CN101477741A

CN101477741A - 非线路供电矿山井下监测监控方法与系统

Info

Publication number: CN101477741A
Application number: CNA2008100017238A
Authority: CN
Inventors: 邸永春
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-01
Filing date: 2008-01-01
Publication date: 2009-07-08

Abstract

本发明公开了非线路供电矿山井下监测监控方法与系统，它们的最主要特点是：或者去掉现有监测监控仪器的电源线与信号传输线缆，另外增加一套非线路连续供电的设备或部件；或者去掉现有监测监控仪器的电源线与信号传输线缆，监测监控仪器仍然由蓄电池供电，但在井下工作场所为所述的蓄电池配置充电器。本发明通过对矿山井下监测监控系统供电系统的改进实现了安装简单化、移动便携化，有利于更好地为矿山安全监控与生产管理服务。

Description

非线路供电矿山井下监测监控方法与系统

技术领域

本发明涉及矿井监控领域，特别是涉及非线路供电矿山井下监测监控方法与系统。

背景技术

目前，矿山井下监控日益向数字化发展。布置在井下的监测监控仪器有瓦斯监控仪、风速传感器、温度传感器、一氧化碳传感器、摄像机、各种设备的状态检测传感器等，但这些仪器都不可避免地使用信号传输线缆和供电电缆，特点是粗大笨重，移动不便。有些虽然采用无线方式传输信号，但供电电缆是必不可少的。有些便携式检测仪虽然没有信号传输线缆和供电电缆，但必须定时将检测仪器带到地面为蓄电池充电，不可能长时间工作在井下工作场所。总之，现有的监测监控仪器或者安装及移动很麻烦，或者不能长时间工作在井下，限制了其使用范围，给生产和安全管理带来极大的不便。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是设计和发明一种既安装及移动方便，又可以长时间工作在现场的监测监控系统与方法，基于如下两种思路：①去掉现有监测监控仪器的电源线与信号传输线缆，另外增加一套即使在监测监控仪器处于工作状态的情况下也可以对其进行连续供电的设备或部件；②去掉现有监测监控仪器的电源线与信号传输线缆，监测监控仪器仍然由蓄电池供电，但在井下工作场所为所述的蓄电池配置充电器。

基于上述思路，本发明提出如下解决方案：

提供一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，由监测监控仪器和为其供电的电源、信号传输链路、监控中心共同完成对矿山井下工作场所的监测监控，该方法包括如下步骤：a、提供一套用于矿山井下监测监控的仪器的全部电路，该电路的信号传输方式为无线传输；b、提供一电源并与上述电路连接，该电源满足如下条件：①内置有从周围环境中获取能量的部件，该能量由人工制造的设备产生并且由空气作为介质进行传播或由空气本身携带；②没有外部电源线，也没有外部充电器；③工作时，该电源与上述的人工制造的设备之间的距离大于1m；c、将步骤a与b中所述的所有部件集成为一个整体的设备；d、将上述设备安装到欲监测的井下工作场所，并在距离该工作场所大于1m的巷道内某处设置信号传输基站；e、在步骤(b)中，如果在安装监测监控仪器之前周围环境中没有所述的能量，则应在距离监测监控仪器大于1m的巷道内的某处增加一能量发射器；f、建立一个井下基站与监控中心之间的信号传输链路；g、在监控中心用显示设备将井下工作场所的有关信息显示出来。

上述的一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，在步骤b中，以矿用扇风机提供的风力为动力的微型风力发电机作为所述的电源。

上述的一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，在步骤b中，以井下照明灯或专用人工光源为能量源的光电池作为所述的电源。

上述的一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，步骤b中，以电磁共振电能接收线圈作为所述的电源，步骤e中，以电磁共振电能发射线圈作为所述的能量发射器，两个线圈之间通过共振原理在1m_200m的距离内以空气作为介质传输电力。

上述的一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，井下基站与所述的监控中心之间至少有一段线路采用电力线载波的方法进行通讯。

本发明还提供了一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，包括监测监控仪器和为其供电的电源、信号传输链路、监控中心，所述的电源为如下二种中至少其中之一：①由人工风力驱动的微型风力发电机，②与电磁共振电能发射器之间为大于1m的无线连接的电磁共振电能接收器；所述的监测监控仪器与井下其它任何设备之间无光缆或电缆连接。

上述的一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，所述的监测监控仪器为摄像机。

上述的一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，所述的监测监控仪器为摄像机，摄像机带有防尘刷。

