圖，該節點功能，一是作為網絡協調器實現測溫節點的組網，二是測量信息的就地顯示與報警，三是測量信息的通信；它由CC2530單片機U41，編程接口 U42，無線收發器U43，485接口電路U44，時鐘電路U46，電源電路U47，聲光報警電路U48，液晶顯示電路U49組成。如圖5所示，信息匯聚節點U4包括單片機CC2530，CC2530的引腳10、21、24、31、39、31並聯，連接3.3V電源和電感LI串聯並且同時連接電容Cl、C2、C3、C4、C7並聯接地，引腳27、28、29串聯，接連接3.3V電源和電感LI並聯並且同時連接電容C5、C6並聯接地，單片機CC2530的引腳40連接電容C16，C16接地，引腳30連接電阻R1，電阻Rl接地，引腳25、26連接有一個天線適配電路；如圖6所示，CC2530單片機U41引腳5、6、7、20、35、36、37與編程接口 U42的引腳8、5、6、7、3、4、10分別順序對應連接；引腳32、33連接一個晶振電路，引腳22、23連接一個晶振電路；如圖7所示，El為無線收發天線，引腳40連接電容C16，C16接地，引腳30連接電阻Rl，電阻Rl接地；如圖12所示，CC2530單片機U41485轉換晶片MAX485的引腳1、4、3、2分別順序對應連接，485轉換晶片MAX485的引腳7、8分別連接Jl的引腳1、2 ;如圖13所示，CC2530單片機U41引腳18連接聲光報警模塊；如圖14所示，CC2530單片機U41引腳5、8、12、19、20、38連接IXD顯示模塊；
圖4為系統無線溫度測量節點電路結構圖，整個電路分為兩個主要部分:第一為測量部分，完成的主要功能為節點外部位置溫度的檢測和測量信息的無線傳輸，該部分由CC2530單片機U51，編程接口 U52，無線收發器U53，模擬開關U54，DS18B20測溫傳感器U55，時鐘電路U56組成；其工作原理為當節點內部工作環境溫度控制部分。該部分由半導體製冷器U57，溫度控制器U58組成，當節點內部工作溫度超過設定溫度時半導體製冷器開始工作保證節點內部溫度不超過其正常工作範圍測溫節點U5包括單片機CC2530，如圖5所示，單片機CC2530的引腳10、21、24、31、39、41串聯，連接3.3V電源和電感LI串聯並且同時連接電容Cl、C2、C3、C4、C7並聯接地，引腳27、28、29串聯，接連接3.3V電源和電感LI串聯並且同時連接電容C5、C6並聯接地，單片機CC2530的引腳40連接電容C16，C16接地，引腳30連接電阻R1，電阻Rl接地;如圖6所示，單片機CC2530的引腳5、6、7、20、35、36、37與編程接口的引腳8、5、6、7、3、4、10分別順序對應連接；如圖7所示，單片機CC2530的引腳25、26連接有一個天線適配電路，El為無線收發天線；如圖8所示，單片機CC2530的引腳11、6與模擬開關TS5A23166晶片引腳6和串聯電阻R36後的引腳5分別順序對應連接，模擬開關TS5A23166晶片引腳1、5並聯連接3.3V電源，引腳4接地;如圖9所示，單片機CC2530的引腳6接測溫傳感器DS18B20的引腳2，U55溫傳感器DS18B20的引腳I接地。U55測溫傳感器DS18B20的引腳3與U54模擬開關TS5A2316的引腳2連接；如圖10所示，單片機CC2530的引腳32、33連接一個晶振電路，引腳22、23連接一個晶振電路，晶振U43和U53與單片機的引腳22、23和32、33分別順序對應連接後，分別順序對應連接電容C17、C18和C19、C20，電容C17、C18和C19、C20接地；如圖11所示，溫度控制器U59的LM26CM5-TPA晶片引腳I接電源正極、U57半導體製冷器TEC1-12706的引腳I接電源正極、U59的引腳5與U57的引腳2連接；如圖12所示，單片機CC2530的引腳14、15、16、17與轉換晶片MAX485的引腳
2、3、4、1分別順序對應連接；第二為電源部分，由耐高溫電池U58組成，U58選用耐溫超過120度的電池，如日本松下BR2477A等，耐高溫電池正極與U5的VCC_RF節點相連。耐高溫電池的負極與CC2530晶片的引腳41相連。
[0033]除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的【技術領域】的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。本文所使用的術語「及/或」包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
