CN103512600A

CN103512600A - 一种多功能安全监控装置

Info

Publication number: CN103512600A
Application number: CN201310489310.XA
Authority: CN
Inventors: 黄�俊; 吴福海; 冷芋均; 朱江龙
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing Xinke Communication Engineering Co.,Ltd.
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: CN103512600B

Abstract

本发明公开了一种多功能安全监控装置，涉及物联网通信技术中的煤矿安全领域。本发明结合SAW RFID技术的特点及优势，与传统的基于电子标签的RFID系统相比，它可以快速精确地读取被测物体的ID信息和温度等信息，并且能在高温差、高湿度、强电磁干扰的环境下正常工作。多功能SAW标签由6个不同中心频率、压电基片、敏感薄膜的小标签组成，信号收发模块采用轮询方式，依次循环地与每个小标签进行通信，在很短时间内同时对ID、温度、压力、加速度、气体浓度、湿度6种参量进行实时动态监测，并在达到一定的危险值时，发出警告信号。真正地实现井下矿工人员定位、设备及工作环境多功能监测，为煤矿安全生产提供了更可靠的保障。

Description

一种多功能安全监控装置

技术领域

本发明涉及物联网通信技术中的煤矿安全领域，尤其涉及一种人员定位和环境、设备监测方法，适用于煤矿安全综合监管系统。

背景技术

随着国家经济的发展，煤炭的需求量也在逐年递增。在煤炭工业为我国经济发展做出巨大贡献的同时，频繁发生的矿难事故也严重威胁到矿工的生命，据统计2012年煤矿的百万吨死亡率为0.374，造成了极大的经济损失和恶劣的社会影响。

目前我国煤矿的“六大系统”基本建设完毕，但在实际应用过程中，各系统之间都还是相互独立运行，数据无法共享，煤矿安全监管依然处于低水平、单一化的现状，存在许多不足。针对煤矿领域的现状及问题，已经有人提出了基于RFID的煤矿井下人员定位系统（LI Zi,JIANG Hui Qiang；“A Kind ofPerson Position System in Coal Mine Based on RFID”，MICROPROCESS0RS,NO.3,JUNE2012），该系统利用RFID技术对电子标签进行识别，实现对井下矿工的定位和考勤管理，但无法对设备信息及工作环境实时监测，且电子标签的使用受到周围环境的限制。为了解决这个问题，本发明提出了一种多功能安全监控装置，对人员定位、环境参数（瓦斯浓度、湿度、温度等）、设备指标（压力、温度、加速度等）等矿井安全数据进行动态实时监管，实现常年有序、真实有效、信息网络化的综合管理管控。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种对井下矿工定位，实时监测多种环境参数、煤矿设备的工作指标，并对这些安全数据进行传输、显示及报警等处理多功能安全监控装置。本发明的技术方案如下：

一种多功能安全监控装置，其特征在于包括：多功能表面声波传感器SAW标签、信号发送/接受模块、信号处理模块、电源时钟模块、显示模块、报警模块、外设接口模块及上位机；其中

所述多功能表面声波传感器SAW标签包括单通道表面声波传感器SAW及双通道表面声波传感器SAW；所述单通道表面声波传感器SAW包括天线、叉指换能器、压电基片及反射栅，当天线接收到信号发送/接受模块发送来的询问信号时，叉指换能器产生声表面波，所述压电基片使声表面波发生频偏，反射栅将发生频偏的声表面波反射回波信号给信号处理模块进行解码；

所述双通道表面声波传感器SAW包括天线、叉指换能器、选择性敏感薄膜、压电基片、反射栅、方向耦合器及混频器，当天线接收到信号发送/接受模块发送来的询问信号时，叉指换能器产生声表面波，所述压电基片使声表面波发生频偏，选择性敏感薄膜对频偏值进行测量，并经过方向耦合器、混频器的补偿，反射栅将发生频偏的声表面波反射回波信号给信号处理模块进行解码；

所述电源时钟模块分别与信号发送/接受模块、信号处理模块相连接并供电；

所述信号处理模块将解码后的信息通过显示模块显示，当超过设定值时则通过报警模块报警；

所述信号处理模块通过外设接口模块与上位机相连接。

进一步的，所述双通道表面声波传感器SAW还具有低通滤波器LPF，所述低通滤波器LPF与混频器相连接对补偿后的回波信号进行滤波处理再发送给信号处理模块。

进一步的，所述多功能表面声波传感器SAW标签包括4个单通道表面声波传感器SAW及2个双通道表面声波传感器SAW，其中4个单通道表面声波传感器SAW之间设置有隔离带，2个双通道表面声波传感器SAW也设置有隔离带。

