CN102383860A - 一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统，包括：上隅角无线瓦斯传感器、无线基站、无线/CAN/工业以太网网关、无线/CAN/以太网监测分站以及无线手持采集仪；上隅角无线瓦斯传感器将测量的甲烷数值通过无线基站的无线信号经无线中继，发送到无线/CAN/工业以太网网关，当网关接收到无线数据后，将无线数据组成CAN总线数据包，通过CAN总线发送给监测分站，监测分站根据采集到的上隅角无线瓦斯传感器的数值，判断是否对采煤机进行断电控制，同时通过采集开停传感器的数值来判断断电是否成功。采用本发明的技术方案，可以实现对综采工作面瓦斯浓度的实时监控与分析。

Description

一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统

技术领域

本发明涉及矿井监控的技术领域，尤其涉及一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统。

背景技术

当前我国的煤矿安全生产形式十分严峻。随着开采深度的不断延伸，各煤矿的煤层瓦斯含量呈上升趋势，部分低瓦斯矿井延伸至高瓦斯区，由此造成矿井高产高效与高瓦斯涌出量的矛盾越来越突出，瓦斯事故成为影响煤矿安全生产的主要事故。从瓦斯产生的根源看，煤矿瓦斯主要是在开采过程中溢出的，综采工作面瓦斯浓度最高，而综采工作面条件具有特殊性，因此研究面向综采工作面的瓦斯监控系统，实时监测工作面瓦斯浓度，对减少煤矿安全生产事故的发生具有重要意义。

近年来，为预防煤矿瓦斯事故发生，国内外许多科研单位研制了一系列瓦斯监控系统，如KJ90煤矿安全综合监控系统，KJ83煤矿监控系统，KJF2000煤矿安全监控系统等，这些监控系统对煤矿安全监控起到了较大作用。但这些系统中，瓦斯传感器和监控分站之间主要采用有线传输，而煤矿综采工作面生产条件十分恶劣，设备线缆众多，易燃易爆，电磁环境复杂。随着综采工作面的延伸，现有的瓦斯监控系统主要是针对回风巷瓦斯浓度的基于有线传感器网络的监控系统，对综采工作面瓦斯浓度的监测主要是参数就地监测显示，不具有设备自动控制与联网功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种网络化瓦斯无线监控系统，可以实现对综采工作面瓦斯浓度的实时监控与分析。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统，包括：上隅角无线瓦斯传感器、无线基站、无线/CAN/工业以太网网关、无线/CAN/以太网监测分站以及无线手持采集仪；其中，上隅角无线瓦斯传感器将测量的甲烷数值通过无线基站的无线信号经无线中继，发送到无线/CAN/工业以太网网关，当网关接收到无线数据后，将无线数据组成CAN总线数据包，通过CAN总线发送给所述的监测分站，监测分站根据采集到的上隅角无线瓦斯传感器的数值，判断是否对采煤机进行断电控制，同时通过采集开停传感器的数值来判断断电是否成功。

监测分站具备数据存储功能，在井下可以通过数据读写器读取其内容，在井上可以将数据读写器中的数据导入计算机，便于上位机分析上隅角甲烷浓度趋势及采煤机工作状态。

监测分站具有手动、自动复电功能。

上隅角无线瓦斯传感器由无线网络通讯模块、瓦斯传感器测量模块、瓦斯敏感元件及供电电池组成；测量模块将采集的数据封包，通过I/O总线连接器与无线网络通信模块连接，进行数据交换。

采用Zigbee无线传感器网络通信组网技术。

本发明的有益效果：采用无线传感器网络技术，可以实现对综采工作面瓦斯浓度的实时监控与分析。在工作面瓦斯浓度超限时，及时启动断电设备对采煤机、掘进机进行断电，同时发出告警信息，通过无线手持采集仪，采集瓦斯浓度数据，并进行分析预测。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的无线传感器网络系统结构图；

图2为本发明的无线传感器节点结构图；

图3为本发明的无线传感器网络协议栈结构图；

图4为本发明面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统的系统图。

具体实施方式

本发明是基于无线传感器网络技术的面向综采工作面的矿井瓦斯监控系统。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，无线传感器网络就是部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

从上述定义可以看出，传感器，感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素。这三个要素之间通过无线网络建立通信路径，协作地感知、采集、处理、发布感知信息。

在无线传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内，除了感测特定的对象，还进行简单的计算并维持互相之间的网络连接。传感器网络具有自组织的功能，单个节点经过初始的通信和协商，形成一个传输信息的多跳网络。每个传感网络装备有一个连接到传输网络的网关，传输网络是由一个单跳链接或一系列的无线网络节点组成的。网关通过这个传输网络把感测数据从传感区域发送到提供远程连接和数据处理的分站，分站再通过手持采集仪把数据存到系统数据库。最后采集到的数据经过分析、挖掘后通过一个界面提供给终端用户。

