CN103291360A

CN103291360A - 基于混合传感网络的矿井监测系统

Info

Publication number: CN103291360A
Application number: CN2013101734347A
Authority: CN
Inventors: 王军; 李贵
Original assignee: Anhui Polytechnic University
Current assignee: Anhui Polytechnic University
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明涉及一种基于混合传感网络的矿井监测系统，基于混合传感网络的矿井监测系统由井上监控模块、井下数据采集传输模块和网络传输模块组成。井上监控模块和井下数据采集传输模块通过网络传输模块连接。井上监控系统主要由服务器、监控终端、移动监控单元组成，依次顺序双向连接。井下数据采集传输系统主要由无线传感网络节点，包括静态节点和移动节点，以实现环境参数的实时监控和数据的无线传送，而且监控多种环境参数，提高矿工的生命安全系数。

Description

基于混合传感网络的矿井监测系统

所属技术领域

本发明涉及一种矿井监测系统，特别是涉及一种基于混合传感网络的矿井监测系统。

背景技术

目前，我国煤矿中使用的各类监测监控系统多达十几种，虽然这些煤矿监控系统的应用对改善我国煤矿安全状况，提高煤矿生产效率和现代化管理水平起到了重要作用，但是这些系统仍存在着不同程度的问题：1、有线通信方式布线复杂，劳动强度高，同时铺设速度较慢，容易在建设初期形成安全上的盲点。而且维护成本高，工作现场的通信线路容易遭受破坏，破坏后的恢复周期一般较长。2、有线网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求；在煤矿实际开采过程中，经常需要对某一地区进行试探性挖掘，由于形成的探测巷长度事先无法预知，巷道随时可能废弃或者增加掘进深度，所以对于工业总线而言，其扩展性、灵活性存在不足，还容易造成资源的浪费和成本的提高。3、监测参数单一。现存的监测系统一个监测点一般只能监测一个参数。但是任何一个事故的发生都是由多种因素导致的。以瓦斯爆炸为例，煤矿瓦斯爆炸的诱导因素又包括大气压力，瓦斯浓度，风速等。因此对于监测系统来说，仅仅监测一种参数是远远不够的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于混合传感网络的矿井监测系统，可以实现环境参数的实时监控和数据的无线传送，而且监控多种环境参数，提高矿工的生命安全系数。

一种基于混合传感网络的矿井监测系统，包括井上监控模块、井下数据采集传输模块和网络传输模块组成，井上监控模块和井下数据采集传输模块通过混合传感网络传输模块连接，所述的混合传感网络是由移动节点和静态节点组成的传感网络。

所述井上监控模块包括服务器、监控终端、移动监控单元，以上模块依次双向连接。

所述传输网络模块由网络节点串口、以太网交换机、无线网络和光纤网络构成。

所述井下数据采集传输模块由无线传感网络节点组成。

所述无线传感网络节点包括移动节点和静态节点，所述移动节点包括移动矿帽节点和移动追踪节点，静态节点固定在巷道内，移动节点安装在矿帽上。

所述静态节点由电源、处理器控制模块、瓦斯和温度采集传感器模块、无线传输模块和声光预警模块组成；瓦斯和温度采集传感器模块的输出连接处理器控制模块的输入端，处理器控制模块的输出分别连接无线传输模块和声光预警模块的输入端。

所述移动矿帽节点由电源、处理器控制模块、瓦斯和温度采集传感器模块、无线传输模块、导航模块、声光预警模块、身体检测模块组成。瓦斯和温度采集传感器模块的输出连接处理器控制模块的输入端，处理器控制模块和无线传输模块、导航模块、身体检测模块双向连接，声光预警模块连接到处理器控制模块，电源负责给各个部分进行供电。

所述移动追踪节点由电源、处理器控制模块、无线传输模块、视频感知模块、移动模块，无线传输模块和处理器控制模块双向连接，视频感知模块、移动模块和处理器模块连接，电源给各个模块供电。

本发明的有益效果是：可以实现环境参数的实时监控和数据的无线传送，而且监控多种环境参数，提高矿工的生命安全系数。

附图说明

图1为矿井监测系统结构图。

图2为静态节点结构图。

图3 为对最佳路径的选择策略。

其中，1为井上监控模块，2为网络传输模块，3为井下数据采集传输模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

如图1所示，基于混合传感网络的矿井监测系统由井上监控模块、井下数据采集传输模块和网络传输模块组成。井上监控模块和井下数据采集传输模块通过网络传输模块连接。

井上监控系统主要由服务器、监控终端、移动监控单元组成，依次顺序双向连接。服务器负责接收并存储井下监控系统传输的数据信息。监控终端负责访问服务器数据库，实时显示各个工作点的环境参数信息、人员位置信息、历史数据查询服务及异常报警服务、移动监控单元简要的现实信息，提供报警等紧急提示功能。井上监控系统实时提供瓦斯浓度、环境温度分布图，提供超限报警和实时矿工位置信息。井上监控系统按功能可分为环境监测和人员定位跟踪两个部分。监控系统作为直接与操作人员交互的平台，易操作性、稳定可靠是监控系统最基本的要求。其主要实现以下功能：1) 远程实时监控井下各区域环境参数如瓦斯浓度、温度及人员位置信息。2) 提供数据的存储、打印及历史数据对比等功能。3) 采集参数异常或事故发生时，监控机将提供发生事故的具体位置信息，并发出报警信息。

