CN105221187A - 基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，包括数据采集系统和数据显示与处理系统；数据采集系统包括若干设置在巷道横截面的数据采集模块，数据采集模块包括位于巷道横截面顶端的激光测距装置、驱动装置、供电装置、单片机及设于巷道横截面两侧的反光靶带，数据显示与处理系统包括上位机；上位机通过Zigbee网络与单片机互联；激光测距装置与驱动装置相连，驱动装置连接供电装置，激光测距装置内设有激光测距传感器，单片机分别连接激光测距传感器、驱动装置及供电装置；本发明有效地避免了测量靶点脱靶的情况，并能实现对巷道变形的不间断监测，利用ZigBee无线传输技术替代传统的有线电缆通信，极大程度地优化了监测系统。

Description

基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统

技术领域

本发明涉及矿井监测装置技术领域，具体涉及一种基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统。

背景技术

煤矿安全生产一直都是国家和社会大众关注的热点问题，在能源紧缺、国家快速发展的现状下，煤矿的安全生产问题更是成为我们关注的焦点。在巷道开挖过程中，由于改变了围岩的应力状态致使围岩变形，目前针对巷道表面变形量测量的基本方法是开挖岩体后在巷道的两帮和顶底板做标记点，井下监测系统通过测量标记点之间距离的变化，并将测量数据传输至地面监控中心，进一步计算出巷道两帮、顶底板的变形量和变形速率；传统的井下安全监测系统通常是采用有线的电缆通信将井下传感器采集到的数据传送至地面监控中心。

激光测距仪由于其测量精度高、测量范围广等特性，逐渐被应用于巷道表面变形量的测量，与其配合工作的测量点通常是在巷道的两帮和顶底板做标记点作为靶点，这种靶点在巷道变形后会出现脱靶的情况，导致测量不准确、降低测量工作效率，这种现象亟需改善。

另外，在长期的应用过程中，有线的数据采集与传输方式暴露出诸多弊端：首先，矿井生产环境复杂恶劣，井下的重机械在移动的过程中可能会损坏通信电缆，导致通信中断、数据传输不及时，达不到对井下运行情况实时监测的目的；其次，有线的电缆通信模式布线复杂，劳动强度大，安装和维护不方便；再者，由于井下很多位置布线困难，无法布置大量的有线监测节点，监测节点相对固定，存在监测盲区，造成有线通信在监测范围上受限；最后，有线通信的网络结构不灵活、扩展性较差，不利于通讯网络根据开采进展的灵活改变。

基于上述问题，需要提供一种新的通信模式来替代传统的有线电缆通信模式，近年来，物联网技术作为一种新兴技术，它的飞速发展为巷道安全监测提供了新的技术手段，在这其中，ZigBee技术以其低成本、低功耗、较低复杂程度、采集节点小巧灵活且易于组网的特性，成为巷道安全监测新的发展方向，更适应于井下各种环境的参数采集。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，有效地避免了测量靶点脱靶的情况，并能实现对巷道变形的不间断监测，利用ZigBee无线传输技术替代传统的有线电缆通信，极大程度地优化了监测系统。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，包括数据采集系统和数据显示与处理系统；所述数据采集系统包括若干设置在巷道横截面的数据采集模块，所述数据采集模块包括位于巷道横截面顶端的激光测距装置、驱动装置、供电装置、单片机及设于巷道横截面两侧的反光靶带，所述数据显示与处理系统包括上位机；所述上位机通过Zigbee网络与所述单片机互联，所述Zigbee网络包括由上位机控制的Zigbee单元及与单片机相连的Zigbee节点单元；所述激光测距装置与驱动装置相连，所述驱动装置连接供电装置，激光测距装置内设有激光测距传感器，所述单片机分别连接激光测距传感器、驱动装置及供电装置。

进一步的，所述Zigbee单元与所述上位机的usb接口相连。

进一步的，所述各数据采集模块沿巷道进深方向间距50-100米设置。

进一步的，所述各巷道横截面顶端的激光测距装置设有2个，所述激光测距装置对称安装在巷道顶端。

进一步的，所述由上位机控制的ZigBee单元设置为网关模式，所述ZigBee网关与ZigBee节点参数一致。

进一步的，所述驱动装置为步进电机，所述单片机上还设有电流放大芯片，所述步进电机通过电流放大芯片与单片机相连。

进一步的，所述供电装置为移动电源。

本发明还提供了一种基于激光测距传感器的巷道变形连续监测方法，包括以下步骤：

1)在巷道顶端对称安装2个激光测距装置，并将步进电机、移动电源及单片机对应连接，在巷道两侧对应设置反光靶带；

2)上电后，单片机串口等待初始化，步进电机带动激光测距装置转动至初始点，然后进入总循环,等待指令；

3)上位机通过ZigBee网络发送信号至单片机，单片机发送指令给步进电机，通过改变步进电机转动的角度改变测量点，进行5次测量，单片机接收激光测距传感器的测量数据，通过ZigBee无线传输系统将测量数据传输至上位机，上位机对测量数据进行显示、处理和保存，同时具备报警和历史数据查看等功能；

4)当5次测量全部完成后，激光测量装置进入休眠状态，步进电机带动激光测量装置回到初始点位置，以节省功耗，直至上位机再次发送指令，开始进行下一次测量任务，如此循环。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、通过在巷道两侧设置反光靶带替代传统的单个测量靶点，有效避免了由于巷道变形导致靶点易出现脱靶的情况，本发明可连续不脱靶地监测到巷道变形；

