CN105070015A - 一种煤田火区参数动态监测的无线传感器装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种煤田火区参数动态监测的无线传感器装置及方法，属于大面积煤田火区监测的无线传感系统。它由煤田中的参数采集、无线传输节点和终端信号接收站构成。参数采集、无线传输节点由各类传感器、信号线性放大后顺序连接的A/D转换器、单片机、红外热成像监控系统和无线收发模块构成；信号接收站由无线收发模块、单片机和主机服务器构成；整套系统可对煤田区域中温度、CO、CO2参数连续监测，并将各种参数实时传送给信号接收站。通过信号接收站将接收的信号存入数据库并在服务器可视化界面上显示，服务器操作软件对煤田火区采集参数进行分析处理，有效地对煤田自燃趋势进行跟踪预报、预警、回查等，并及时采取措施防止煤田火灾发生及扩大。
Description
技术领域
本发明涉及的一种火区参数监测的无线传感器装置及方法，特点是一种煤田火区参数动态监测的无线传感器装置及方法。
适用于大面积煤田火区自燃状态的无线监测预警。通过对煤田火区自燃参数的动态无线监测实现对煤田煤炭自燃趋势的跟踪预报以及回查，并及时采取措施防止煤田火灾发生及扩大。
背景技术
煤田火灾是全球性的灾难，严重威胁着人类健康、自然环境和煤矿安全生产，造成巨大的资源损失和环境污染。许多国家和地区的煤田普遍存在着火现象，我国煤炭产量和消费量均居世界第一，占国内一次能源生产和消费的绝对比重，我国西北地区煤炭储量达3009亿吨，占全国总量的37％左右。而西部煤田绝大多数为特厚易燃煤层，自燃火灾尤其严重。在中国，1/2以上的煤层属易自燃煤层，其中处于西部干旱、半干旱地区的新疆、宁夏、内蒙古等省区的侏罗纪煤层自燃现象尤为严重，涉及80余个煤田。造成了大量的环境和生态问题，必须采取相关技术措施遏制煤田火灾的继续蔓延。
温度是判断煤田火灾的燃烧程度和范围最直接、最准确的指标，受外部因素影响小，只要确定某处煤层的温度场及其分布，就能分析给定煤层的自燃程度和范围。温度测定法既可以用于煤层自燃预报，也可用于火源探测。传统煤层温度(辐射能量)检测法主要包括、光纤测温法、煤或围岩温度测定法和无线传感器网络测温法三种方法：(1)光纤测温法：国外对分布式光纤测温技术的研究始于80年代，主要集中在英国、日本和美国。英国York公司是世界上首家开发光纤分布式测温系统并使之商品化的公司，已有20多年的历史。美国SENSORTRAN公司、韩国SHINKWANG公司最近几年也陆续推出不同类型的产品，但其测量距离和测量时间和精度都有缺陷，都还没有走国际化的道路。国内分布式光纤测温技术研究起步比较晚，目前，30km分布式光纤远程测温系统项目正在国家实验室进行，10km分布式光纤远程测温系统项目完成实验室阶段，尚未正式试用。光纤温度监测系统是通过埋入的光纤温度传感器来实时测量内部的温度，埋入式光纤温度传感器通过内部敏感元件——光纤所反射的光信号中心波长移动量来检测温度值，测温精度和分辨率不受光源波动及传输线路弯曲损耗的影响。系统由单模光纤制成的本征型传感器件，光纤温度传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、重量轻、尺寸小、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强及在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。在英国，一些煤矿已经用光纤测温技术来探测和监测煤矿井下各种活动引起的热量变化趋势以及局部温度，取得了满意的效果。因此，光纤测温技术有较好的发展前景，但它仅适合外因火灾的测温。(2)煤或围岩温度测定法：该方法是利用测温传感器与相关仪表相结合测取煤或围岩温度的温度测定法。温度测定法根据测定位置的不同分为地面温度测定法和井下温度测定法。