CN111456813A - 一种矿井井筒内无线温度监测传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矿井井筒内无线温度监测传输装置，包括布置在地面的PC端电脑和数据采集终端，以及布置在井筒内壁的温度采集终端和温度传感器；所述温度传感器通过测温电缆与所述温度采集终端通信连接；所述温度采集终端的发射天线的信号输出端与所述数据采集终端的接收天线的信号输入端通信连接，所述数据采集终端的信号输出端通过网络端口、数据电缆或存储在SD卡槽内的SD卡与所述PC端电脑的信号输入端通信连接。数据采集终端可按需求采集某个温度监测层的温度数据，可完成单点温度的监测，也可实现全井筒的温度监测。从而实现准确供准确的深井井壁温度传输和监测，更好的掌握施工时机，保证井筒施工质量。

Description

一种矿井井筒内无线温度监测传输装置

技术领域

本发明涉及井壁混凝土浇筑后温度变化监测技术领域。具体地说是一种矿井井筒内无线温度监测传输装置。

背景技术

冻结法凿井是采用人工制冷技术暂时加固不稳定地层和隔绝地下水的施工方法。冻结法适用于松散不稳定的冲积层、裂隙含水岩层、松软泥岩、含水量和水压特别大的岩层。既可作为地质条件复杂的矿井工程正规施工方法，也可作为工程抢险和事故处理的手段，被广泛用于煤矿井巷工程中的装置、斜井、马头门等施工，并已用于施工地铁、桥涵、大体积地下硐室及深基坑工程。

冻结法施工井筒井壁设计一般采用双层井壁形式：外层井壁设计为抵抗水土压力，承受地层荷载；内层井壁为防水设计。外层井壁与冻结壁之间敷设泡沫板，用来隔绝混凝土井壁凝固期间冻结壁侧的冷量以保证混凝土井壁的设计强度，内、外层井壁之间敷设双层PVC板材，用来保证两层井壁之间通道畅通以确保壁间注浆的密实性。

井筒较深时，井壁厚度设计值较大，单个循环模板较高，混凝土浇筑量大，水化热高，最高温度可达70℃，产生的温度应力易造成井壁开裂，监测井壁温度并及时采取养护、降温措施能够保证井壁质量；壁间注浆是保证内层井壁防水效果的有效辅助措施，确定注浆时机是保证注浆效果的关键步骤。

当前的温度监测装置主要分为有线温度监测采集装置、无线温度监测采集装置及单点温度监测采集装置三种：有线监测装置需要从井口盘下放电缆至监测层位，监测层位埋设测温电缆，地面连接至电脑进行实时监测，优点在于数据传输稳定、可随时读取、编辑，缺点在于传输电缆需单独定做，重量太大且下放程序繁琐；无线监测装置优点在于免除传输电缆的定制及下放工作，缺点在于需要定期(一般设置3d或7d)持手持式数据采集仪乘坐吊桶下降至测温电缆发射器辐射范围内(一般10-20m)采集数据，需长时间占用吊桶；单点监测装置优点在于简单易行，缺点在于下井频繁、井下监测耗时长，数据连续性差。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种一种适合深井井壁温度监测及传输装置，可提供准确的施工时机，保证井筒施工质量。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种矿井井筒内无线温度监测传输装置，包括布置在地面的PC端电脑和数据采集终端，以及布置在井筒内壁的温度采集终端和温度传感器；所述温度传感器通过测温电缆与所述温度采集终端通信连接；所述温度采集终端的发射天线的信号输出端与所述数据采集终端的接收天线的信号输入端通信连接，所述数据采集终端的信号输出端通过网络端口、数据电缆或存储在SD卡槽内的SD卡与所述PC端电脑的信号输入端通信连接。

上述矿井井筒内无线温度监测传输装置，根据地层、混凝土标号、井壁厚度因素自井筒底部向井筒顶部设置n个温度监测层；在每个温度监测层内：所述温度传感器分别安装在内层井壁、外层井壁和冻结壁的多个温度测点内，所述温度采集终端安装在位于所述内层井壁内侧壁上的终端盒内；所述温度传感器通过测温电缆连接；所述温度传感器通过测温电缆与所述温度采集终端通信连接。

上述矿井井筒内无线温度监测传输装置，所述n个温度监测层：最底端的温度采集终端为第一层温度采集终端，最底端的上一层为第二层温度采集终端；……；最顶端的下一层为第n-1层温度采集终端；最顶端温度采集终端为第n层温度采集终端；

第一层温度采集终端的数据信号通过发射天线与上一层的第二层温度采集终端的发射天线通信连接，第二层温度采集终端将第一层温度采集终端和第二层温度采集终端的数据进行汇总，并将汇总数据通过第二层温度采集终端的数据信号输出端传输给第三层温度采集终端的数据输入端，即从第一层温度采集终端逐层向上传输温度数据，直至最顶端的第n层数据采集终端，第n层数据采集终端收集n层温度采集终端的所有温度数据后，第n层数据采集终端将所有温度数据通过发射天线传输给数据采集终端。

上述矿井井筒内无线温度监测传输装置，所述温度采集终端包括电源管理模块、主控芯片U1、传感器驱动电路、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块，所述电源管理模块与所述主控芯片、传感器驱动电路、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块电连接；所述温度传感器通过测温电缆与所述传感器驱动电路连接，所述传感器驱动电路与所述主控芯片U1通信连接；所述主控芯片U1与所述存储模块、所述时钟管理模块和所述数据发射接收模块通信连接。