无线传感器网络拥有和传统无线网络不同的体系结构，如无线传感器网络系统、无线传感器节点结构以及网络协议体系结构。

如图1所示，无线传感器网络系统包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其它传感节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点岁传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转化，同时发布管理节点的检测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

传感器节点结构：

如图2所示，传感器节点由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。

网络协议体系结构：

网络协议体系结构是无线传感器网络的“软件”部分，是对网络及其部件应完成功能的定义与描述；由网络通信协议栈、传感器网络管理技术以及应用支撑技术组成。

随着传感器网络的深入研究，提出了多个传感器节点上的协议栈。如图3(a)所示，这个协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和平台的功能如下：

物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术；

数据链路层负责数据成帧、帧监测、媒体访问和差错控制；

网络层主要负责路由生成与路由选择；

传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分；

应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；

能量管理平台管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；

移动管理平台监测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；

任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。

图3(b)所示的协议栈细化并改进了原始模型。定位和时间同步子层在协议栈中的位置比较特殊。它们既要依赖于数据传输通道进行协作定位和时间同步协商，同时又要为网络协议各层提供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于地理位置的路由协议的等很多传感器网络协议都需要定位和同步信息。所以在图3(a)所示的各层协议中，用以优化和管理协议流程：另一部分独立在协议外层，通过各种收集和配置接口对相应机制进行配置和监控。如能量管理，在图3(a)中的每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给配置系统进行能量分配决策；QoS管理在各协议层设计队列管理、优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理；拓扑控制利用物理层、链路层或路由层完成拓扑生成，反过来又为它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议的协议过程，提高协议效率，减少网络能量消耗；网络管理则要求协议各层嵌入各种信息接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协议组件的运行。

网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理。网络管理模块是网络故障管理、计费管理、配置管理、性能管理的总和。其他还包括网络安全模块、移动控制模块、远程管理模块。

传感器网络的应用支撑技术为用户提供各种应用支撑，包括时间同步、节点定位，以及向用户提供协调应用服务接口。

如图4所示，本发明的瓦斯监控系统，是采用先进的无线传感器网络技术开发的适用于煤矿综采工作面瓦斯预警分析与监控的新型网络化煤矿瓦斯监控系统，其包括无线瓦斯传感器、无线基站、无线/CAN/工业以太网网关、无线/CAN/以太网监测分站、无线手持采集仪以及采煤机。

工作流程：上隅角无线瓦斯传感器将测量的甲烷数值通过无线基站的无线信号经无线中继，发送到无线/CAN/工业以太网网关，当网关接收到无线数据后，将无线数据组成CAN总线数据包，通过CAN总线发送给监测分站，监测分站根据采集到的上隅角无线瓦斯传感器的数值，判断是否对采煤机进行断电控制，同时通过采集开停传感器的数值来判断断电是否成功，同时具备手动、自动复电功能。其中，监测分站具备数据存储功能，在井下可以通过数据读写器读取其内容，在井上可以将数据读写器中的数据导入计算机，便于上位机分析上隅角甲烷浓度趋势及采煤机工作状态。

无线网络通信组网技术采用Zigbee无线传感器网络通信，其是点对点的通信，通过组成网络节点的单跳或多跳完成网络通信。网络通信节点是构成系统全部无线设备的基础。以无线网络通信模块为基础，进行系统设备软硬件开发，适用于本发明的无线瓦斯传感器、无线基站、网关、监测分站等设备。

Zigbee无线网络通信技术提供信息双向传输，也具有信息储存和计算能力。

该无线网络通信模块由RF收发器、MCU控制器、0dBm全向天线等部分组成。采用具有SoC解决方案的Chipcon CC2430芯片设计。模块内嵌符合IEEE802.15.4标准协议要求的通信软件。

无线传感器由无线网络通信模块、瓦斯传感器测量模块、瓦斯敏感元件及供电电池组成。传感器采用双CPU结构，测量模块将采集的数据封包，通过I/O总线连接器与通用无线网络通信模块连接，进行数据交换。