①地面温度测定法：在自燃火区的上部利用仪器探测热流量或利用布置在测温钻孔内的传感器测定温度，根据测取的温度用温度反演法来确定自燃火区火源的位置。这种方法常用于火源埋藏深度浅、温度高，已燃烧较长时间的火区。波兰、俄罗斯曾应用此法探测煤层露头的自燃火区范围，探测深度在30m～50m。②井下温度测定法：是把测温传感器预埋或通过钻孔布置在易自燃发火区域(采空区和煤层内)，根据传感器的温度变化来确定高温点的位置、发展变化速度，这种方法受外界干扰小、测定准确，煤层温度场的温度只要升高，传感器位置合适，就能有效探测，这是目前井下比较准确的探测方法。尽管煤或围岩温度测定法测定准确、可靠，弥补了上述几种探测方法的不足，但由于温度传感器的布置和测温钻孔的工作量大，并且是点接触，预测预报范围小，安装、维护工作量也大，特别是探头、引线极易破坏，在实际应用中受到技术条件和经济因素的限制，不宜大面积探火采用。(3)无线传感器网络测温法：无线自组网络技术与温度传感器的结合，是近几年来一个新的发展趋势，也是近年来逐步发展起来的检测煤田自然发火的新技术。改变了传统温度传感器系统的拓扑结构，适应更多温度测量的应用场合。随着技术的逐步发展，无线通信技术的优势逐渐显现出来，它可以在现场灵活应用，零安装铺设费用，以及更高的安全性和可靠性。因此，温度传感器无线传输方式的使用必将成为首选的方案。随着工业环境中对温度的要求越来越高，传统的温度监控系统的弊端越来越明显，已经不能适应人们生产生活的需要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，提供一种监测简单、迅速、精确且使用效果好的煤田火区参数动态监测的无线传感器装置及方法。对煤田煤炭自燃趋势进行跟踪预报、预警、回查等，效地防止和控制煤田火灾。
实现本发明目的的一种煤田火区参数动态监测的无线传感器装置及方法，适用于煤田区域CO和CO2参数点测定以及温度参数区域全面覆盖测定。
无线传感器装置由均匀分布在煤田中的参数节点和监控终端的信号接收站构成；所述的参数节点具有参数采集、信息预处理、信号传输的功能；
其中：所述的参数节点由各类传感器、A/D转换器、单片机I、红外热成像监控系统和无线收发模块构成；传感器与A/D转换器连接，A/D转换器将传感器信号进行线性放大，放大后的信号与发送单片机的输入端连接，发送单片机的输出端与收发模块连接；
所述的信号接收站由无线收发模块、单片机II和主机服务器构成；无线收发模块、单片机II和主机顺序连接。
所述的传感器为CO浓度传感器和CO2浓度传感。
所述的红外热成像监测系统的红外热像仪采用FO3远距离双视自动巡航红外热像仪。
煤田火区参数无线监测方法：
a、先对煤田范围、大小进行分析，按照1000m×1000m标准均匀划分煤田区域；每个小煤田区域地理中心处设置为一个参数节点(1)，在每个参数节点处配置一组CO、CO2传感器和一套红外热成像监测系统；多个参数节点组合构成参数采集、无线传输系统；每个节点处都相应的配置有太阳能电池用于给整个参数采集、发射系统供电；
b、煤田火区参数无线监测系统中CO和CO2作为辅助监测参数只要求能完成煤田区域中心点监测，因而在设置过程中，将CO、CO2传感器预埋在每个煤田区域地理中心位置处，各传感器间间距为2m，并配置冗余；
c、煤田火区参数无线监控系统中要求单个煤田区域内温度能达到全面覆盖监测；综合考虑FO3红外热像仪垂直摆动角度可达到-45°～+45°以及红外热像仪设置的高度能使其不受绝大部分障碍物影响；因而在设置过程中，用不锈钢拼接的中空柱子将红外热像仪设置在15m高处；
d、由于大煤田区域煤自燃极易发生，因而在设置过程中，煤田区域内参数节点各个设备设置为连续工作状态；CO和CO2传感器将采集的数据实时传输给单片机I，发送单片机将数据加上地址信号通过收发模块将信号传送给固定式接收站；
e、每个红外热像仪设置在高处，设置为由上至下对一个半径1000m大范围圆形区域进行温度监测；