[0034]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對本發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統，其特徵在於，包括:信息處理伺服器(Ul)、通信網絡(U2)、通信網關(U3)、位於工作面兩側順槽的信息匯聚節點(U4)以及位於採空區的無線測溫節點(U5);所述無線測溫節點(U5)採集溫度信號，通過無線傳輸到所述信息匯聚節點(U4)，所述信息匯聚節點(U4)將接收到的溫度信號傳輸到通信網關(U3)，通信網關(U3)再傳輸到通信網絡(U2)，最後通信網絡(U2)將信號傳輸到信息處理伺服器(Ul)。
2.根據權利要求1所述的一種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統，其特徵在於，所述信息匯聚節點(U4)包括:CC2530單片機(U41)、編程接口(U42)、無線收發天線電路(U43)、485接口電路(U44)、乙太網接口電路(U45)、時鐘電路(U46)、電源電路(U47)、聲光報警電路(U48)以及液晶顯示電路(U49)，其中所述編程接口(U42)、無線收發天線電路(U43)、485接口電路(U44)、乙太網接口電路(U45)、時鐘電路(U46)、電源電路(U47)、聲光報警電路(U48)以及液晶顯示電路(U49)連接於所述CC2530單片機(U41)。
3.根據權利要求2所述的一種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統，其特徵在於，所述CC2530單片機(U41)的引腳5、6、7、20、35、36、37與編程接口(U42)的引腳8、5、6、7、3、4、10分別順序對應連接，CC2530單片機(U41)的引腳25、26與無線收發器(U43)連接，CC2530單片機(U41)的引腳14、15、16、17與485接口(況4)轉換晶片獻乂485的引腳2、3、4、1分別順序對應連接，485轉換晶片MAX485的引腳6、7與485接口(U44)的引腳1、2分別順序對應連接，CC2530單片機(U41)的引腳22、23、32、33與時鐘電路(U46)連接，CC2530單片機(U41)的引腳10、21、24、39與電源電路(U47)，CC2530單片機(U41)的引腳18與聲光報警電路(U48)連接，CC2530單片機(U41)的引腳8、5、38、20、19、12與液晶顯示電路(U49)的引腳23、13、15、25、27和驅動電路分別順序對應連接。
4.根據權利要求1所述的一種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統，其特徵在於，所述無線測溫節點(U5)包括CC2530單片機(U51)、編程接口(U52)、無線收發器(U53)、模擬開關(U54)、測溫傳感器DS18B20(U55)、時鐘電路(U56)、半導體製冷器(U57)、耐高溫電池(U58)以及溫度控制器(U59)，其中所述編程接口(U52)、無線收發器(U53)、模擬開關(U54)、測溫傳感器DS18B20(U55)、時鐘電路(U56)、半導體製冷器(U57)、耐高溫電池(U58)以及溫度控制器(U59)連接於所述CC2530單片機(U51)。
5.根據權利要求4所述的一種基於WSN的煤礦採空區自然發火火源點定位系統，其特徵在於，所述CC2530單片機(U51)的引腳5、6、7、20、35、36、37與編程接口(U52)的引腳8、5、6、7、3、4、10分別順序對應連接；CC2530單片機(U51)的引腳25,26與無線收發器(U53)連接；CC2530單片機(U51)的引腳11與模擬開關(U54)的TS5A23166晶片引腳6連接；CC2530單片機(U51)的引腳6與測溫傳感器DS18B20 (U55)的引腳2連接，模擬開關(U54)的TS5A23166晶片引腳2與測溫傳感器DS18B20 (U55)的引腳3連接；CC2530單片機(U51)的引腳32、33、22、23與時鐘電路(U56)連接;溫度控制器(U59)的LM26CIM5-TPA晶片引腳1、5與半導體製冷器TEC1-12706 (U57)的引腳1、2分別對應順序連接，溫度控制器的LM26CIM5-TPA(U59)晶片引腳I接電源正極、半導體製冷器TEC1-12706 (U57)的引腳I接電源正極、LM26CM5-TPA (U59)的引腳5與TEC1-12706 (U57)的引腳2連接；耐高溫電池(U58)的正極與(U5)的電源輸入端正極相連，負極與(U5)地相連。
【文檔編號】H04W4/02GK103458364SQ201310403163
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】華鋼, 蔣超, 王永星, 顧博聞, 王書芹 申請人:中國礦業大學