CN106870007A - 矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，该系统包括多参数无线传感器节点和无线监测基站；多参数无线传感器节点中红外遥控模块、微型负压泵模块、485模块、声光报警模块均与第一单片机连接，传感器模块与第一单片机对接，第一单片机与第一无线自组网模块通信连接，第一无线自组网模块与无线监测基站连接，无线监测基站中第二无线自组网模块与第二单片机连接，触摸屏、数据存储模块、485模块和RJ45模块均与第二单片机连接，第二无线自组网模块与环网交换机通信连接，环网交换机通过通信光缆将传输信息上传到地面监控中心。该监测预警系统可有效早期预测和定位矿井煤自燃隐患，解决煤自燃给矿井生产带来的危害。

Description

矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统

技术领域

本发明涉及一种矿井安全监测监控系统，具体涉及一种矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统。

背景技术

我国的煤矿生产的现状为：矿井回采纵深发展，围岩应力大，综放遗煤多，漏风规律复杂多变，自燃危险性大；综放面采空区、密闭区、沿空侧易于形成较强的漏风，相邻区段遗留有大量松散煤体，极易氧化升温。回采形成的采空区逐渐连成一片，大范围采空区存在严重的冲击、瓦斯、有毒有害气体涌出和煤自然发火隐患。尤其是矿井部分采区生产结束并封闭后，大面积采空区对矿井安全生产的威胁越来越严重，采空区煤岩体破坏和瓦斯的非均匀释放，在通风供氧的条件下，引起采空区煤层自燃和可燃气体的大量释放，诱发采空区自燃或可燃气体爆炸灾害事故，严重威胁着矿工生命和财产的安全。采空区存在丢煤、漏风通道多，受采掘活动、大气压变化等因素影响，易出现“呼吸”漏风现象引起煤炭自然等事故。

目前我国的煤矿安全监测技术有很大的提高，但在煤火灾害感知方面，监测系统信息处理方面还存在不足，有限的数据资源“挖掘”分析程度不够，自燃危险程度判别和防控决策的信息量不足，不能及时发现煤自燃早期隐患，严重制约了煤火灾害监测预警技术的发展。现有的防灭火手段针对性不强，常规的灌浆、注氮等防灭火技术缺乏高效性与长效性，难以实现有效防控。因此，研究自燃危险区域无线监测预警技术，对煤自燃监测技术水平的提高具有实际应用价值。采空区遗煤自燃呈现动态变化特征，人工监测范围大、周期长、连续性又差，再加上测点多、距离远、环境复杂，监测困难，这使得对采空区的管理、监控非常困难，难以实现对有采空区灾害预测与预警，不能为及时有效的预防自燃灾害提供依据。

发明内容

为解决现有的检测技术难以对采空区实现有效的灾害预测和预警的问题，本发明提供了一种可有效早期预警和定位煤矿火灾隐患的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统。

本发明的技术方案如下：所提供的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统包括多个多参数无线传感器节点和多个无线监测基站；多参数无线传感器节点包括能量供应模块、传感器模块、信号调理电路、第一单片机、第一无线自组网模块、红外遥控模块、微型负压泵模块、485模块、声光报警模块和防爆外壳；微型负压泵模块为多参数无线传感器节点提供气体检测所需的样气，红外遥控模块用于多参数无线传感器节点的校准，能量供应模块为多参数无线传感器节点提供电源；红外遥控模块、微型负压泵模块、485模块、声光报警模块均与第一单片机通信连接，第一无线自组网模块包括无线通信模块；传感器模块通过信号调理电路与第一单片机的I/O口对接，第一单片机与第一无线自组网模块通信连接，第一无线自组网模块通过天线与无线监测基站连接；无线监测基站包括第二单片机、能量供应模块、数据存储模块、485模块、RJ45模块、第二无线自组网模块、触摸屏和防爆外壳；能量供应模块为无线监测基站提供电源，第二无线自组网模块通过天线与第一无线自组网模块通信连接，第二无线自组网模块与第二单片机连接，触摸屏、数据存储模块、485模块和RJ45模块均与第二单片机通信连接，第二单片机通过485模块或RJ45模块与隔爆兼本安型环网交换机通信连接，隔爆兼本安型环网交换机通过通信光缆将传输信息上传到地面监控中心。