传输网络模块由无线网络、串口、以太网交换机、光纤网络构成，无线网络传输的数据通过串口和以太网交换机连接，以太网交换机和光纤网络连接。串口转以太网交换机负责连接光纤网和无线传感网络，通过光纤网，将数据分析的数据传输到服务器。根据煤矿构造，矿井分为巷道区和采掘区，巷道区结构简单，且较宽敞，因此可由光纤系统覆盖，而其采掘区通道狭窄，环境恶劣，所以最理想的选择由无线传感网络(WSN)覆盖，无线传感网络节点获取的数据，通过 WSN 传输到网关节点，网关节点通过 RS232 转以太网的交换机与光纤连接，从而实现整个系统的无缝连接。主干网采用千兆单模光纤连接交换机构成，在各巷道中网络采用树状拓扑结构。系统巡检时间小于 30 秒，数据采集时间，小于 0.01 秒。交换机实现无线传感网络和光纤网的连接，因此，交换机必须具备光纤和以太网双接口，每个数据分析模块都配置一个静态节点充当网关节点，网关节点通过串口转以太网设备将无线网络接入交换机。同时，每个交换机都可以作为中继使光纤网络遍布整个矿区。

井下数据采集传输系统主要由无线传感网络节点，包括静态节点和移动节点，无线传感网络节点是无线传感网络的基本单元，在矿井瓦斯浓度监测、人员定位无线传感网络系统中，无线传感节点占据着重要作用。其中移动节点包括矿帽节点和移动追踪节点、串口转以太网交换机、光纤网络构成。静态节点和移动节点负责采集管辖区域内的环境参数及矿工位置信息，瓦斯浓度测量范围 0-5%，监测灵敏度为 0.5%。温度监测范围为 0-100℃，温度灵敏度为 0.25℃，通过无线传感网络传输到网关节点。串口转以太网交换机负责连接光纤网和无线传感网络，通过光纤网，将井下各区域数据传输到服务器。定位系统采用RSSI 测距方法，该方法传输距离远，成本功耗低，节点硬件体积小、重量轻。每个节点都具有瓦斯、温度检测功能，同时又具有数据的接收、发送、处理等特点。为了能够实时定位井下工作人员的位置，要求每个矿工佩戴一个节点，为矿工佩戴的移动矿帽节点，移动矿帽节点和静态节点硬件电路基本相同。

静态节点系统结构如图2 所示，整个节点由电源、处理器控制模块、瓦斯和温度采集传感器模块、无线传输模块、导航模块、声光预警模块组成。瓦斯和温度采集传感器模块的输出连接处理器控制模块的输入端，处理器控制模块和无线传输模块、导航模块双向连接，声光预警模块连接到处理器控制模块，电源负责给各个部分进行供电，另外，静态节点还可以具有存储单元；微处理器模块采用Silicon Laboratories 公司出品的C8051Fxxx系列单片机。该系列单片机是高集成度的混合信号系统级芯片（SOC），具有与MCS-51 完全兼容的指令集。静态节点和矿帽节点采用 Digi 公司基于Zigbee 射频芯片的 XBee_Pro 系列无线网络设备，该模块符合 IEEE802.15.4标准，芯片工作在 2.4GHz，是一种比较成熟的体积小、功耗低、传输距离远、适合组建低功耗无线传感器网络的无线通信模块。对于瓦斯传感器，静态节点的体积不会影响其在采掘巷道的布置，因此，瓦斯传感器体积不受影响，该系统选用中红外瓦斯传感器，移动节点选用热催化型瓦斯传感器—MC112。

各静态节点串联连接，每间隔 50 米左右放置一个节点。各节点采用电池供电，在不更换电池的情况下可工作 1 个月。相互之间无线连接，同时各节点附瓦斯浓度和温度传感器，监测该点环境参数。静态节点的分布可根据矿井实际需求布置，在单个巷道中节点数量可达到 255 个。信号传输速率为 250Kbps，调制频率为 2.4GHz，信号传输半径为 50 米。静态节点网络主要功能：1) 静态节点网络实现自组织、自愈功能。即新节点加入网络，由网络分配新节点的唯一地址；网络中某一节点意外损坏或者电量不足，网络能够寻找新的传输路线，保证网络通讯的畅通。2) 每个静态节点不仅采集环境参数信息，而且作为中继节点，上传下级网络节点的监测数据。3) 静态节点为跟踪矿工位置信息充当信标，为提高定位精度，根据区域环境负责修正矿工的坐标。4) 当采集到的参数异常时，如瓦斯浓度超限，异常区域的节点则发出报警信息。