2、在完成一次测量任务后，激光测距装置进入休眠状态以节省功耗，直至上位机再次发送指令，开始进行下一次测量任务，可实现对巷道变形的24小时不间断监测；

3、本发明利用ZigBee网络将测量数据传输至上位机，其低成本、低功耗、较低复杂程度、采集节点小巧灵活且易于组网，避免了传统有线电缆传输的各项弊端，能够对井下巷道变形进行实时、可靠的监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明测量节点示意图。

图中：1、激光测距装置；2、反光靶带。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明提供了一种基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，包括数据采集系统和数据显示与处理系统；数据采集系统包括若干设置在巷道横截面的数据采集模块，数据采集模块包括位于巷道横截面顶端的激光测距装置1、驱动装置、供电装置、单片机及设于巷道横截面两侧的反光靶带2，数据显示与处理系统包括上位机；上位机通过Zigbee网络与单片机互联，Zigbee网络包括由上位机控制的Zigbee单元及与单片机相连的Zigbee节点单元，其中，Zigbee单元与上位机的usb接口相连，由上位机控制的ZigBee单元设置为网关模式，ZigBee网关与ZigBee节点参数一致。

激光测距装置1与驱动装置相连，驱动装置连接供电装置，激光测距装置1内设有激光测距传感器，单片机分别连接激光测距传感器、驱动装置及供电装置。

本实施例中，激光测距传感器选用LLMG8015P型传感器，相对于超声波测距传感器和红外线测距传感器，具备成本低、测量精度高、使用寿命长等优点，其工作过程如下：激光测距传感器对准反光靶带发射激光脉冲，经反光靶带反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上，记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

本实施例中，驱动装置采用步进电机，单片机上还设有电流放大芯片，步进电机通过电流放大芯片与单片机相连；供电装置采用移动电源，当移动电源电量耗尽时更换电池即可，此外，单片机设有限流保护程序对移动电源进行限流保护。

各数据采集模块沿巷道进深方向间距50-100米设置，各巷道横截面顶端的激光测距装置1设有2个，且对称安装在巷道的顶端。

本发明的基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统的监测方法，包括以下步骤：

1)在巷道顶端对称安装2个激光测距装置1，并将步进电机、移动电源及单片机对应连接，在巷道两侧设置反光靶带2；

2)上电后，单片机串口等待初始化，步进电机带动激光测距装置转动至初始点，然后进入总循环,等待指令；

3)上位机通过ZigBee网络发送信号至单片机，单片机发送指令给步进电机，通过改变步进电机转动的角度改变测量点，进行5次测量，单片机接收激光测距传感器的测量数据，通过ZigBee无线传输系统将测量数据传输至上位机，上位机对测量数据进行显示、处理和保存，同时具备报警和历史数据查看等功能；

4)当5次测量全部完成后，激光测距装置进入休眠状态，步进电机带动激光测量装置回到初始点位置，以节省功耗，直至上位机再次发送指令，开始进行下一次测量任务，如此循环。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，其特征在于：包括数据采集系统和数据显示与处理系统；所述数据采集系统包括若干设置在巷道横截面的数据采集模块，所述数据采集模块包括位于巷道横截面顶端的激光测距装置、驱动装置、供电装置、单片机及设于巷道横截面两侧的反光靶带，所述数据显示与处理系统包括上位机；所述上位机通过Zigbee网络与所述单片机互联，所述Zigbee网络包括由上位机控制的Zigbee单元及与单片机相连的Zigbee节点单元；所述激光测距装置与驱动装置相连，所述驱动装置连接供电装置，激光测距装置内设有激光测距传感器，所述单片机分别连接激光测距传感器、驱动装置及供电装置。

2.如权利要求1所述的基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，其特征在于：所述Zigbee单元与所述上位机的usb接口相连。

3.如权利要求1所述的基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，其特征在于：所述各数据采集模块沿巷道进深方向间距50-100米设置。

4.如权利要求1所述的基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，其特征在于：所述各巷道横截面顶端的激光测距装置设有2个，所述激光测距装置对称安装在巷道顶端。

5.如权利要求1所述的基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，其特征在于：所述由上位机控制的ZigBee单元设置为网关模式，所述ZigBee网关与ZigBee节点参数一致。

6.如权利要求1所述的基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，其特征在于：所述驱动装置为步进电机，所述单片机上还设有电流放大芯片，所述步进电机通过电流放大芯片与单片机相连。

7.如权利要求1所述的基于激光测距传感器的巷道变形连续监测系统，其特征在于：所述供电装置为移动电源。

8.一种基于激光测距传感器的巷道变形连续监测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在巷道顶端对称安装2个激光测距装置，并将步进电机、移动电源及单片机对应连接，在巷道两侧对应设置反光靶带；

2)上电后，单片机串口等待初始化，步进电机带动激光测距装置转动至初始点，然后进入总循环,等待指令；

3)上位机通过ZigBee网络发送信号至单片机，单片机发送指令给步进电机，通过改变步进电机转动的角度改变测量点，进行5次测量，单片机接收激光测距传感器的测量数据，通过ZigBee无线传输系统将测量数据传输至上位机，上位机对测量数据进行显示、处理和保存，同时具备报警和历史数据查看等功能；

4)当5次测量全部完成后，激光测距装置进入休眠状态，步进电机带动激光测量装置回到初始点位置，以节省功耗，直至上位机再次发送指令，开始进行下一次测量任务，如此循环。