上述技术方案中，为了使多参数无线传感器节点在煤矿井下恶劣环境下长期稳定可靠工作，多参数无线传感器节点的传感器模块可为内置式传感器，内置式传感器设置于气室内，气室设置有第一快速气动接头和第二快速气动接头，第一快速气动接头通过硅胶管与微型负压泵模块连接，第二快速气动接头通过硅胶管与粉尘过滤器连接，通过粉尘过滤器把气体排放到环境中。

上述传感器模块可包括有一氧化碳传感器、氧气传感器、甲烷传感器、压差传感器、温度传感器和湿度传感器。

相邻的多参数无线传感器节点之间的优选无线通信距离≤2000m。

进一步地，考虑无线监测系统的冗余性，相邻的多参数无线传感器节点之间的优选无线通信距离≤500m。

多参数无线传感器节点和无线监测基站之间的优选距离≤2000m。

进一步地，考虑无线监测系统的稳定性和可靠性，多参数无线传感器节点和无线监测基站之间的优选距离≤500m。

矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统在数据采集的过程中可采用动态调整一阶滤波系数算法，包括以下步骤：

1)传感器模块对变量进行三次采样，分别为第一次采样值X(n-2)，第二次采样值X(n-1)，第三次采样值X(n)，将采样值分别存储；

2)计算第二次采样值和第一次采样值的差值，计算第三次采样值和第二次采样值的差值，比较差值变化的方向是否一致，若差值同为正或同为负，则差值变化方向相同，若差值一正一负，则差值变化方向相反；

3)若差值变化方向相反，则将滤波计数器和滤波系数两个变量清零，输出当前滤波系数的值α；

4)若差值变化方向一致，将滤波计数器变量自加1；判断差值的绝对值是否大于设定阈值，若差值大于阈值，则将滤波计数器变量自加2，若差值小于阈值，则跳出判断；判断滤波计数器是否达到计数上限，若达到计数上限，则将滤波系数与系数增量进行求和，并将滤波计数器清零，若滤波计数器没有达到计数上限，则跳出循环；

5)输出当前滤波系数的值α；

6)利用一阶低通滤波，将滤波系数α带入到算法公式Y(n)＝αX(n)(1-α)Y(n-1)中,得到本次滤波输出值Y(n)，其中，α为滤波系数，Y(n-1)为上次滤波输出值。

优选地，矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统数据融合时可采用多传感器信息融合算法。

本发明的有益效果是：

1.该监测预警系统的应用可有效的早期预警和定位煤自燃隐患，解决煤火灾害给矿井安全生产带来的危害问题，确保矿井煤自燃防灭火工作的及时性和高效性。该系统通过获取有效的、精确的煤自燃特征信息，进行融合识别、态势评价和威胁估计，作为煤自燃诊断和预警的判据，达到正确识别、预警的目的，降低误报率和漏报率，实现采空区煤自燃特征信息动态监测和预警，为矿井采空区煤自燃火灾的隔离、封闭和控制提供重要决策依据。

2本发明采用集一氧化碳气体传感器、氧气传感器、甲烷气体传感器、压差传感器、温度传感器和湿度传感器于一体的多参数无线传感器节点，组网速度快，自组网跳数多，网络规模大，可实现对煤自燃危险区域的高密度网络化动态监测和隐患识别。采用模块化设计、缩短元器件间距离、电源线和地线与数据传递方向一致的方法，提高PCB板抗干扰性，并在靠近每个集成电路电源输入端接去耦电容，抑制电源的干扰。