上述的一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，所述的监测监控仪器为摄像机，摄像机集成有显示屏、话筒、扬声器。

本发明还提供了另一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，包括监测监控仪器和为其供电的电源、信号传输链路、监控中心，所述的电源为蓄电池，在井下设有为该蓄电池充电的充电器。

本发明通过对矿山井下监测监控系统供电系统的改进，在空间狭小、移动频繁的矿山井下实现了安装简单化，移动便携化，是矿山安全监控与生产管理的有力助手。

附图说明

图1是本发明非线路供电矿山井下监测监控系统示意图。图中：(101)——井下监测监控仪器；(102)--井下巷道支护；(103)--井下基站；(104)--电力电缆；(105)--井下电器开关；(106)--与监控中心相连的电力电缆；(107)--电力线载波调制解调器；(108)--监控中心主机。

图2是本发明非线路供电矿山井下监测监控系统的井下风力发电摄像机结构示意图。在图中，本机分为摄像机与发电机两部分，其中摄像机部分包括：(201)--天线；(202)--电磁感应电能接收线圈；(203)--外壳及其它部分；(204)--防尘刷。发电机部分包括：(301)--喇叭口；(302)--风叶；(303)--传动轴；(304)--发电机；(305)--电磁感应电能发送线圈；(306)--摄像机支架；(307)--支架；(308)--外壳。

图3是本发明井下风力发电摄像机电气原理图。图中：(401)--单片机；(402)--大容量闪存；(403)--镜头；(404)--感光芯片；(405)--高速数字信号处理芯片；(406)--无线通信模块；(407)--天线；(408)--快照开关；(409)--闪光灯；(410)--发光二极管；(411)--蓄电池；(412)--LCD触摸屏；(413)--扬声器；(414)--麦克风；(415)--程序存储器；(416)--数据存储器；(417)--音频模块；(418)--电磁感应电能接收线圈；(419)--瓦斯检测模块；(305)--电磁感应电能发射线圈；(304)--发电机；(203)--摄像机外壳；(308)--发电机外壳

图4是本发明的信号传输系统原理图。图中：(501)--天线；(502)--无线通信模块；(503)--单片机；(504)--电擦写只读存储器；(505)--发光二极管；(506)--电力线载波芯片；(507)--模拟前端；(508)--耦合器及电源；(509)--外部程序储存器；(510)--外部数据储存器；(511)--耦合器及电源；(512)--模拟前端；(513)--发光二极管；(514)--电擦写只读存储器；(515)--网络控制器；(516)--电力线载波芯片；(517)--电力线。

图5是本发明实施例二的电能传输原理图。图中：(601)--监测监控仪器主电路；(602)--电磁共振电能传输发射线圈；(603)--电磁共振电能传输接收线圈；(604)--电磁共振电能传输模块；(411)-蓄电池。

图6是本发明实施例三的电能传输原理图。图中：(601)--监测监控仪器主电路；(701)--光电池；(411)-蓄电池。

图7是本发明实施例四井下基站结构示意图。图中：(800)-电磁感应电能发射线圈；(801)--井下基站主体；(802)—线缆进出喇叭口；(803)-天线。

具体实施方式

结合附图1，本发明非线路供电矿山井下监测监控系统将予以详细描述如下。然而，除了详细的描述之外，本发明还可以广泛地在其它实施例施行，且本发明的范围不受其限定，而以权利要求所限定的专利范围为准。

另外，不相关的细节部分也未完全绘出，以求图示的简洁。

在图1(本发明非线路供电矿山井下监测监控系统示意图)中，井下监测监控仪器(101)固定于欲检测井下采掘工作面附近的井下巷道支护(102)上，井下基站(103)也固定于巷道支护上，两者之间间距可以达到1m到200m。井下监测监控仪器(101)采用能在无导线连接的情况下远距离供电的方式，可以利用与其相连接的微型风力发电机，可以采用蓄电池供电(在井下设置充电器)，也可以利用远距离传输电能的电磁共振线圈，还可以利用井下照明光源用光电池的方式采集电能。在通信方面，井下监测监控仪器(101)与井下基站(103)之间采用符合IEEE802.11b无线局域网协议的无线网络进行数据传输，井下基站(103)到监控中心之间采用电力线载波方式通信。电力电缆(104)从井下基站(103)引出后连接到电力开关(105)上，电力开关(105)的另一端为与监控中心相连的电力电缆(106)，电力线载波采用正交频分复用(简称OFDM)方式传输信号，这样，井下监测监控仪器(101)与监控中心的监控主机(108)就可以通过井下基站(103)内置的电力线载波调制解调器与安设在监控中心的电力线载波调制解调器(107)进行通信。