矿帽节点安装在矿帽上，由电源管理模块、处理器控制模块、瓦斯和温度采集传感器模块、无线传输模块、导航模块、声光预警模块、身体检测模块组成。瓦斯和温度采集传感器模块的输出连接处理器控制模块的输入端，处理器控制模块和无线传输模块、导航模块、身体检测模块双向连接，声光预警模块连接到处理器控制模块，电源负责给各个部分进行供电。矿帽节点的导航模块和静态节点的导航模块，用过传感网络传到控制终端，通过控制终端程序分析出最佳的行动路线对矿工、移动追踪节点进行导航，身体检测模块包括心电监护传感器节点，通过人体导联输入、放大电路、滤波网络、模数变换器、微控制器、无线收发电路几个部分构成。主要是实时采集患者的三导联心电信号，由于人体体表的心电信号非常微弱，一般只有0.01-5mV，频谱为0.05-100Hz，频谱能量主要集中在0.25-35Hz，加上来自人体外部事物和内部器官的干扰，就会容易使人体心电信号发生改变。这些叠加在心电信号中的干扰主要有工频干扰、基线漂移、电极接触噪声、被测生理变量以外的人体电现象所引起的噪声和其他电子设备的机器噪声等。根据心电信号所具有的微弱、低频、高阻抗和随机性等特点，在矿井内移动，动态寻找附近静态节点，并接入无线传感网络，通过网络将环境参数和位置信息实时上传到后台计算机。矿帽节点主要功能：1) 实时采集当前节点范围内的环境参数信息；2) 选择宿主静态节点：移动节点根据接收静态节点的信号能量，选择宿主静态节点，确定移动节点和静态节点通信信道。3) 移动节点组网：在从属同一信道的移动节点内，确定主节点和从节点，从节点将采集的数据发送到主节点，主节点负责和静态节点网络通信。

移动追踪节点由电源、处理器控制模块、无线传输模块、视频感知模块、移动模块，无线传输模块和处理器控制模块双向连接，视频感知模块、移动模块和处理器模块连接，电源给各个模块供电，移动追踪节点主用突发情况，或者探索新的矿井情况，移动追踪节点需要借助静态节点的感知和导航功能，移动节点在静态节点的帮助下，移动节点朝着最有利于捕获的方向移动以接近目标，完成任务。移动追踪节可以根据需要增删模块，特殊情况下可以采用市场上小型机器人，移动追踪节点收到追逐请求后，经过可能的任务分配，按照目标的位置和运动模式信息，寻求最佳追逐方案，对于静态目标，我们假设移动传感节点能够以恒定的速率V移动，移动方向由系统计算而定，对于移动节点采用坐标定位，移动节点选择周围的静态节点为参考目标，根据该静态节点以及目标T的位置信息，计算移动节点的追捕策略。在如图3中，移动节点M以静态节点S为参考系，根据目标的估计位置以及静态节点的位置计算了偏离基准节点S方向移动的最佳角度

其中d_SM、d_MT、d_TS分别是S至M、至T和T至S的距离。

Claims

1.一种基于混合传感网络的矿井监测系统，包括井上监控模块、井下数据采集传输模块和网络传输模块组成，其特征在于：井上监控模块和井下数据采集传输模块通过混合传感网络传输模块连接，所述的混合传感网络是由移动节点和静态节点组成的传感网络。

2.权利要求1所述的矿井监控系统，其特征在于：所述井上监控模块包括服务器、监控终端、移动监控单元，服务器、监控终端、移动监控单元依次双向连接。

3.权利要求1所述的矿井监控系统，其特征在于：所述传输网络模块由网络节点串口、以太网交换机、无线网络和光纤网络构成。

4.权利要求1所述的矿井监控系统，其特征在于：所述井下数据采集传输模块由无线传感网络节点组成。

5.权利要求4所述的矿井监控系统，其特征在于：所述无线传感网络节点包括移动节点和静态节点，所述移动节点包括移动矿帽节点和移动追踪节点，静态节点固定在巷道内，移动节点安装在矿帽上。

6.权利要求5所述的矿井监控系统，其特征在于：所述静态节点由电源、处理器控制模块、瓦斯和温度采集传感器模块、无线传输模块和声光预警模块组成；瓦斯和温度采集传感器模块的输出连接处理器控制模块的输入端，处理器控制模块的输出分别连接无线传输模块和声光预警模块的输入端。

7.权利要求5所述的矿井监控系统，其特征在于：所述移动矿帽节点由电源、处理器控制模块、瓦斯和温度采集传感器模块、无线传输模块、导航模块、声光预警模块、身体检测模块组成,瓦斯和温度采集传感器模块的输出连接处理器控制模块的输入端，处理器控制模块和无线传输模块、导航模块、身体检测模块双向连接，声光预警模块连接到处理器控制模块，电源负责给各个部分进行供电。

8.权利要求5所述的矿井监控系统，其特征在于：所述移动追踪节点由电源、处理器控制模块、无线传输模块、视频感知模块、移动模块，无线传输模块和处理器控制模块双向连接，视频感知模块、移动模块和处理器模块连接，电源给各个模块供电。