进一步的，所述单通道表面声波传感器SAW包括ID标签、温度标签、压力标签、加速度标签；所述双通道表面声波传感器SAW包括气体浓度标签、湿度标签。

进一步的，所述信号发送/接受模块采用轮询方式对多功能表面声波传感器SAW标签进行通信，

进一步的，所述信号处理模块的接口还设置有外扩存储模块。

进一步的，所述信号处理模块采用DSP处理器对多功能表面声波传感器SAW标签反射回的回波信号进行处理，并采用FFT算法计算出频偏△f。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明主要由多功能SAW标签、信号发送/接受模块、信号处理模块，以及电源时钟，显示报警等功能模块。多功能SAW标签内部由6个不同中心频率的小标签组成，分别有单独的天线与信号收发模块进行通信，实现了ID识别，气体浓度、温度、湿度、压力和加速度的实时监管，应用了频分多址技术，同一时刻只有一个小标签在工作，互不影响。

附图说明

图1是本发明优选实施例涉及的SAW传感器的基本结构图。

图2为本发明优选实施例改进后的双通道SAW传感器的基本结构图。

图3为本发明优选实施例多功能安全监控装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，传统的SAW传感器由天线、叉指换能器、压电基片、反射栅组成，天线接受到信号收发模块发射的询问信号后，叉指换能器产生声表面波，当被测物体的温度、压力等发生变化时，声表面波发生频偏，根据频偏值可以计算出温度、压力等的变化值。反射栅按某种特定规律设计，反射回来回波信号携带有该物体的特定编码，信号处理模块再进行解码处理，达到自动识别的目的。本发明中以不同物理成分的压电单晶作为压电基片，使其分别只对温度、压力等敏感，构成不同功能的小标签，到达测量温度、压力及加速度的目的。

改进后的双通道SAW传感器的基本结构图如图2所示。在双通道SAW传感器结构中，一个通道的SAW传播路径被选择性敏感薄膜覆盖用于测量，另一通道未覆盖薄膜而用于参考。两个振荡率经差频输出，从而得到了对环境因素补偿后的频移响应。本发明中分别使用了对气体浓度（瓦斯）、湿度敏感的敏感薄膜，构成测试气体浓度、湿度的小标签，到达测量气体浓度及湿度的目的。

如图3所示，多功能SAW标签根据测试量的区别可分为6个小模块，记为小标签1、2、3、4、5、6，分别用来监测ID、温度、压力、加速度、气体浓度、湿度，中心频率分别设定为910、912、914、915、917、918MHz。每个小标签之间是隔离带，使其互不影响。小标签5、6采用图2所示的双通道结构，小标签5用的是对某种气体敏感薄膜，小标签6用的是对湿度敏感薄膜。其他4个小标签采用图1所示的基本结构，用石英等压电单晶作为压电基片，由于每种压电单晶的结构成分有所差别，使其分别对温度、压力、加速度等物理参量敏感。信号发射模块每隔50ms就向多功能SAW标签放送一定频率的射频信号。在t=0ms时刻发送910MHz的射频询问信号，多功能标签在可识别的范围（约5～10m）内时，有且只有小标签1（中心频率和射频信号频率相同）可以通过天线接受到该询问信号，接受模块再从多功能标签返回的回波信号中解码出ID信息，每个人员携带的标签中的ID都不一样，从而通过ID识别达到了人员定位的目的。接着在t=50ms时刻发送912MHz的询问信号，同理只有小标签2能识别到该询问信号，当被测物体的温度发生变化时，声表面波发生频偏，信号处理模块从回波信号中通过基于FFT算法计算频偏值，根据扰动理论，表面扰动对声表面波的传播速度产生影响，得到波速或与波速相关的物理量（相位、频率等）的改变量，就可以得知被测物体的改变量，可表示为△t(△p,...,△a)=λ·△f（λ中所有的变量都是已知确定值和可测变量），所以根据频偏值就可算出温度变化值。同理可知，在t=100、t=150ms、t=200ms、t=250ms、t=300ms时刻，小标签3、4、5、6分别接收到发射模块发送过来的与各自中心频率相等的询问信号，根据频偏值可以得到压力、加速度、气体浓度、湿度的变化值，需要指出的是小标签5、6的回波信号就是频偏值，信号处理模块不需要利用FFT算法来计算频偏。因此，在300ms内信号收发模块完成了一次与多功能SAW标签的通信，对ID、温度、压力、加速度、气体浓度、湿度进行实时监测。在下个300ms内重复了之前的工作过程，采用轮询方式，依次循环地与每个小标签进行通信。这样，每隔300ms对小标签1（2、....、6）进行了一次询问，动态更新了ID（温度、...、湿度），由于时间非常短，看起来就像同时对各个小标签进行询问，实时动态地监测了ID、温度等。信号处理模块主要控制信号收发模块进行完成射频信号的发送，以及对接收的回波信号进行数据转换、解码、传送等处理。显示模块实时动态地显示ID、温度、压力、加速度、气体浓度、湿度6种监测值。通过串口、网口等外设接口模块，实时把数据上传到上位机，同时上位机也可以对信号处理模块进行相关的控制，当温度、气体浓度等被测环境变量达到一定的危险值时，发出警告信号。电源/时钟模块为信号收发和处理两大模块提供稳定电源和工作时钟。外扩存储模块扩展了程序和数据存储空间，缓解了信号处理模块的压力，保证系统的稳定性。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明多功能安全监控装置权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种多功能安全监控装置，其特征在于包括：多功能表面声波传感器SAW标签(1)、信号发送/接受模块(2)、信号处理模块(3)、电源时钟模块(4)、显示模块(5)、报警模块(6)、外设接口模块(7)及上位机(8)；其中