3.本发明提出了煤自燃危险区域无线测点的布置方式，确定了多参数无线传感器节点布置的关键参数，优化了测点的布置方案，解决了大面积采空区工作面后部遗煤区域、沿空侧、密闭区动态监测预警的技术难题。针对井下采空区范围广泛、环境复杂等特点，该布置方式具有便于铺设、维护方便的优点，能在线连续监测煤自燃的变化趋势，当温度或某一气体浓度超出正常范围时，发出警报，对煤自燃信息异常变化及时预警和定位。

4.监测预警系统在数据融合时采用多传感器信息融合算法，融合不同位置的煤自燃多组分指标气体和温度信息，确定了煤自燃危险区域温度与各指标气体浓度的定量关系，使得传感器节点之间实现信息交互和故障自诊断，实现了传感器的智能化。

5.监测预警系统通过多参数无线传感器节点进行数据采集的过程中，采用动态调整一阶滤波系数的算法，解决数据采集过程中灵敏度和稳定度互相矛盾的缺点，提高井下复杂环境中数据采集的准确性。

附图说明

图1为本发明矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统结构框图；

图2为本发明实施例多参数无线传感器节点结构框图；

图3为本发明实施例无线监测基站结构框图；

图4为本发明实施例传感器模块的结构框图；

图5为本发明多传感器信息交流融合算法图；

图6为本发明动态调整一阶滤波系数的算法图。

附图标记：1-能量供应模块，2-传感器模块，3-信号调理电路，4-第一单片机，5-第一无线自组网模块，6-红外遥控模块，7-微型负压泵模块，8-485模块，9-声光报警模块，11-温度传感器，12-湿度传感器，13-甲烷传感器，14-一氧化碳传感器，15-氧气传感器，16-压差传感器，18-能量供应模块，19-第二无线自组网模块，20-第二单片机，21-触摸屏，22-RJ45模块，23-数据存储模块，24-485模块

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细地说明：

如图1、图2、图3所示，矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统包括设置在井下的多个矿用本安型多参数无线传感器节点和多个矿用本安型无线监测基站；矿用本安型多参数无线传感器节点包括能量供应模块1、传感器模块2、信号调理电路3、第一单片机4、第一无线自组网模块5、红外遥控模块6、微型负压泵模块7、485模块8、声光报警模块9和防爆外壳；微型负压泵模块7采用微型负压泵，为矿用本安型多参数无线传感器节点提供气体检测所需的样气，将气体信息传输给第一单片机4；红外遥控模块6用于矿用本安型多参数无线传感器节点的校准，能量供应模块1包括外接电源供电电路及矿用锰酸锂电池组和二级保护电路板，为矿用本安型多参数无线传感器节点提供电源；红外遥控模块6、微型负压泵模块7、485模块8、声光报警模块9均与第一单片机4通信连接，第一无线自组网模块5包括无线通信模块；传感器模块2通过信号调理电路3与第一单片机4的I/O口对接，第一单片机4与第一无线自组网模块5通信连接，第一无线自组网模块5通过天线与矿用本安型无线监测基站连接。

矿用本安型无线监测基站包括第二单片机20、能量供应模块18、数据存储模块23、485模块24、RJ45模块22、第二无线自组网模块19、触摸屏21和防爆外壳，能量供应模块18包括外接电源供电电路及矿用锰酸锂电池组和二级保护电路板，为矿用本安型无线监测基站提供电源，第二无线自组网模块19通过天线与第一无线自组网模块5通信连接，第二无线自组网模块19与第二单片机20连接，触摸屏21、数据存储器、485模块24和RJ45模块22均与第二单片机20通信连接，第二单片机20通过485模块24或RJ45模块22与矿用隔爆兼本安型环网交换机通信连接，矿用隔爆兼本安型环网交换机通过矿用通信光缆将传输信息上传到地面监控中心。

如图4所示，为了使多参数无线传感器节点在煤矿井下恶劣环境下长期稳定可靠工作，多参数无线传感器节点的传感器模块2为内置式传感器，内置式传感器设置于传感器气室内，气室设置有第一快速气动接头和第二快速气动接头，第一快速气动接头通过硅胶管与微型负压泵模块7连接，第二快速气动接头通过硅胶管与粉尘过滤器连接，通过粉尘过滤器把气体排放到环境中。传感器模块2包括有一氧化碳传感器14、氧气传感器15、甲烷传感器13、压差传感器16、温度传感器11和湿度传感器12。