f、固定式接收站对接收到的信号进行地址判断、数据处理，将接收的信号存入数据库并在服务器可视化界面上显示，服务器操作软件对煤田火区采集参数进行分析处理，有效地对煤田煤炭自燃趋势进行跟踪预报、预警、回查等。
g、正常工作状态下各个参数节点一直处于接收和发送双工状态，通过信息路由和接力的方式组合无线传感器网络，从而实现信号远距离传送，实现煤田火区参数的连续无线监测。
温度监测通过以下步骤实现：
①预先在红外热成像监测系统的主机中将圆形区域划分为40个分域并给每个分域定义相应的坐标信息；
②红外热像仪将监测的红外热像图传输给红外热成像监测系统(5)的主机进行处理，通过代码编写设置主机能自动判别并选定每个分域的最高温度值；主机将带有坐标信息的每个分域相对应的最高温度值转化为数字信号再传输给单片机I；
③单片机I将数据简单处理并加上参数节点相对应的地址信息通过各参数节点信息路由和接力的方式，最终将监测信号传送给监测终端的接收站。
有益效果：由于采用了上述方案，通过设在煤田中的参数节点以及监控终端的信号接收站共同工作，可以实现对大煤田区域内CO、CO2参数的实时点监测以及温度参数的实时全面覆盖监测。还可以通过固定式接收站对接收到的信号进行地址判断、数据处理，将接收的信号存入数据库并在服务器可视化界面上显示，服务器操作软件对煤田火区采集参数进行分析处理，有效地对煤田煤炭自燃趋势进行跟踪预报、预警、回查等。该监测方法与现有监测方法相比通信方式更简单，可靠性更高，对煤田煤炭自燃的预报更加及时、准确。该系统的太阳能供电功能使得系统续航能力极佳，因而综合比较下该系统具有极大的实用价值。
附图说明
图1是本发明的参数采集、发射节点位置布置示意图。
图2是本发明的参数采集、发射节点构成框图。
图3是本发明的固定式信号接收站构成框图。
图4是红外热成像监控系统主机内圆形区域划分原理图。
图5是本发明参数采集、发射节点间通信方式示意图。
图6是本发明参数采集、发射节点各装置布置示意图。
其中：1、参数节点；2、信号接收站；3、CO2浓度传感器；4、CO浓度传感器；5、红外热成像测温监控系统；6、A/D转化器；7、单片机I；8、收发模块；9、单片机II；10、主机服务器；11、控制柜；12、太阳能电池；13、中空钢丝；14、红外热像仪；15、红外热像仪监测区域。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述。
图1所示，一种煤田火区参数动态监测的无线传感器装置及方法，由均匀分布在煤田中的参数节点(1)和监控终端的信号接收站(2)构成；所述的参数节点(1)具有参数采集、信息预处理、信号传输的功能。
其中：所述的参数节点(1)由各类传感器、A/D转换器(6)、单片机I(7)、红外热成像监控系统(5)和无线收发模块(8)构成；传感器与A/D转换器连接，A/D转换器将传感器信号进行线性放大，放大后的信号与发送单片机的输入端连接，发送单片机的输出端与收发模块连接；
所述的信号接收站(2)由无线收发模块(8)、单片机II(9)和主机服务器(10)构成；无线收发模块(8)、单片机II(9)和主机(10)顺序连接。
所述的传感器为CO浓度传感器和CO2浓度传感。
所述的红外热成像监测系统(5)的红外热像仪采用FO3远距离双视自动巡航红外热像仪。
煤田火区参数无线监测方法：
a、先对煤田范围、大小进行分析，按照1000m×1000m标准均匀划分煤田区域。每个小煤田区域地理中心处设置为一个参数采集、发射节点，在每个参数采集、发射节点处配置一组CO、CO2传感器和一套红外热成像监测系统(5)。每个节点处都相应的配置有太阳能电池(12)用以给整个参数采集、发射系统供电；
b、煤田火区参数无线监测系统中CO和CO2作为辅助监测参数只要求能完成煤田区域中心点监测，因而在设置过程中，将CO、CO2传感器预埋在每个煤田区域地理中心位置处，各传感器间间距为2m，并配置冗余；
