基於wsn的礦壓實時監控系統的製作方法

2023-10-28 19:13:17 2

專利名稱：基於wsn的礦壓實時監控系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於煤礦安全監控技術領域，尤其是涉及一種基於WSN的礦壓實時監 控系統。
背景技術：
在煤礦生產過程中，礦壓事故(如頂板冒落、衝擊地壓、煤層壓出等)不斷出現，同 時頂板壓力的變化又與瓦斯、煤突出等因素相關聯，是影響我國煤礦生產安全的重要因素 之一。尤其在南方煤礦的複雜地質條件下，礦壓監測手段、控制技術落後，嚴重影響整個礦 井的生產計劃的完成，使得經濟效益受到限制，因此，進行複雜地質條件下礦壓實時監控系 統的研究，以較低的成本實現礦壓監控的自動化、信息化，對改變我國煤礦安全生產的落後 面貌，提高勞動生產率，具有十分重要的意義。另外，據有關資料統計，我國煤礦發生的各類 事故所造成的死亡總人數中，因頂板冒落而死亡者約佔40%以上，超過瓦斯事故死亡人數 而居首位。同時頂底板壓力的變化又與瓦斯、煤突出等因素相關聯，是影響我國煤礦生產安 全的重要因素。因此，加強礦壓實時監控的研究，意義十分重大。基於煤礦安全生產的要求，礦井安全監控技術研究一直是煤礦技術的研究熱點和 重點。但是，在國內目前投入應用的礦壓監控系統中，都是採用有線方式的壓力傳感器，而 在工作面中使用該傳感器，由於支護移動周期較短，而現場環境條件較差，生產設備較多， 移動有線方式的壓力傳感器會嚴重影響正常的開採工作，同時，在複雜地質條件下，有很多 煤礦的工作面受到多種因素的限制，無法安裝使用有線礦壓監控系統，壓力傳感器不能應 用，只能進行人工監測，測量的手段和效率較低。因此，從實際應用的角度出發，研究複雜地 質條件下礦壓的顯現規律，開發無線礦壓實時智能監控系統已是亟待解決的技術難題。為了解決無線通訊問題，國內有學者提出採用藍牙技術解決這個問題，但是，由於 在井下環境條件下，藍牙通訊技術的有效距離僅有IOm左右，在一定程度上限制了其使用 的方便性，有待於通過進一步研究解決。而國外的相關產品未見報導。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種基於 WSN的礦壓實時監控系統，其設計合理、布設方便、可擴展性強且通信距離長、實用價值高， 能對井下礦壓進行實時有效監控，解決了現有礦壓監控系統存在的接線困難、安裝布設繁 雜、監控實時性較差等缺陷。為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是一種基於WSN的礦壓實時 監控系統，其特徵在於包括分別布設在被監控煤礦中多個採掘區內的多個無線傳感器子 網絡、布設在煤礦主巷道中的井下監控分站和內部設置有對被監控煤礦礦壓進行分析與預 測的專家系統的井上監控主機，所述井上監控主機布設在地面上且其與井下監控分站間進 行雙向通信；所述無線傳感器子網絡包括分別對所監控採掘區內的礦壓進行實時監測的多 個無線傳感器節點；所述井下監控分站包括控制器模塊和多個分別對每個無線傳感器子網絡中的多個無線傳感器節點進行綜合管理且將多個無線傳感器節點所監測數據上傳至控 制器模塊的中心協調器，所述中心協調器與無線傳感器節點和控制器模塊間分別通過無線 和串口通信方式進行雙向通信。所述井下監控分站與井上監控主機間通過乙太網或RS485網絡進行雙向通信。所述井下監控分站還包括分別與控制器模塊相接的電源管理模塊、數據存儲模塊 和傳輸通信模塊，所述傳輸通信模塊包括異步串行接口一、異步串行接口二和異步串行接 口三；所述井下監控分站的數量為多個，多個井下監控分站間通過與控制器模塊相接的異 步串行接口一進行連接；所述控制器模塊與所述乙太網或RS485網絡間通過所述異步串行 接口二進行連接，所述控制器模塊與中心協調器間通過所述異步串行接口三進行連接；所 述中心協調器為對多個無線傳感器節點進行通信管理、動態組網與雙向數據傳輸的節點通 信模塊。所述無線傳感器節點為telosB節點，所述中心協調器為與所述telosB節點相對 應的無線微型控制器，且所述無線傳感器節點和中心協調器所採用的無線通信模塊均為 Zigbee短距離無線通信模塊。所述無線傳感器節點包括處理器模塊、分別與處理器模塊相接的傳感器模塊和射 頻收發模塊以及分別與處理器模塊、傳感器模塊和射頻收發模塊相接的電源模塊。多個無線傳感器節點以中心協調器為中心呈星型結構布設。所述控制器模塊為處理器晶片S3C2440。本實用新型與現有技術相比具有以下優點1、通信距離長，通過WSN的自組網和多跳技術，解決了煤礦惡劣環境下的井下通 信瓶頸問題，監控系統可靠性大大提高。2、能夠進行實時信號採集，各個無線傳感器節點都可以實時採集礦井下礦壓信 息，並將信息轉發給地面監控伺服器，真正實現對礦井安全的實時監控；同時，本實用新型 可以同時對礦井下各個採掘區內的瓦斯、溫溼度等環境參數信息進行採集，實現對礦井安 全的綜合性實時監控。3、採用zigbee無線通信技術，功耗低，工作周期短，收發信息功耗低，並具有休眠 模式，採用普通的兩節5號電池可以工作三個月到兩年左右的時間(與工作環境和工作頻 率有關)。4、接線方便且成本低，智能化程度高，使用操作簡便，多個井下監控分站可以通過 異步串行接口一實現級聯並與井上監控主機間進行雙向通信。5、可擴展性強，本實用新型在中心協調器往下的信號採集及傳輸部分都採用無線 通信技術，每增加一塊監控區域，僅添加路由節點便可實現，可移動性好，維護方便。6、實用價值高，將新穎的WSN(即無線傳感器網絡)技術應用於煤礦安全監控，突 破了傳統RFID監控的許多技術瓶頸問題，通過組建智能無線傳感網絡礦壓監控系統，實現 礦壓的無線監控，且本實用新型便於在地質條件複雜的工作面或者巷道中使用，能夠及時 監控礦壓的變化情況並進行預警，從而保障安全生產，降低監測、支護的成本，提高生產效 率。綜上所述，本實用新型本實用新型設計合理、布設方便、可擴展性強且通信距離 長、實用價值高，能對井下礦壓進行實時有效監控，解決了現有礦壓監控系統存在的接線困難、安裝布設繁雜、監控實時性較差等缺陷。下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本實用新型的工作原理圖。圖2為本實用新型的電路原理框圖。圖3為本實用新型無線傳感器節點的電路框圖。附圖標記說明1-無線傳感器子網1-1-無線傳感器節點；1-11-處理器模塊；絡；1-12-傳感器模塊；1-13-射頻收發模塊；1_14_電源模塊；1-2-中心協調器；2-井下監控分站； 2-1-控制器模塊；2-2-電源管理模塊；2-3-數據存儲模塊；2_41_異步串行接口一；2-42-異步串行接口 2-43-異步串行接口三；2-5-晶振電路；二；2-6-IXD顯示模塊；3-井上監控主機。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，本實用新型包括分別布設在被監控煤礦中多個採掘區內的多個 無線傳感器子網絡1、布設在煤礦主巷道中的井下監控分站2和內部設置有對被監控煤礦 礦壓進行分析與預測的專家系統的井上監控主機3，所述井上監控主機3布設在地面上且 其與井下監控分站2間進行雙向通信。所述無線傳感器子網絡1包括分別對所監控採掘區 內的礦壓進行實時監測的多個無線傳感器節點1-1。所述井下監控分站2包括控制器模塊 2-1和多個分別對每個無線傳感器子網絡1中的多個無線傳感器節點1-1進行綜合管理且 將多個無線傳感器節點1-1所監測數據上傳至控制器模塊2-1的中心協調器1-2，所述中心 協調器1-2與無線傳感器節點1-1和控制器模塊2-1間分別通過無線和串口通信方式進行 雙向通信。