第一无线自组网模块5为美国DigiXBee PRO，第一无线自组网模块5的信号输入引脚DIN与第一单片机4STM32F的第79引脚相接，第一无线自组网模块5的信号输出引脚DOUT与第一单片机4STM32F的第80引脚相接。第一无线自组网模块5的电源引脚VCC与第一3.3V供电电池的3.3V电压输出端VCC1_3.3V相接，第一无线自组网模块5的接地引脚GND接地。

第二无线自组网模块19为美国DigiXBee PRO，第二无线自组网模块19的信号输入引脚DIN与第二单片机20STM32F的第79引脚相接，第二无线自组网模块192-3的信号输出引脚DOUT与第二单片机20STM32F的第80引脚相接。

矿用本安型多参数无线传感器节点通过第一单片机4对传感器采集数据，再通过第一无线自组网模块5进行数据的发送，将数据发送到第二无线自组网模块19当中，当第二无线自组网模块19工作在从模式下，通过中断方式通知第二单片机STM32F接受缓冲中新接收的数据帧，当第二单片机STM32F工作在主模式下，通过SPI接口对第二无线自组网模块19发出命令或读写数据。为防止记录的数据过多的超过第二单片机STM32F内部的存储资源的情况出现，外扩一片串行数据存储器。第二单片机STM32F与RS485电路相连，RS485电路与电脑上位机相连，可以将第二单片机STM32F运行状况通过串口显示在电脑上位机上，可以极大地方便调试。

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

在煤矿井下有多个矿用本安型多参数无线传感器节点和多个矿用本安型无线监测基站，每相邻的矿用本安型多参数无线传感器节点之间的距离、以及与无线收发矿用本安型无线监测基站相邻的矿用本安型多参数无线传感器节点和无线收发矿用本安型无线监测基站之间的距离均小于等于无线自组织多跳网络的传输距离。每个矿用本安型无线监测基站与一个或多个矿用本安型多参数无线传感器节点无线连接。相邻的矿用本安型多参数无线传感器节点之间的距离≤2000m。考虑无线监测系统的冗余性，相邻的矿用本安型多参数无线传感器节点之间的优选无线通信距离为≤500m。矿用本安型多参数无线传感器节点和矿用本安型无线监测基站之间的距离≤2000m。考虑无线监测系统的稳定性和可靠性，矿用本安型多参数无线传感器节点和矿用本安型无线监测基站之间的优选距离为≤500m。

由于不同矿井综放面长度不同，可根据矿井综放面的实际长度，灵活选择矿用本安型多参数无线传感器节点数量和无线收发矿用本安型无线监测基站之间的距离。本系统是在易发生煤自燃的危险区域铺设无线多参数传感器，对温湿度、压差、CO、CH₄、O₂等煤自燃特征信息气体进行采集和监测，通过无线自组织多跳网络将监测结果发送到矿用本安型无线监测基站，经过监测预警处理对异常情况及时预警和定位，从而采取相关措施。针对井下煤自燃隐蔽火源的复杂环境，能在线连续监测煤自燃的变化趋势，对煤自燃特征信息的异常变化及时预警和定位。

如图6所示，第一单片机4通过矿用本安型多参数无线传感器节点进行数据采集的过程中，采用动态调整一阶滤波系数的算法，解决数据采集过程中灵敏度和稳定度互相矛盾的问题，提高数据采集的准确性。第一单片机4在数据采集的过程中采用的算法为动态调整一阶滤波系数算法，包括以下步骤：

1)传感器模块2对变量进行三次采样，分别为第一次采样值X(n-2)、第二次采样值X(n-1)、第三次采样值X(n)，将采样值分别存储；

2)计算第二次采样值和第一次采样值的差值，计算第三次采样值和第二次采样值的差值，比较差值变化的方向是否一致，若差值同为正或同为负，则差值变化方向相同，若差值一正一负，则差值变化方向相反；