所述多功能表面声波传感器SAW标签(1)包括单通道表面声波传感器SAW(1-1)及双通道表面声波传感器SAW(1-2)；所述单通道表面声波传感器SAW(1-1)包括天线、叉指换能器、压电基片及反射栅，当天线接收到信号发送/接受模块(2)发送来的询问信号时，叉指换能器产生声表面波，所述压电基片使声表面波发生频偏，反射栅将发生频偏的声表面波反射回波信号给信号处理模块(3)进行解码；

所述双通道表面声波传感器SAW(1-2)包括天线、叉指换能器、选择性敏感薄膜、压电基片、反射栅、方向耦合器及混频器，当天线接收到信号发送/接受模块(2)发送来的询问信号时，叉指换能器产生声表面波，所述压电基片使声表面波发生频偏，选择性敏感薄膜对频偏值进行测量，并经过方向耦合器、混频器的补偿，反射栅将发生频偏的声表面波反射回波信号给信号处理模块(3)进行解码；

所述电源时钟模块(4)分别与信号发送/接受模块(2)、信号处理模块(3)相连接并供电；

所述信号处理模块(3)将解码后的信息通过显示模块(5)显示，当超过设定值时则通过报警模块报警(6)；

所述信号处理模块(3)通过外设接口模块(7)与上位机(8)相连接。

2.根据权利要求1所述的多功能安全监控装置，其特征在于：所述双通道表面声波传感器SAW(1-2)还具有低通滤波器LPF，所述低通滤波器LPF与混频器相连接对补偿后的回波信号进行滤波处理再发送给信号处理模块(3)。

3.根据权利要求1所述的多功能安全监控装置，其特征在于：所述多功能表面声波传感器SAW标签(1)包括4个单通道表面声波传感器SAW(1-1)及2个双通道表面声波传感器SAW(1-2)，其中4个单通道表面声波传感器SAW(1-1)之间设置有隔离带，2个双通道表面声波传感器SAW(1-2)也设置有隔离带。

4.根据权利要求1所述的多功能安全监控装置，其特征在于：所述单通道表面声波传感器SAW(1-1)包括ID标签、温度标签、压力标签、加速度标签；所述双通道表面声波传感器SAW(1-2)包括气体浓度标签、湿度标签。

5.根据权利要求1或4所述的多功能安全监控装置，其特征在于：所述信号发送/接受模块(2)采用轮询方式对多功能表面声波传感器SAW标签(1)进行通信。

6.根据权利要求1所述的多功能安全监控装置，其特征在于：所述信号处理模块(3)的接口还设置有外扩存储模块。

7.根据权利要求1所述的多功能安全监控装置，其特征在于：所述信号处理模块(3)采用DSP处理器对多功能表面声波传感器SAW标签(1)反射回的回波信号进行处理，并采用FFT算法计算出频偏△f。