多個無線傳感器節點1-1以中心協調器1-2為中心呈星型結構布設。本實施例中， 所述無線傳感器節點1-1為telosB節點，所述中心協調器1-2為與所述telosB節點相對 應的無線微型控制器，且所述無線傳感器節點1-1和中心協調器1-2所採用的無線通信模 塊均為Zigbee短距離無線通信模塊。本實施例中，所述井下監控分站2與井上監控主機3間通過乙太網或RS485網絡 進行雙向通信。所述井下監控分站2還包括分別與控制器模塊2-1相接的電源管理模塊2-2、數據 存儲模塊2-3和傳輸通信模塊，所述傳輸通信模塊包括異步串行接口一 2-41、異步串行接 口二 2-42和異步串行接口三2-43。所述井下監控分站2的數量為多個，多個井下監控分站 2間通過與控制器模塊2-1相接的異步串行接口一 2-41進行連接；所述控制器模塊2-1與 所述乙太網或RS485網絡間通過所述異步串行接口二 2-42進行連接，所述控制器模塊2_1 與中心協調器1-2間通過所述異步串行接口三2-43進行連接。所述中心協調器1-2為對 多個無線傳感器節點1-1進行通信管理、動態組網與雙向數據傳輸的節點通信模塊。另外，所述井下監控分站2還包括分別與控制器模塊2-1相接的晶振電路2-5和IXD顯示模塊2-6。本實施例中，所述控制器模塊2-1為處理器晶片S3C2440。實際使用過 程中，當井下監控分站2與井上監控主機3間通過乙太網進行雙向通信時，所述異步串行接 口二 2-42相應為異步串行乙太網接口。結合圖3，所述無線傳感器節點1-1包括處理器模塊1-11、分別與處理器模塊1-11 相接的傳感器模塊1-12和射頻收發模塊1-13以及分別與處理器模塊1-11、傳感器模塊 1-12和無線通信模塊二 1-13相接的電源模塊1-14。本實施例中，所述傳感器模塊1-12包 括布設在被監測煤礦中的頂板壓力支柱上的壓力傳感器和與所述壓力傳感器相接的信號 調理模塊，所述信號調理模塊與處理器模塊1-11相接。實際使用前，先在煤礦井下每一個採掘區與主巷道的分支處架設中心協調器1-2， 且根據實際需要在各採掘區內設路由節點(也是信標節點)；與此同時，在需監控的頂板壓 力支柱上安裝一個或多個傳感器模塊1-12，從而使得每個每個採掘區均形成一個對頂板壓 力進行實時檢測並將所檢測信息通過無線網絡同步上傳的無線傳感器子網絡1，各無線傳 感器子網絡1均通過中心協調器1-2直接與井上監控主機3相連，或者通過井下監控分站 2 (即布設主巷道中的網關設備)與井上監控主機3進行雙向通信。所述井下監控分站2以控制器模塊2-1 (即晶片S3C2440)為控制核心，調試過程 中通過RS232接口與其它井下監控分站2進行通信，實際使用過程中控制器模塊2-1用來 對所述節點通信模塊(即中心協調器1-2)進行相應配置並接收無線傳感器節點1-1實時 所採集的數據。所述井下監控分站2通過RS 485網絡或者乙太網獲取井上監控主機3的控 制命令，並轉發給各無線傳感器節點1-1 ；同時獲取各無線傳感器節點1-1所採集的數據， 並將數據通過RS485網絡或者乙太網轉發給井上監控主機3。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型作任何限制，凡是根 據本實用新型技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍 屬於本實用新型技術方案的保護範圍內。
權利要求一種基於WSN的礦壓實時監控系統，其特徵在於包括分別布設在被監控煤礦中多個採掘區內的多個無線傳感器子網絡(1)、布設在煤礦主巷道中的井下監控分站(2)和內部設置有對被監控煤礦礦壓進行分析與預測的專家系統的井上監控主機(3)，所述井上監控主機(3)布設在地面上且其與井下監控分站(2)間進行雙向通信；所述無線傳感器子網絡(1)包括分別對所監控採掘區內的礦壓進行實時監測的多個無線傳感器節點(1 1)；所述井下監控分站(2)包括控制器模塊(2 1)和多個分別對每個無線傳感器子網絡(1)中的多個無線傳感器節點(1 1)進行綜合管理且將多個無線傳感器節點(1 1)所監測數據上傳至控制器模塊(2 1)的中心協調器(1 2)，所述中心協調器(1 2)與無線傳感器節點(1 1)和控制器模塊(2 1)間分別通過無線和串口通信方式進行雙向通信。
2.按照權利要求1所述的基於WSN的礦壓實時監控系統，其特徵在於所述井下監控 分站(2)與井上監控主機(3)間通過乙太網或RS485網絡進行雙向通信。
3.按照權利要求2所述的基於WSN的礦壓實時監控系統，其特徵在於所述井下監控 分站(2)還包括分別與控制器模塊(2-1)相接的電源管理模塊(2-2)、數據存儲模塊(2-3) 和傳輸通信模塊，所述傳輸通信模塊包括異步串行接口一(2-41)、異步串行接口二(2-42) 和異步串行接口三(2-43)；所述井下監控分站(2)的數量為多個，多個井下監控分站(2) 間通過與控制器模塊(2-1)相接的異步串行接口一(2-41)進行連接；所述控制器模塊 (2-1)與所述乙太網或RS 485網絡間通過所述異步串行接口二(2-42)進行連接，所述控制 器模塊(2-1)與中心協調器(1-2)間通過所述異步串行接口三(2-43)進行連接；所述中心 協調器(1-2)為對多個無線傳感器節點(1-1)進行通信管理、動態組網與雙向數據傳輸的 節點通信模塊。
4.按照權利要求1、2或3所述的基於WSN的礦壓實時監控系統，其特徵在於所述無 線傳感器節點(1-1)為telosB節點，所述中心協調器(1-2)為與所述telosB節點相對應 的無線微型控制器，且所述無線傳感器節點(1-1)和中心協調器(1-2)所採用的無線通信 模塊均為Zigbee短距離無線通信模塊。
5.按照權利要求4所述的基於WSN的礦壓實時監控系統，其特徵在於所述無線傳 感器節點(1-1)包括處理器模塊(1-11)、分別與處理器模塊(1-11)相接的傳感器模塊 (1-12)和射頻收發模塊(1-13)以及分別與處理器模塊(1-11)、傳感器模塊(1-12)和射頻 收發模塊(1-13)相接的電源模塊(1-14)。
6.按照權利要求1、2或3所述的基於WSN的礦壓實時監控系統，其特徵在於多個無 線傳感器節點(1-1)以中心協調器(1-2)為中心呈星型結構布設。
7.按照權利要求3所述的基於WSN的礦壓實時監控系統，其特徵在於所述控制器模 塊(2-1)為處理器晶片S3C2440。
專利摘要本實用新型公開了一種基於WSN的礦壓實時監控系統，包括分別布設在多個採掘區內的多個無線傳感器子網絡、布設在主巷道中的井下監控分站和內部設置有對被監控煤礦礦壓進行分析與預測的專家系統的井上監控主機，井上監控主機布設在地面上且與井下監控分站間進行雙向通信；無線傳感器子網絡包括分別對所監控採掘區內的礦壓進行實時監測的多個無線傳感器節點，和對多個無線傳感器節點進行綜合管理且將多個無線傳感器節點所監測數據上傳至井下監控分站的中心協調器。本實用新型設計合理、布設方便、可擴展性強且通信距離長、實用價值高，能對井下礦壓進行實時有效監控，解決了現有礦壓監控系統存在的接線困難、安裝布設繁雜、監控實時性較差等缺陷。
文檔編號H04W84/18GK201650368SQ201020179409
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月4日 優先權日2010年5月4日
發明者杜向黨, 董立紅 申請人:陝西盛納德礦山科技有限公司