3)若差值变化方向相反，则将滤波计数器和滤波系数两个变量清零，输出当前滤波系数的值α；

4)若差值变化方向一致，将滤波计数器变量自加1；判断差值的绝对值是否大于设定阈值，若差值大于阈值，则将滤波计数器变量自加2，若差值小于阈值，则跳出判断；判断滤波计数器是否达到计数上限，若达到计数上限，则将滤波系数与系数增量进行求和，并将滤波计数器清零，若滤波计数器没有达到计数上限，则跳出循环；

5)输出当前滤波系数的值α；

6)利用一阶低通滤波，将滤波系数α带入到算法公式Y(n)＝αX(n)(1-α)Y(n-1)中,得到本次滤波输出值Y(n)，其中，α为滤波系数，Y(n-1)为上次滤波输出值。

在动态调整一阶滤波系数的算法中：

输入数据：第一次采样值，第二次采样值，第三次采样值；

数据输出：本次滤波的系数；

常量：系数增量(数值的选定影响滤波的灵敏度)，滤波计数器最大值(影响数据的抖动性)，采样差值的最大值(数值的选定影响滤波的灵敏度)；

一阶低通滤波采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到有效滤波值，使得输出值对输入有反馈作用。特点为：滤波系数越小，滤波结果越平稳，但是灵敏度越低，滤波系数越大，灵敏度越高，但是滤波结果越不稳定。

对于滤波算法的改进解释，算法应实现以下功能：

1.当数据前后变化范围较大时，经过滤波后的结果能够及时的跟上处理前的变化幅度(即灵敏度高)并且数据变化的越快，灵敏度越高。

2.当数据变化趋于稳定时，可以认为近似在某一数据上下波动振荡时，经过滤波后的结果趋于平稳(即稳定度高)。

3.当数据稳定时，经过滤波后的结果近似等于采样的数据

具体实现：在数据经过滤波之前，先进行预判，对数据进行三次采样，若这残次数据变化的方向一致(即同时增加或同时减小)则不断的提高滤波系数，若数据变化持续加大(大于提前设定阈值)则加快提高滤波系数。如果三次采样数据变化不一致(即有数据增大，有数据减小)说明存在稳定性误差，此时将滤波系数清零。

当第一单片机4传感器采集数据通过程序算法融合后，超过现实理论数据的阈值时，此时，当前传感器与周围传感器进行数据通信，进行数据的比对，若周围传感器与当前传感器检测到数据相差较大时，说明当前传感器已经损害，无法继续使用，向矿用本安型无线监测基站发出异常信号，通知地面工作人员进行检查维修，利用特征级融合所得到的特征信息，具有良好的容错性，与周围传感器进行数据比对，降低误判率，能提高工作效率，方便维护使用。

如图5所示，第一单片机4中数据融合时可采用多传感器信息融合算法。通过监测采集的数据是否超出现实可能情况比对来确定是否发生故障，若发生故障，向矿用本安型无线监测基站发出故障信号，通知工作人员维修。多传感器信息融合算法的应用，可以改进传感器探测的性能，提高判断的可信度，降低信息的模糊度，为地面工作人员节约大量的数据处理时间，提高工作效率。利用从各个传感器原始数据中提取的特征信息，进行综合分析和处理的，不同类型的传感器观测同一片区，每个传感器在第一单片机4中完成数据采集、预处理、特征抽取、识别或判断，获得联合的推断结果，若融合数据有偏于气体常量理论极值，则向地面工作人员发出错误警报，前来维修。

本发明的保护范围不限于本发明的具体实施方式，对于本技术领域的技术人员而言，在本发明的启示下，能够从本专利公开内容中直接导出联想一些原理和结构相同的基本变形，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征相同的相互不同组合、相同或相似技术效果的技术特征简单改换，尤其是在煤自燃的应用技术和产品，都属于本发明技术的保护范围。