c、煤田火区参数无线监控系统中要求单个煤田区域内温度能达到全面覆盖监测。综合考虑FO3红外热像仪(14)垂直摆动角度可达到-45°～+45°以及红外热像仪设置的高度能使其不受绝大部分障碍物影响。因而在设置过程中，我们用不锈钢拼接的中空柱子将红外热像仪设置在15m高处；
d、由于大煤田区域煤自燃极易发生，因而在设置过程中，煤田区域内参数采集、发送节点各个设备设置为连续工作状态。CO和CO2传感器将采集的数据实时传输给单片机I(7)，单片机将数据加上地址信号通过收发模块(8)将信号传送给固定式接收站(2)；
e、每个红外热像仪设置在高处，设置为由上至下对一个半径1000m大范围圆形区域进行温度监测；温度监测通过以下步骤实现：
①我们预先在红外热成像监测系统(5)的主机中将圆形区域划分为40个分域并给每个分域定义相应的坐标信息如图4所示。
②红外热像仪(15)将监测的红外热像图传输给红外热成像监测系统(5)的主机进行处理，通过代码编写设置主机能自动判别并选定每个分域的最高温度值。主机将带有坐标信息的每个分域相对应的最高温度值转化为数字信号再传输给单片机I(7)。
③单片机I(7)将数据简单处理并加上参数采集、发射节点相对应的地址信息通过收发模块(8)，各参数节点(1)通信息路由和接力的方式，最终将信号传送给固定式接收站(2)；
f、固定式接收站(2)对接收到的信号进行地址判断、数据处理，将接收的信号存入数据库并在服务器可视化界面上显示，服务器操作软件对煤田火区采集参数进行分析处理，有效地对煤田煤炭自燃趋势进行跟踪预报、预警、回查。
g、正常工作状态下各个参数采集、发射节点(1)一直处于接收和发送双工状态，实现信号远距离传送和煤田火区参数的连续无线监测。
图2所示，本发明CO2传感器(3)和CO传感器(4)采用电阻式传感器，通过恒流源输出一个线性小电压值，由线性仪表放大器对小电压信号进行线性放大，再通过A/D转换器(6)将转化好的数字信号传递给单片机I(7)，单片机I(7)简单处理数据并加上参数采集、发送节点所对应的地理位置信息(即地址信息)，并与无线收发模块(8)通信，无线收发模块(8)将数据打包调制，单片机I(7)控制其发送或接收模式转换。
图2所示，红外热像仪采用采用FO3远距离双视自动巡航红外热像仪。我们预先在红外热成像监测系统(5)的主机中将圆形区域划分为40个分域并给每个分域定义相应的坐标信息；红外热像仪(15)将监测的红外热像图传输给红外热成像监测系统(5)的主机进行处理，通过代码编写设置主机能自动判别并选定每个分域的最高温度值。主机将带有坐标信息的每个分域相对应的最高温度值转化为数字信号再传输给单片机I(7)；单片机I(7)将数据简单处理并加上参数采集、发送节点所对应的地理位置信息(即地址信息)，并与无线收发模块(8)通信，无线收发模块(8)将数据打包调制，单片机I(7)控制其发送或接收模式转换。；
图3所示，本发明的无线收发模块(8)收到数据包以后就要对数据包解调并将数据通过读写操作传递给单片机Ⅱ(9)，单片机Ⅱ(9)首先判断数据的地址字头，如果收到的数据是CO2浓度传感器(3)发送过来的数据，则程序就会进入到CO浓度数据处理子程序中，同时将处理好的数据以十进制含单位的数据在主机上显示，如果收到的数据是CO浓度传感器(4)发送过来的数据，则程序就会进入到CO浓度数据处理子程序中，同时将处理好的数据以十进制含单位的数据在主机上显示，如果收到的数据是红外热成像测温系统(5)发送过来的数据，则程序就会进入到温度数据处理子程序中，同时将处理好的数据以十进制含单位的数据在主机上显示。固定接收站的主机通过对信号进行分析处理，将接收的信号存入数据库并在服务器可视化界面上显示，服务器操作软件对煤田火区采集参数进行分析处理，有效地对煤田煤炭自燃趋势进行跟踪预报、预警、回查等。
所述的单片机I(7)的CPU采用MSP430系列微功耗控制器。
所述的单片机Ⅱ(9)的CPU采用LPC2138系列微功耗控制器。
所述的传感器为CO浓度传感器和CO2浓度传感。
所述的红外热成像监测系统(5)的红外热像仪采用FO3远距离双视自动巡航红外热像仪。
Claims (6)