电池使用寿命是无线传感器的重要技术指标，瓦斯敏感元件选择微功耗电化学元件，瓦斯传感器测量模块中的显示器件选用LCD，电子元器件全部选用低功耗贴片安装器件。

监测分站应能采集与集成多无线/CAN/工业以太网网关的信息，同时与手持无线采集仪通过无线通信方式进行数据传输，技术方案如下：

a.由无线网络模块和数据采集模块构成监测装置，连接多个网关，网关与分站之间采用有线连接，无线采集仪与分站之间采用无线方式，分站之间通信采用有线方式连接；

b.本系统用于煤矿综采工作面瓦斯超限报警、控制与预警分析，主要检测综采工作面瓦斯浓度与变化规律，运用粒子群优化神经网络预测分析算法，对瓦斯变化规律进行预测。

c.监测分站的结构应根据现场环境要求进行设计。

本实施例的具体可考核指标：

1)网络系统指标

(1)无线网络节点最大传输半径不小于300m(配合中继)；

(2)无线网路节点容量：＞6×104；

(3)系统巡检周期：≤20s。

2)仪器、装备主要技术指标和参数

(1)本质安全型无线瓦斯传感器

a.测量范围：0～500×10-6；

b.测量精度：≤2×10-6(在0～100×10-6测量范围内)

c.稳定性：≥30d；

d.供电电源：锂电池2Ah，井下连续工作时间≥90d；

e.数码管显示，20m内清晰可见，不间断连续显示。

(2)本质安全型无线基站

a.无线基站的功能包括：无线中继以及无线瓦斯传感器接入；

b.无线中继半径不小于150m；

c.传感器接入数量：10路；

d.供电电源：锂电池2Ah；井下连续工作时间≥90d；(无线中继使用)。

(3)研制本质安全型无线/CAN/工业以太网网关

a.无线传输半径不小于150m；

b.传感器接入数量不小于10个；

c.具有CAN总线、以太网接口。

(4)研制本质安全型无线/CAN/工业以太网监测分站

a.具备上隅角甲烷值显示功能；

b.可依据甲烷值自动断、复电采煤机电源，并有手动复电功能；

c.具备本地存储功能，每隔5分钟保存一次甲烷值及采煤机状态(最长保存一个月的数据)，可外接开停传感器，并且记录开停状态，以便定期对控制器控制采煤机的准确性进行比对；

d.具有无线接口无线传输半径不小于150m；

e.供电电压18-36V，可从采煤机电源取电。

(5)研制本质安全型无线手持采集仪

a.可与分站之间无线通信，采集分站存储数据；

b.具备RS232接口，可以PC机连接；

c.配套地面分析软件，进行数据分析比对。

本发明的瓦斯监控系统采用ZigBee无线网络技术、射频集成芯片技术和802.15.4协议，结合无线网络传输技术，以及数据库管理、数值分析等技术，真正实现对综采工作面瓦斯浓度的实时监控与分析。在工作面瓦斯浓度超限时，及时启动断电设备对采煤机、掘进机进行断电，同时发出告警信息，通过无线手持移动读卡器，采集瓦斯浓度数据进行分析预测。

本发明的面向综采工作面的网络化煤矿瓦斯监控系统，与传统的瓦斯监控系统相比，由于采用了最新的无线对等通信技术，避免了瓦斯监控盲区，且接线简单，方便综采工作面的传感器线缆管理，同时具有设备断电控制和瓦斯数据分析预测、功能全面、成本低，功耗低，响应速度快，实时性好、抗干扰、运行可靠、容易与煤矿数字化信息网络联网等特点。解决煤矿瓦斯监测存在的技术难题，满足煤矿需求，有市场竞争优势。

Claims (5)

1.一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统，其特征在于，包括：上隅角无线瓦斯传感器、无线基站、无线/CAN/工业以太网网关、无线/CAN/以太网监测分站以及无线手持采集仪；其中，所述的上隅角无线瓦斯传感器将测量的甲烷数值通过所述的无线基站的无线信号经无线中继，发送到所述的无线/CAN/工业以太网网关，当所述的网关接收到无线数据后，将无线数据组成CAN总线数据包，通过CAN总线发送给所述的监测分站，所述的监测分站根据采集到的上隅角无线瓦斯传感器的数值，判断是否对采煤机进行断电控制。

2.根据权利要求1所述的一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统，其特征在于，所述的监测分站具备数据存储功能，在井下可以通过数据读写器读取其内容，在井上可以将数据读写器中的数据导入计算机，便于上位机分析上隅角甲烷浓度趋势及采煤机工作状态。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统，其特征在于，所述的监测分站具有手动、自动复电功能。

4.根据权利要求1或2所述的一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统，其特征在于，所述的上隅角无线瓦斯传感器由无线网络通信模块、瓦斯传感器测量模块、瓦斯敏感元件及供电电池组成；测量模块将采集的数据封包，通过I/O总线连接器与无线网络通信模块连接，进行数据交换。

5.根据权利要求1至4之一所述的一种面向综采工作面的网络化瓦斯无线监控系统，其特征在于，采用Zigbee无线传感器网络通信组网技术。

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