结合附图2、3、4，本发明一个较佳实施例详述如下。

实施例一：

作为一个较佳实施例，这里提出了一个利用矿井通风的风流作为动力的井下风力发电视频监控系统的方案。在井下，除密闭的废弃巷道或采空区外，只要能通行或有人工作的地点均有由矿用主要扇风机或局部扇风机提供的风流，所以井下监测监控仪器(101)可以利用此人工风流采用微型风力发电机的方式供电。

在图2(本发明非线路供电矿山井下监测监控系统的井下风力发电摄像机结构示意图)中，风流从喇叭口(301)进入风力发电机的外壳(308)带动风叶(302)旋转，并通过传动轴(303)带动发电机(304)旋转而产生交流电。交流电进入电磁感应电能发送线圈(305)产生交变电磁场，此交变电磁场穿过摄像机的外壳(203)进入摄像机并使位于摄像机内部的电磁感应电能接收线圈(202)产生电能，给摄像机内部蓄电池充电并带动电路进行工作。为了在井下多尘环境中保持图像清晰，本机增加了防尘刷(204)。摄像机部分固定在发电机部分的摄像机支架(306)上，而整机由支架(307)固定在工作场所的巷道内。为了更方便地在风流速度不大或者需要临时监控的场合使用，摄像机部分与发电机部分之间是方便拆装的分体式结构。

在图3(本发明井下风力发电摄像机电气原理图)中，现场图像经过镜头(403)投射到感光芯片(404)上，其型号可选H7131E1，此芯片集成有648*488象素的CMOS感光阵列，并可将模拟视频信号经高速A/D转化为数字信号。数字信号进入高速数字信号处理芯片DSP(405)，型号可选ZC0301，可将信号转化为标准的视频或图片压缩格式。另外，在ZC0301的SNAPB引脚上联结一快照开关(408)，同时在摄像机内集成了闪光灯(409)，按下开关(408)的同时通过软件控制闪光灯(409)使其发出闪光，可实现在井下关键场所拍摄相片的功能。全部电路由单片机(401)控制，其型号可选32位ARM9系列高性能单片机s3c2440；单片机(401)上还扩展了外部程序储存器(415)与外部数据储存器(416)。经压缩的视频信号进入单片机(401)，信号转入无线通信模块(406)经由天线(407)发送出去；摄像机的照明部分(410)采用高亮度白光发光二极管阵列。整个系统由蓄电池(411)供电，而蓄电池(411)由电磁感应电能接收线圈(418)充电；为了建立一种良好的人机界面，本机还设有LCD触摸屏(412)和音频模块(417)，其中音频模块(417)上接有喇叭(413)和麦克风(414)；作为一种智能化的信息终端，本机还集成了瓦斯检测模块(419)，一旦瓦斯超过容许值就由喇叭(413)发出警报。

在图4(本发明的信号传输系统原理图)中，井下可移动基站主要由编号为(501)到(510)的元件组成，网络载波接收器主要由编号为(511)到(516)的部件组成。其中：天线(501)用来与摄像机进行通信，数据经由无线通信模块(502)出入于单片机(503)；单片机(503)上还扩展了外部程序储存器(509)与外部数据储存器(510)；电力线载波主要由分别布置在基站与网络载波接收器内的以两片电力线载波芯片(506)和(515)为核心的电路完成，其型号可选INT51X1，这是一款专用于电力线载波的集成收发器，它使用OFDM(正交频分复用)将高速串行信号分解为经傅立叶变换后的84个正交子载波进行传输。在两片电力线载波芯片与电力线(517)之间分别各有两个模拟前端(507)、(512)和耦合器及电源(508)、(511)，其中模拟前端主要功能是带通滤波和线性驱动，耦合器及电源用来隔断电力线(517)的高压和交流分量、传输载波信号、为系统提供电源。元件(504)与(514)为电擦写只读存储器EEPROM，用来初始化INT51X1；元件(505)与(513)为联结到INT51X1自带LED端口的发光二极管，可显示系统的运行状态。在网络载波接收器一端电力线载波芯片(516)与一网络控制器(515)联结，并联结到控制中心主机。