上述矿井井筒内无线温度监测传输装置，所述电源管理模块包括5V电源芯片U9、3.3V电源芯片U10、温度电源滤波电路和温度稳定滤波电路，外接电源与所述5V电源芯片U9的管腿5电连接，所述5V电源芯片U9的输出端管腿1输出稳定的5V电压，所述电源芯片U9的输出端管腿1与所述3.3V电源芯片U10的管腿1连接，所述3.3V电源芯片U10的管腿2输出稳定的3.3V电压；所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过所述温度电源滤波的电感L1、并联的电容C10和电容C11、再通过电感L2接地，并联电容C10和电容C11的两端输出纯净的VDDA和VSSA；所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过温度稳定滤波电路的并联电容C13和电容C14接地，得到稳定的3.3V电源。

上述矿井井筒内无线温度监测传输装置，所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述主控芯片U1的管腿1、管腿48和管腿24电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端通过电阻R10与所述主控芯片U1的管腿11电连接；所述温度电源滤波电路的VDDA和VSSA输出端与所述主控芯片U1的管腿9和管腿8电连接；

所述主控芯片U1的管腿25、管腿26、管腿27和管腿28通过传感器驱动电路的C_DOWN、C_UP、1820_DATA和P_UP与所述温度传感器通信连接，所述电源管理模块包括5V电源芯片U9分别通过电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5与传感器驱动电路的C_DOWN、C_UP、1820_DATA和P_UP电连接；

所述主控芯片U1的管腿14、管腿15和管腿16与所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿5、管腿6和管腿7通信连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别同电阻R15、电阻R14和电阻R13与所述实时时钟芯片U3的管腿5、管腿6和管腿7电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述实时时钟芯片U3的管腿1电连接，并通过电容C8接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿2和管腿3通过晶振X1，再分别与电容C12和电容C13接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿8与二极管D2连接；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿4接地；

所述主控芯片U1的管腿18通过电阻R8与所述存储模块的存储芯片U2的管腿6通信连接；所述主控芯片U1的管腿19通过电阻R9与所述存储模块的存储芯片U2的管腿5通信连接；所述主控芯片U1的管腿10、管腿29、管腿30、管腿31和管腿32分别与所述数据发射接收模块的射频芯片的管腿6、管腿7、管腿5、管腿4和管腿3通信连接；所述射频芯片的输出端为发射天线；

所述主控芯片U1的管腿34、管腿37与MCU烧录接口P1的管腿3和管腿2通信连接；

所述主控芯片U1的管腿12和管腿13通过电阻R12和电阻R11与发光二极管D3和发光二极管D2接地。

上述矿井井筒内无线温度监测传输装置，所述数据采集终端包括电源管理模块、微控制器、LCD显示模块、外部控制组件、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块；所述电源管理模块与所述微控制器、所述LCD显示模块、所述外部控制组件、所述存储模块、所述时钟管理模块和所述数据发射接收模块电连接；所述微控制器与所述LCD显示模块、所述手动控制组件、所述存储模块、所述时钟管理模块和所述数据发射接收模块通信连接。

上述矿井井筒内无线温度监测传输装置，所述电源管理模块包括5V电源芯片U9、3.3V电源芯片U10、采集电源滤波电路、采集稳定滤波电路和LCD稳定滤波电路，外接电源与所述5V电源芯片U9的管腿5电连接，所述5V电源芯片U9的输出端管腿1输出稳定的5V电压，所述电源芯片U9的输出端管腿1与所述3.3V电源芯片U10的管腿1连接，所述3.3V电源芯片U10的管腿2输出稳定的3.3V电压；

所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过采集电源滤波电路的电感L1、电感L2、电感L3和电感L4接地，电感L2和电感L4之间并联有电容C17、电容C18和电容C19，且电容C17、电容C18和电容C19并联的两端输出VREF+和VREF-，电感L1和电感L3之间并联有电容C15和电容C16，电容C15和电容C16的并联的两端输出VDDA和VSSA；

所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过采集稳定滤波电路的并联电容C20、电容C21、电容C22、电容C23和电容C24接地，得到稳定的3.3V电源；

所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过LCD稳定滤波电路的电缆L10得到BLA3.3V电源。

上述矿井井筒内无线温度监测传输装置，微控制器芯片U7为STM32F103VC，所述LCD显示模块为LCD12864-03HG；所述采集电源滤波电路的VDDA和VSSA输出端与所述微控制器芯片U7的管腿22和管腿19电连接；所述采集电源滤波电路的VREF+和VREF-输出端与所述微控制器芯片U7的管腿21和管腿20电连接；

所述微控制器芯片U7的管腿89、管腿90、管腿91、管腿95和管腿96分别与所述LCD显示模块的管腿7、管腿6、管腿5、管腿4和管腿4通信连接；LCD稳定滤波电路的BLA3.3V电源输出端与所述LCD显示模块的管腿8电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述LCD显示模块的管腿2电连接，同时所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别通过电阻R34、电阻R33、电阻R32、电阻R31、电阻R30与所述LCD显示模块的管腿2、管腿4、管腿5、管腿6和管腿7电连接；所述LCD显示模块的管腿1接地；

所述微控制器芯片U7的管腿80、管腿82、管腿83、管腿84、管腿85、管腿86、管腿87和管腿88通过接口P12的管腿10、管腿8、管腿7、管腿6、管腿5、管腿4、管腿3和管腿2与外部控制组件通信连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别通过电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41和电阻R42与接口P12的管腿9、管腿8、管腿7、管腿6、管腿5、管腿4、管腿3和管腿2电连接；

所述微控制器芯片U7的管腿43、管腿44和管腿45与所述时钟管理模块的实时时钟芯片的管腿5、管腿6和管腿7通信连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别同电阻R44、电阻R45和电阻R46与所述实时时钟芯片U3的管腿5、管腿6和管腿7电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述实时时钟芯片U3的管腿1电连接，并通过电容C8接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿2和管腿3通过晶振X1，再分别与电容C11和电容C10接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿8与二极管D4连接；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿4接地；

所述微控制器芯片U7的管腿30和管腿31分别通过电阻R49和电阻R50与所述存储模块的存储芯片的管腿6和管腿5通信连接；所述微控制器芯片U7的管腿67、管腿68、管腿69、管腿70和管腿71与所述数据发射接收模块的射频芯片的管腿6、管腿4、管腿5和管腿3、管腿7通信连接；所述射频芯片的输出端为发射天线(7)；

所述微控制器芯片U7的管腿33和管腿34分别通过电阻R58和电阻R59与发光二极管D6和发光二极管D5通信连接；

所述微控制器芯片U7的管腿72和管腿76分别与MCU烧录接口P3的管腿3和管腿2通信连接。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

1、本申请可将三种测温装置有效结合，兼具三种装置的优点：易操作、方便数据传输、地面接收数据以及保证数据的连续性。

2、温度采集终端根据实际设计埋设相应的层数，可根据地层、混凝土标号、井壁厚度等因素确定，温度采集终端同时具备数据发射功能，从最底部一层逐层往上传输，至最上一层接收后将所有数据传输至地面。

3、温度采集终端设备进入正常工作模式后，无线模块处于休眠状态，主控芯片U1按设定的时间间隔进行温度数据采集，当采集完一组传感器数据后，将温度数据按固定格式存储于存储模块的存储芯片U2，温度采集终端设备进行休眠，此时温度采集终端设备只有时钟管理模块的实时时钟芯片(定时器)在工作，其他功能以及外围电路(存储模块、数据发射接收模块)基本都处于关闭状态，功耗很低。只有当定时器定时结束或接收到无线信号时设备唤醒，才进行温度数据采集，并存储数据。因此温度采集终端设备的功耗低，可定时唤醒进行温度采集，也可以根据实际井筒测温需要进行随时唤醒采集温度数据，而无需频繁下井监测。

4、数据采集终端会为批准加入网络的温度采集终端建立映射表，以便建立通信。数据采集终端可按需求采集某个温度监测层的温度数据，也可从最底部一层逐层往上传输，至最上一层接收后将所有数据传输至地面，收集所有温度监测层的温度数据。即可完成单点温度的监测，也可实现全井筒的温度监测。从而实现准确供准确的深井井壁温度传输和监测，更好的掌握施工时机，保证井筒施工质量。

附图说明

图1本发明矿井井筒内无线温度监测传输装置的施工结构示意图；

图2本发明矿井井筒内无线温度监测传输装置的示意图；

图3本发明温度采集终端的示意图；

图4本发明温度采集终端的电源模块的电路图；

图5本发明温度采集终端的主控芯片U1电路图；

图6本发明温度采集终端的存储模块电路图；

图7本发明温度采集终端的时钟管理模块电路图；

图8本发明温度采集终端的数据发射接收模块电路图；

图9本发明温度采集终端的温度稳定滤波电路；

图10本发明温度采集终端的烧录器接口电路；

图11本发明温度采集终端的指示电路；

图12本发明温度采集终端的温度电源滤波电路；

图13本发明温度采集终端传感器驱动电路；

图14本发明温度采集终端的工作流程图；

图15本发明数据采集终端的电源模块的电路图；

图16本发明数据采集终端的微控制器电路图和指示电路；

图17本发明数据采集终端的LCD显示模块电路图；

图18本发明数据采集终端的外部控制组件电路图

图19本发明数据采集终端的存储模块电路图；

图20本发明数据采集终端的时钟管理模块电路图；

图21本发明数据采集终端的数据发射接收模块电路图；

图22本发明数据采集终端的采集稳定滤波电路；

图23本发明数据采集终端的烧录器接口电路；

图24本发明数据采集终端的采集电源滤波电路；

图25本发明数据采集终端LCD稳定滤波电路；

图26本发明数据采集终端的工作流程图。

图中附图标记表示为：1-PC端电脑；2-数据采集终端；3-数据电缆；4-网线端口；5-SD卡槽；6-接收天线；7-发射天线；8-第n层温度采集终端；9-第n-1层温度采集终端；10-第二层温度采集终端；11-第一层温度采集终端；12-内层井壁；13-终端盒；14-温度测点；15-测温电缆；16-外层井壁；17-冻结壁。

具体实施方式

如图1和图2所示矿井井筒内无线温度监测传输装置，包括布置在地面的PC端电脑1和数据采集终端2，以及布置在井筒内壁的温度采集终端和温度传感器；所述温度传感器通过测温电缆15与所述温度采集终端通信连接；所述温度采集终端的发射天线7的信号输出端与所述数据采集终端2的接收天线6的信号输入端通信连接，所述数据采集终端2的信号输出端通过数据电缆3或存储在SD卡槽5内的SD卡与所述PC端电脑1的信号输入端通信连接。

图2中温度采集终端根据实际设计埋设相应的层数，可根据地层、混凝土标号、井壁厚度等因素确定。温度采集终端同时具备数据发射功能，从最底部一层逐层往上传输，至最上一层接收后将所有数据传输至地面，由手持式数据采集终端2全部接收。

如图1所示，根据地层、混凝土标号、井壁厚度因素自井筒底部向井筒顶部设置n个温度监测层；在每个温度监测层内：所述温度传感器分别安装在内层井壁12、外层井壁16和冻结壁17的多个温度测点14内，所述温度采集终端安装在位于所述内层井壁12内侧壁上的终端盒13内；所述温度传感器通过测温电缆15连接；所述温度传感器通过测温电缆15与所述温度采集终端通信连接。

所述n个温度监测层：最底端的温度采集终端为第一层温度采集终端11，最底端的上一层为第二层温度采集终端10；……；最顶端的下一层为第n-1层温度采集终端9；最顶端温度采集终端为第n层温度采集终端8；

第一层温度采集终端11的数据信号通过发射天线7与上一层的第二层温度采集终端10的发射天线7通信连接，第二层温度采集终端10将第一层温度采集终端11和第二层温度采集终端10的数据进行汇总，并将汇总数据通过第二层温度采集终端10的数据信号输出端传输给第三层温度采集终端的数据输入端，即从第一层温度采集终端11逐层向上传输温度数据，直至最顶端的第n层数据采集终端8，第n层数据采集终端8收集n层温度采集终端的所有温度数据后，第n层数据采集终端8将所有温度数据通过发射天线7传输给数据采集终端2。

本发明包含地上部分和地下部分，地上部分包括手持式数据采集终端2、电脑PC端1两部分，手持式数据采集终端2主要用来接收和存储数据，可通过SD卡或者有线局域网络方式传输至电脑PC端1；地下部分包括温度采集终端、测温电缆15和温度传感器，三者通过快速接头连接，靠温度采集终端中的驱动电路按照设定时间差采集并存储监测数据，并依靠发射、接收装置模块层层传输至地面，由地上部分数据采集终端2接收。

具体地上和地下部分具体铺设的方法为：

冻结井筒井壁浇筑时，预埋测温电缆15，具体实施方式是：在设计温度监测层位用麻花钻猫头钻配麻花钻杆)在冻结壁17内钻孔，布置温度测点14，埋设测温电缆15，在温度测点14内安装温度传感器，并外层井壁16内预埋测温电缆15和终端盒13，外层井壁16施工完成后浇筑内层井壁12，将测温电缆15延伸至内层井壁，设置新终端盒13并与测温电缆15连接，在终端盒13内安装温度采集终端，继续监测内层井壁12的温度变化，至此组成完整的一个监测层位12，即第一层温度采集终端11。同理敷设第二次温度采集终端10、……、第n-1层温度采集终端9、第n层温度采集终端8。

第一层温度采集终端11收集、储存的数据经发射天线7发射至第二次温度采集终端10,第二层温度采集终端10通过发射天线7将两个层位的采集终端存储数据向第三层温度采集终端发射，依此类推，最终第n层温度采集终端8接收到第一层温度采集终端11，第二层温度采集终端10，第三层温度采集终端……第n-1层温度采集终端9的所有的数据，并连同本层位的第n层温度采集终端8的存储数据一并通过发射天线7向地面发射。

地上部分的数据采集终端2通过接收天线6，接收地下第n层温度采集终端8的发射天线7发射的所有数据并进行存储，存储数据通过在SD卡槽5内的SD卡或者网线端口4、数据电缆3传输至PC端电脑，进行数据存储及编辑工作。

如图3所示，所述温度采集终端包括电源管理模块、主控芯片U1、传感器驱动电路、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块，所述电源管理模块与所述主控芯片、传感器驱动电路、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块电连接；所述温度传感器通过测温电缆15与所述传感器驱动电路连接，所述传感器驱动电路与所述主控芯片U1通信连接；所述主控芯片U1与所述存储模块、所述时钟管理模块和所述数据发射接收模块通信连接。

如图4、图12和图9所示，所述电源管理模块包括5V电源芯片U9、3.3V电源芯片U10、温度电源滤波电路和温度稳定滤波电路，外接电源与所述5V电源芯片U9的管腿5电连接，所述5V电源芯片U9的输出端管腿1输出稳定的5V电压，所述电源芯片U9的输出端管腿1与所述3.3V电源芯片U10的管腿1连接，所述3.3V电源芯片U10的管腿2输出稳定的3.3V电压；所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过所述温度电源滤波的电感L1，与并联的电容C10和电容C11，再通过电感L2接地，自并联电容两端输出纯净的VDDA和VSSA；所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过温度稳定滤波电路的并联电容C13和电容C14接地，得到稳定的3.3V电源。

如图5所示，所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述主控芯片U1的管腿1、管腿48和管腿24电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端通过电阻R10与所述主控芯片U1的管腿11电连接；所述温度电源滤波电路的VDDA和VSSA输出端与所述主控芯片U1的管腿9和管腿8电连接；

如图5和图13所示，所述主控芯片U1的管腿25、管腿26、管腿27和管腿28与传感器驱动电路的C_DOWN、C_UP、1820_DATA和P_UP的接口与所述温度传感器通信连接，所述电源管理模块包括5V电源芯片U9分别通过电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5与传感器驱动电路的C_DOWN、C_UP、1820_DATA和P_UP的接口电连接；传感器驱动电路与温度传感器通过测温电缆15连接，得到内层井壁12、外层井壁16和冻结壁17的温度数据，并传输给主控芯片U1。

如图5和图17所示，所述主控芯片U1的管腿14、管腿15和管腿16与所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿5、管腿6和管腿7通信连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别同电阻R15、电阻R14和电阻R13与所述实时时钟芯片U3的管腿5、管腿6和管腿7电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述实时时钟芯片U3的管腿1电连接，并通过电容C8接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿2和管腿3通过晶振X1，再分别与电容C12和电容C13接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿8与二极管D2连接；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿4接地；即使温度采集终端进行休眠，所述时钟管理模块也在工作，功耗很低，只有当时钟管理模块的定时器定时结束或接收到无线信号时温度采集终端被唤醒。

如图5和图6所示，所述主控芯片U1的管腿18通过电阻R8与所述存储模块的存储芯片U2的管腿6通信连接；所述主控芯片U1的管腿19通过电阻R9与所述存储模块的存储芯片U2的管腿5通信连接；当采集完一组温度传感器数据后，将温度数据按固定格式存储于存储芯片U2内；

如图5和图8所示，所述主控芯片U1的管腿10、管腿29、管腿30、管腿31和管腿32分别与所述数据发射接收模块的射频芯片的管腿6、管腿7、管腿5、管腿4和管腿3通信连接；所述射频芯片的输出端为发射天线7；可以存储的温度数据传输给采集数据终端。

如图10所示，所述主控芯片U1的管腿34、管腿37与MCU烧录接口P1的管腿3和管腿2通信连接；通过MCU烧录接口P1向主控芯片U1烧录所需控制程序。

所述主控芯片U1的管腿12和管腿13通过电阻R12和电阻R11与发光二极管D3和发光二极管D2接地，可以指示温度采集终端的工作状态。

如图14所示的温度采集终端的流程图：温度采集终端设备接通电源，由电源管理模块产生5V稳压电源通过传感器驱动电路给温度传感器供电，3.3V稳压电源给其他外围电路(存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块)供电。

温度采集终端设备上电后，主控芯片U1(MCU控制器)进行初始化，包括对外围电路(存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块)的配置、设置和驱动，以及温度数据采集参数的设置等等，设备日期和时间由时钟管理模块产生，初始日期、时间和数据采集时间参数等在设备正常运行后可以通过数据采集终端进行配置。

温度采集终端设备进入正常工作模式后，无线模块处于休眠状态，主控芯片U1按设定的时间间隔进行温度数据采集，当采集完一组传感器数据后，将温度数据按固定格式存储于存储模块的存储芯片U2，温度采集终端设备进行休眠，此时温度采集终端设备只有时钟管理模块的实时时钟芯片(定时器)在工作，其他功能以及外围电路(存储模块、数据发射接收模块)基本都处于关闭状态，功耗很低。

只有当定时器定时结束或接收到无线信号时设备唤醒，当唤醒方式是实时时钟芯片(定时器)定时结束就进行温度数据采集，并存储数据，如果唤醒方式为无线信号唤醒就进行温度数据接收并解析数据判断命令格式，如果命令为参数设置，主控芯片U1就进行相应的配置并保存参数，如果命令为上传数据，主控芯片U1就将存储模块中存储芯片的数据上传，直到所有数据传输完全后，发送传输结束命令以示数据传输完成，然后进行休眠。

所述数据采集终端2包括电源管理模块、微控制器、LCD显示模块、外部控制组件、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块；所述电源管理模块与所述微控制器、所述LCD显示模块、所述外部控制组件、所述存储模块、所述时钟管理模块和所述数据发射接收模块电连接；所述微控制器与所述LCD显示模块、所述手动控制组件、所述存储模块、所述时钟管理模块和所述数据发射接收模块通信连接。

如图15所述电源管理模块包括5V电源芯片U9、3.3V电源芯片U10、采集电源滤波电路、采集稳定滤波电路和LCD稳定滤波电路，外接电源与所述5V电源芯片U9的管腿5电连接，所述5V电源芯片U9的输出端管腿1输出稳定的5V电压，所述电源芯片U9的输出端管腿1与所述3.3V电源芯片U10的管腿1连接，所述3.3V电源芯片U10的管腿2输出稳定的3.3V电压；

如图24所示，所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过采集电源滤波电路的电感L1、电感L2、电感L3和电感L4接地，电感L2和电感L4之间并联有电容C17、电容C18和电容C19，且自电容C17、电容C18和电容C19并联的两端输出VREF+和VREF-；电感L1和电感L3之间并联有电容C15和电容C16，自电容C15和电容C16的并联的两端输出VDDA和VSSA；

如图22所示，所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过采集稳定滤波电路的并联电容C20、电容C21、电容C22、电容C23和电容C24接地，得到稳定的3.3V电源；如图25所示，所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过LCD稳定滤波电路的电缆L10得到BLA3.3V电源。

如图16所示，微控制器芯片U7为STM32F103VC，所述LCD显示模块为LCD12864-03HG；所述采集电源滤波电路的VDDA和VSSA输出端与所述微控制器芯片U7的管腿22和管腿19电连接；所述采集电源滤波电路的VREF+和VREF-输出端与所述微控制器芯片U7的管腿21和管腿20电连接；

如图16和图17所示，所述微控制器芯片U7的管腿89、管腿90、管腿91、管腿95和管腿96分别与所述LCD显示模块的管腿7、管腿6、管腿5、管腿4和管腿4通信连接；LCD稳定滤波电路的BLA3.3V电源输出端与所述LCD显示模块的管腿8电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述LCD显示模块的管腿2电连接，同时所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别通过电阻R34、电阻R33、电阻R32、电阻R31、电阻R30与所述LCD显示模块的管腿2、管腿4、管腿5、管腿6和管腿7电连接；所述LCD显示模块的管腿1接地；

如图16和图18所示，所述微控制器芯片U7的管腿80、管腿82、管腿83、管腿84、管腿85、管腿86、管腿87和管腿88通过接口P12的管腿10、管腿8、管腿7、管腿6、管腿5、管腿4、管腿3和管腿2与外部控制组件通信连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别通过电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41和电阻R42与接口P12的管腿9、管腿8、管腿7、管腿6、管腿5、管腿4、管腿3和管腿2电连接；

如图16和图20所示，所述微控制器芯片U7的管腿43、管腿44和管腿45与所述时钟管理模块的实时时钟芯片的管腿5、管腿6和管腿7通信连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别同电阻R44、电阻R45和电阻R46与所述实时时钟芯片U3的管腿5、管腿6和管腿7电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述实时时钟芯片U3的管腿1电连接，并通过电容C8接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿2和管腿3通过晶振X1，再分别与电容C11和电容C10接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿8与二极管D4连接；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿4接地；

如图16和图19所示，所述微控制器芯片U7的管腿30和管腿31分别通过电阻R49和电阻R50与所述存储模块的存储芯片的管腿6和管腿5通信连接；如图16和图21所示，所述微控制器芯片U7的管腿67、管腿68、管腿69、管腿70和管腿71与所述数据发射接收模块的射频芯片的管腿6、管腿4、管腿5和管腿3、管腿7通信连接；所述射频芯片的输出端为发射天线7；

如图16右下图所示，所述微控制器芯片U7的管腿33和管腿34分别通过电阻R58和电阻R59与发光二极管D6和发光二极管D5通信连接；

如图23所示，所述微控制器芯片U7的管腿72和管腿76分别与MCU烧录接口P3的管腿3和管腿2通信连接。

如图26的数据采集终端2工作流程图所示：数据采集终端2接通电源，由电源管理模块产生3.3V稳压电源给数据采集终端(采集仪)电路供电。数据采集终端(采集仪)上电后，微控制器(MCU控制器)进行初始化，包括对外围电路(LCD显示模块、外部控制组件、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块)配置、设置和驱动，设备日期和时间由时钟管理模块产生，初始日期、时间和其他参数等在设备正常运行后可以通过PC端电脑1进行配置，也可通过数据采集终端的外部控制组件的键盘进行配置，同时LCD显示屏有相应显示内容，显示屏幕也可以显示数据采集终端(采集仪)工作状态。

数据采集终端(采集仪)初始化完成后，微控制器(MCU控制器)建立网络连接，一直处于网络监控状态等待测温终端设备进行连接，当有终端设备请求加入网络时，数据采集终端(采集仪)会为批准加入网络的温度采集终端建立映射表，以便建立通信。

此时所有在网络范围内的温度采集终端(即第一层温度采集终端、第二次温度采集终端……第n-1层温度采集终端、第n层温度采集终端)就会在采集仪内部注册，采集仪发出读取数据命令，收到命令的温度采集终端会将数据上传，采集仪将收到温度数据上传到PC端电脑；如果PC端电脑与采集仪通信中断，采集仪将收到的数据存储到采集数据中的存储模块的存储芯片中，与PC端电脑恢复通信后继续上传，当采集仪收到测温终端数据传输结束命令后停止通讯。

如图1和图2所示，矿井井筒内无线温度监测传输装置的系统工作流程如下：

数据采集终端上电后进行初始化，数据采集终端(采集仪)建立网络，一直处于网络监控状态。温度采集终端通过搜索网络信号找到采集仪建立的网络，并发送请求入网命令等待批准加入网络，采集仪会为批准加入网络的温度采集终端建立映射表，以便建立通信。网络中的温度采集终端既是温度传感器的数据采集终端设备又是路由设备，实现数据的传输和路由功能。所有温度采集终端的数据最终通过数据采集终端(采集仪)送至PC端电脑进行分析处理。

温度采集终端参数可通过采集仪进行配置，监测PC端电脑主机向采集仪下发命令，采集仪经过信息加工并转发至温度采集终端进行数据交互。

同时，采集仪与温度采集终端进行数据传输过程中会对一些参数进行校准。温度采集终端将采集到的温度传感器数据进行相应的处理、存储，并按设定的时间进行休眠，此时，温度采集终端处于关断状态降低功耗。

当采集仪下发命令与温度采集终端进行数据交互时，唤醒数据发射接收模块，数据发射接收模块通过特定功能唤醒温度采集终端，接收采集仪下发命令进行解析，当采集仪下发命令为读取传感器数据时，温度采集终端上传已经处理的传感器数据到采集仪，测温终端更新工作状态。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种矿井井筒内无线温度监测传输装置，其特征在于，包括布置在地面的PC端电脑(1)和数据采集终端(2)，以及布置在井筒内壁的温度采集终端和温度传感器；所述温度传感器通过测温电缆(15)与所述温度采集终端通信连接；所述温度采集终端的发射天线(7)的信号输出端与所述数据采集终端(2)的接收天线(6)的信号输入端通信连接，所述数据采集终端(2)的信号输出端通过网络端口(4)、数据电缆(3)或存储在SD卡槽(5)内的SD卡与所述PC端电脑(1)的信号输入端通信连接。

2.根据权利要求1所述的矿井井筒内无线温度监测传输装置，其特征在于，根据地层、混凝土标号、井壁厚度因素自井筒底部向井筒顶部设置n个温度监测层；在每个温度监测层内：所述温度传感器分别安装在内层井壁(12)、外层井壁(16)和冻结壁(17)的多个温度测点(14)内，所述温度采集终端安装在位于所述内层井壁(12)内侧壁上的终端盒(13)内；所述温度传感器通过测温电缆(15)连接；所述温度传感器通过测温电缆(15)与所述温度采集终端通信连接。

3.根据权利要求1所述的矿井井筒内无线温度监测传输装置，其特征在于，所述n个温度监测层：最底端的温度采集终端为第一层温度采集终端(11)，最底端的上一层为第二层温度采集终端(10)；……；最顶端的下一层为第n-1层温度采集终端(9)；最顶端温度采集终端为第n层温度采集终端(8)；

第一层温度采集终端(11)的数据信号通过发射天线(7)与上一层的第二层温度采集终端(10)的发射天线(7)通信连接，第二层温度采集终端(10)将第一层温度采集终端(11)和第二层温度采集终端(10)的数据进行汇总，并将汇总数据通过第二层温度采集终端(10)的数据信号输出端传输给第三层温度采集终端的数据输入端，即从第一层温度采集终端(11)逐层向上传输温度数据，直至最顶端的第n层数据采集终端(8)，第n层数据采集终端(8)收集n层温度采集终端的所有温度数据后，第n层数据采集终端(8)将所有温度数据通过发射天线(7)传输给数据采集终端(2)。

4.根据权利要求2所述的矿井井筒内无线温度监测传输装置，其特征在于，所述温度采集终端包括电源管理模块、主控芯片U1、传感器驱动电路、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块，所述电源管理模块与所述主控芯片、传感器驱动电路、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块电连接；所述温度传感器通过测温电缆(15)与所述传感器驱动电路连接，所述传感器驱动电路与所述主控芯片U1通信连接；所述主控芯片U1与所述存储模块、所述时钟管理模块和所述数据发射接收模块通信连接。

5.根据权利要求4所述的矿井井筒内无线温度监测传输装置，其特征在于，所述电源管理模块包括5V电源芯片U9、3.3V电源芯片U10、温度电源滤波电路和温度稳定滤波电路，外接电源与所述5V电源芯片U9的管腿5电连接，所述5V电源芯片U9的输出端管腿1输出稳定的5V电压，所述电源芯片U9的输出端管腿1与所述3.3V电源芯片U10的管腿1连接，所述3.3V电源芯片U10的管腿2输出稳定的3.3V电压；所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过所述温度电源滤波的电感L1、并联的电容C10和电容C11、再通过电感L2接地，并联电容C10和电容C11的两端输出纯净的VDDA和VSSA；所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过温度稳定滤波电路的并联电容C13和电容C14接地，得到稳定的3.3V电源。

6.根据权利要求5所述的矿井井筒内无线温度监测传输装置，其特征在于，所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述主控芯片U1的管腿1、管腿48和管腿24电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端通过电阻R10与所述主控芯片U1的管腿11电连接；所述温度电源滤波电路的VDDA和VSSA输出端与所述主控芯片U1的管腿9和管腿8电连接；

所述主控芯片U1的管腿25、管腿26、管腿27和管腿28通过传感器驱动电路的C_DOWN、C_UP、1820_DATA和P_UP与所述温度传感器通信连接，所述电源管理模块包括5V电源芯片U9分别通过电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5与传感器驱动电路的C_DOWN、C_UP、1820_DATA和P_UP电连接；

所述主控芯片U1的管腿14、管腿15和管腿16与所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿5、管腿6和管腿7通信连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别同电阻R15、电阻R14和电阻R13与所述实时时钟芯片U3的管腿5、管腿6和管腿7电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述实时时钟芯片U3的管腿1电连接，并通过电容C8接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿2和管腿3通过晶振X1，再分别与电容C12和电容C13接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿8与二极管D2连接；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿4接地；

所述主控芯片U1的管腿18通过电阻R8与所述存储模块的存储芯片U2的管腿6通信连接；所述主控芯片U1的管腿19通过电阻R9与所述存储模块的存储芯片U2的管腿5通信连接；所述主控芯片U1的管腿10、管腿29、管腿30、管腿31和管腿32分别与所述数据发射接收模块的射频芯片的管腿6、管腿7、管腿5、管腿4和管腿3通信连接；所述射频芯片的输出端为发射天线(7)；

所述主控芯片U1的管腿34、管腿37与MCU烧录接口P1的管腿3和管腿2通信连接；

所述主控芯片U1的管腿12和管腿13通过电阻R12和电阻R11与发光二极管D3和发光二极管D2接地。

7.根据权利要求1所述的矿井井筒内无线温度监测传输装置，其特征在于，所述数据采集终端(2)包括电源管理模块、微控制器、LCD显示模块、外部控制组件、存储模块、时钟管理模块和数据发射接收模块；所述电源管理模块与所述微控制器、所述LCD显示模块、所述外部控制组件、所述存储模块、所述时钟管理模块和所述数据发射接收模块电连接；所述微控制器与所述LCD显示模块、所述手动控制组件、所述存储模块、所述时钟管理模块和所述数据发射接收模块通信连接。

8.根据权利要求7所述的矿井井筒内无线温度监测传输装置，其特征在于，所述电源管理模块包括5V电源芯片U9、3.3V电源芯片U10、采集电源滤波电路、采集稳定滤波电路和LCD稳定滤波电路，外接电源与所述5V电源芯片U9的管腿5电连接，所述5V电源芯片U9的输出端管腿1输出稳定的5V电压，所述电源芯片U9的输出端管腿1与所述3.3V电源芯片U10的管腿1连接，所述3.3V电源芯片U10的管腿2输出稳定的3.3V电压；

所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过采集电源滤波电路的电感L1、电感L2、电感L3和电感L4接地，电感L2和电感L4之间并联有电容C17、电容C18和电容C19，且电容C17、电容C18和电容C19并联的两端输出VREF+和VREF-，电感L1和电感L3之间并联有电容C15和电容C16，电容C15和电容C16的并联的两端输出VDDA和VSSA；

所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过采集稳定滤波电路的并联电容C20、电容C21、电容C22、电容C23和电容C24接地，得到稳定的3.3V电源；

所述3.3V电源芯片U10的管腿2通过LCD稳定滤波电路的电缆L10得到BLA3.3V电源。

9.根据权利要求7所述的矿井井筒内无线温度监测传输装置，其特征在于，微控制器芯片U7为STM32F103VC，所述LCD显示模块为LCD12864-03HG；所述采集电源滤波电路的VDDA和VSSA输出端与所述微控制器芯片U7的管腿22和管腿19电连接；所述采集电源滤波电路的VREF+和VREF-输出端与所述微控制器芯片U7的管腿21和管腿20电连接；

所述微控制器芯片U7的管腿89、管腿90、管腿91、管腿95和管腿96分别与所述LCD显示模块的管腿7、管腿6、管腿5、管腿4和管腿4通信连接；LCD稳定滤波电路的BLA3.3V电源输出端与所述LCD显示模块的管腿8电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述LCD显示模块的管腿2电连接，同时所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别通过电阻R34、电阻R33、电阻R32、电阻R31、电阻R30与所述LCD显示模块的管腿2、管腿4、管腿5、管腿6和管腿7电连接；所述LCD显示模块的管腿1接地；

所述微控制器芯片U7的管腿80、管腿82、管腿83、管腿84、管腿85、管腿86、管腿87和管腿88通过接口P12的管腿10、管腿8、管腿7、管腿6、管腿5、管腿4、管腿3和管腿2与外部控制组件通信连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别通过电阻R35、电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电阻R41和电阻R42与接口P12的管腿9、管腿8、管腿7、管腿6、管腿5、管腿4、管腿3和管腿2电连接；

所述微控制器芯片U7的管腿43、管腿44和管腿45与所述时钟管理模块的实时时钟芯片的管腿5、管腿6和管腿7通信连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端分别同电阻R44、电阻R45和电阻R46与所述实时时钟芯片U3的管腿5、管腿6和管腿7电连接；所述电源管理模块的3.3V电源输出端与所述实时时钟芯片U3的管腿1电连接，并通过电容C8接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿2和管腿3通过晶振X1，再分别与电容C11和电容C10接地；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿8与二极管D4连接；所述时钟管理模块的实时时钟芯片U3的管腿4接地；

所述微控制器芯片U7的管腿30和管腿31分别通过电阻R49和电阻R50与所述存储模块的存储芯片的管腿6和管腿5通信连接；所述微控制器芯片U7的管腿67、管腿68、管腿69、管腿70和管腿71与所述数据发射接收模块的射频芯片的管腿6、管腿4、管腿5和管腿3、管腿7通信连接；所述射频芯片的输出端为发射天线(7)；

所述微控制器芯片U7的管腿33和管腿34分别通过电阻R58和电阻R59与发光二极管D6和发光二极管D5通信连接；

所述微控制器芯片U7的管腿72和管腿76分别与MCU烧录接口P3的管腿3和管腿2通信连接。

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