Claims (9)

1.一种矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，其特征在于：包括多个多参数无线传感器节点和多个无线监测基站；多参数无线传感器节点包括能量供应模块、传感器模块、信号调理电路、第一单片机、第一无线自组网模块、红外遥控模块、微型负压泵模块、485模块、声光报警模块和防爆外壳；微型负压泵模块为多参数无线传感器节点提供气体检测所需的样气，红外遥控模块用于多参数无线传感器节点的校准，能量供应模块为多参数无线传感器节点提供电源；红外遥控模块、微型负压泵模块、485模块、声光报警模块均与第一单片机通信连接，第一无线自组网模块包括无线通信模块；传感器模块通过信号调理电路与第一单片机的I/O口对接，第一单片机与第一无线自组网模块通信连接，第一无线自组网模块通过天线与无线监测基站连接；

无线监测基站包括第二单片机、能量供应模块、数据存储模块、485模块、RJ45模块、第二无线自组网模块、触摸屏和防爆外壳；能量供应模块为无线监测基站提供电源，第二无线自组网模块通过天线与第一无线自组网模块通信连接，第二无线自组网模块与第二单片机连接，触摸屏、数据存储模块、485模块和RJ45模块均与第二单片机通信连接，第二单片机通过485模块或RJ45模块与隔爆兼本安型环网交换机通信连接，隔爆兼本安型环网交换机通过通信光缆将传输信息上传到地面监控中心。

2.根据权利要求1所述的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，其特征在于：多参数无线传感器节点的传感器模块为内置式传感器，内置式传感器设置于气室内，气室设置有第一快速气动接头和第二快速气动接头，第一快速气动接头通过硅胶管与微型负压泵模块连接，第二快速气动接头通过硅胶管与粉尘过滤器连接。

3.根据权利要求2所述的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，其特征在于：传感器模块包括一氧化碳传感器、氧气传感器、甲烷传感器、压差传感器、温度传感器和湿度传感器。

4.根据权利要求1所述的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，其特征在于：相邻的多参数无线传感器节点之间的无线通信距离≤2000m。

5.根据权利要求4所述的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，其特征在于：相邻的多参数无线传感器节点之间的无线通信距离≤500m。

6.根据权利要求1所述的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，其特征在于：多参数无线传感器节点和无线监测基站之间的无线通信距离≤2000m。

7.根据权利要求6所述的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，其特征在于：多参数无线传感器节点和无线监测基站之间的无线通信距离≤500m。

8.根据权利要求1所述的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，其特征在于：矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统在数据采集的过程中采用动态调整一阶滤波系数算法，包括以下步骤：

1)传感器模块对变量进行三次采样，分别为第一次采样值X(n-2)，第二次采样值X(n-1)，第三次采样值X(n)，将采样值分别存储；

2)计算第二次采样值和第一次采样值的差值，计算第三次采样值和第二次采样值的差值，比较差值变化的方向是否一致，若差值同为正或同为负，则差值变化方向相同，若差值一正一负，则差值变化方向相反；

3)若差值变化方向相反，则将滤波计数器和滤波系数两个变量清零，输出当前滤波系数的值α；

4)若差值变化方向一致，将滤波计数器变量自加1；判断差值的绝对值是否大于设定阈值，若差值大于阈值，则将滤波计数器变量自加2，若差值小于阈值，则跳出判断；判断滤波计数器是否达到计数上限，若达到计数上限，则将滤波系数与系数增量进行求和，并将滤波计数器清零，若滤波计数器没有达到计数上限，则跳出循环；

5)输出当前滤波系数的值α；

6)利用一阶低通滤波，将滤波系数α带入到算法公式Y(n)＝αX(n)(1-α)Y(n-1)中,得到本次滤波输出值Y(n)，其中，α为滤波系数，Y(n-1)为上次滤波输出值。

9.根据权利要求6所述的矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统，其特征在于：矿井煤自燃特征信息高密度网络化监测预警系统数据融合时采用多传感器信息融合算法。