结合附图5(本发明实施例二的电能传输原理图)，本发明另一个较佳实施例详述如下。

实施例二：监测监控仪器主电路(601)由蓄电池(411)直接供电。电磁共振电能传输接收线圈(603)接收到由电磁共振电能传输发射线圈(602)发射的交变电流后将其整流并向蓄电池(411)充电。电磁共振电能传输模块(604)将外接电源的电能转化为符合远距离无线传输的波形与频率(电磁共振远距离电能传输为现有技术，在此不予详述)，由电磁共振电能传输发射线圈(602)发射出去。监测监控仪器主电路(601)的其它电路原理与实施例一相似。

结合附图6(本发明实施例三的电能传输原理图)，本发明第三个较佳实施例详述如下。

实施例三：监测监控仪器主电路(601)由蓄电池(411)直接供电。蓄电池由放置于井下照明灯附近的光电池(701)充电，监测监控仪器主电路(601)的其它电路原理与实施例一相似。

结合附图7(本发明实施例四井下基站结构示意图)，本发明第四个较佳实施例详述如下。

实施例四：由于电磁共振传输电能受到距离的限制，而风力发电受到井下巷道内风流速度的限制，所以在某些场合这两种方法并不适合。本实施例中监测监控仪器主电路仍然由蓄电池直接供电，但为了避免蓄电池电量用完而必须带到地面进行充电的麻烦，在井下增加为蓄电池充电的充电器。这里提供了一种集成到井下基站的充电器(当然充电器也可设置为独立的结构)：在附图7中，电磁感应电能发射线圈(800)集成到井下基站主体(801)内(井下基站主体的外壳由导磁材料制造)，充电时，将监测监控仪器放置在基站的上表面即可进行充电。本实施例的其它电路原理与实施例一相似。

Claims

1、一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，由监测监控仪器和为其供电的电源、信号传输链路、监控中心共同完成对矿山井下工作场所的监测监控，其特征在于该方法包括如下步骤：

a、提供一套用于矿山井下监测监控的仪器的全部电路，该电路的信号传输方式为无线传输；

b、提供一电源并与上述电路连接，该电源满足如下条件：①内置有从周围环境中获取能量的部件，该能量由人工制造的设备产生并且由空气作为介质进行传播或由空气本身携带；②没有外部电源线，也没有外部充电器；③工作时，该电源与上述的人工制造的设备之间的距离大于1m；

c、将步骤a与b中所述的所有部件集成为一个整体的设备；

d、将上述设备安装到欲监测的井下工作场所，并在距离该工作场所大于1m的巷道内某处设置信号传输基站；

e、在步骤(b)中，如果在安装监测监控仪器之前周围环境中没有所述的能量，则应在距离监测监控仪器大于1m的巷道内的某处增加一能量发射器；

f、建立一个井下基站与监控中心之间的信号传输链路；

g、在监控中心用显示设备将井下工作场所的有关信息显示出来。

2、如权利要求1所述的一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，其特征在于：在步骤b中，以矿用扇风机提供的风力为动力的微型风力发电机作为所述的电源。

3、所述的电源为如权利要求1所述的一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，其特征在于：在步骤b中，以井下照明灯或专用人工光源为能量源的光电池作为所述的电源。

4、如权利要求1所述的一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，其特征在于：步骤b中，以电磁共振电能接收线圈作为所述的电源，步骤e中，以电磁共振电能发射线圈作为所述的能量发射器，两个线圈之间通过共振原理在1m_200m的距离内以空气作为介质传输电力。

5、如权利要求1所述的一种非线路供电的矿山井下监测监控方法，其特征在于：井下基站与所述的监控中心之间至少有一段线路采用电力线载波的方法进行通讯。

6、一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，包括监测监控仪器和为其供电的电源、信号传输链路、监控中心，其特征在于：所述的电源为如下二种中至少其中之一：①由人工风力驱动的微型风力发电机，②与电磁共振电能发射器之间为大于1m的无线连接的电磁共振电能接收器；所述的监测监控仪器与井下其它任何设备之间无光缆或电缆连接。

7、如权利要求6所述的一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，其特征在于：所述的监测监控仪器为摄像机。

8、如权利要求6所述的一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，其特征在于：所述的监测监控仪器为摄像机，摄像机带有防尘刷。

9、如权利要求6所述的一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，其特征在于：所述的监测监控仪器为摄像机，摄像机集成有显示屏、话筒、扬声器。

10、一种非线路供电的矿山井下监测监控系统，包括监测监控仪器和为其供电的电源、信号传输链路、监控中心，其特征在于：所述的电源为蓄电池，在井下设有为该蓄电池充电的充电器。