1.一种煤田火区参数动态监测的无线传感器装置，其特征在于：无线传感器装置由均匀分布在煤田中的参数节点(1)和监控终端的信号接收站(2)构成；所述的参数节点(1)具有参数采集、信息预处理、信号传输的功能；
其中：所述的参数节点(1)由各类传感器、A/D转换器(6)、单片机I(7)、红外热成像监控系统(5)和无线收发模块(8)构成；传感器与A/D转换器连接，传感器信号进行线性放大后经A/D转换器，将转换后的数字信号与单片机I的输入端口连接，单片机I的输出端口与收发模块连接；
所述的信号接收站(2)由无线收发模块(8)、单片机II(9)和主机服务器(10)构成；无线收发模块(8)、接收单片机II(9)和主机服务器(10)顺序连接。
2.根据权利要求1所述的一种煤田火区参数动态监测的无线传感器装置，其特征在于：所述的传感器为CO浓度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种煤田火区参数动态监测的无线传感器装置，其特征在于：所述的传感器为CO2浓度传感。
4.根据权利要求1所述的一种煤田火区参数动态监测的无线传感器装置，其特征在于：所述的红外热成像监测系统(5)的红外热像仪采用FO3远距离双视自动巡航红外热像仪。
5.一种使用权利要求1所述煤田火区参数动态监测的无线传感器装置的监测方法，其特征在于：
a、先对煤田范围、大小进行分析，按照1000m×1000m标准均匀划分煤田区域；每个小煤田区域地理中心处设置为一个参数节点(1)，在每个参数节点处配置一组CO、CO2传感器和一套红外热成像监测系统(5)；多个参数节点组合构成参数采集、无线传输系统；每个节点处都相应的配置有太阳能电池(12)用于给整个参数采集、无线传输系统供电；
b、煤田火区参数无线监测系统中CO和CO2作为辅助监测参数只要求能完成煤田区域中心点监测，因而在设置过程中，将CO、CO2传感器预埋在每个煤田区域地理中心位置处，各传感器间间距为2m，并配置冗余；
c、煤田火区参数无线监控系统中要求单个煤田区域内温度能达到全面覆盖监测；综合考虑FO3红外热像仪(14)垂直摆动角度可达到-45°～+45°以及红外热像仪设置的高度能使其不受绝大部分障碍物影响；因而在设置过程中，用不锈钢拼接的中空柱子将红外热像仪设置在15m高处；
d、由于大煤田区域煤自燃极易发生，因而在设置过程中，煤田区域内参数节点各个设备预先设置为连续工作状态；CO和CO2传感器将采集的数据实时传输给单片机I(7)，单片机将数据加上地址信号通过收发模块(8)将信号通过接力的方式传送给信号接收站(2)；
e、每个红外热像仪设置在高处，设置为由上至下对一个半径1000m大范围圆形区域进行温度监测；
f、接收站(2)对接收到的信号进行地址判断、数据处理，将接收的信号存入数据库并在服务器可视化界面上显示，服务器操作软件对煤田火区采集参数进行分析处理，有效地对煤田煤炭自燃趋势进行跟踪预报、预警、回查；
g、正常工作状态下各个参数节点(1)一直处于接收和发送双工状态，通过信息路由和接力的方式组合无线传感器网络，从而实现信号远距离传送，实现煤田火区参数的连续无线监测。
6.根据权利要求5所述的一种使用煤田火区参数动态监测的无线传感器方法，其特征在于：温度监测通过以下步骤实现：
①预先在红外热成像监测系统(5)的主机中将圆形区域划分为40个分域并给每个分域定义相应的坐标信息；
②红外热像仪(15)将扫描覆盖区域监测的红外热像图传输给红外热成像监测系统(5)的主机进行处理，通过代码编写设置主机能自动判别并选定每个分域的最高温度值；主机将带有坐标信息的每个分域相对应的最高温度值转化为数字信号再传输给单片机I(7)；
③单片机I(7)将数据简单处理并加上参数节点相对应的地址信息通过各参数节点(1)信息路由和接力的方式，最终将监测信号传送给监测终端的接收站(2)。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |