CN201339487Y - 基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，包括：监控终端上位机和与监控终端上位机进行有线通信的固定监控装置；还包括：终端便携式监控装置，其实时采集矿井的第一环境数据和终端便携式监控装置持有人员的生命体征数据，并通过无线方式发送给固定监控装置，并由固定监控装置转发给监控终端上位机，当终端便携式监控装置和/或监控终端上位机监测到矿井或持有人员处于不安全状态时，终端便携式监控装置发出第一告警信号，当固定监控装置和/或监控终端上位机监测到矿井处于不安全状态时，固定监控装置发出第二告警信号。本实用新型可灵活配置监控装置，实时采集环境及人员数据，实现实时监控。

Description

基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统。

背景技术

煤炭行业是一个特殊的行业，瓦斯、矿尘、火灾、渗漏水、顶压等各种安全隐患严重威胁着矿井作业工人的人身安全，所以要有效的预防上述事故发生，这就需要充分利用现代化的高科技方法从整体上提高煤矿安全保障水平和加强工作人员的安全意识。

现有技术中，例如：专利申请号为200510045627.X，实用新型名称为“矿井综合环境智能监控数据采集通讯装置”专利文献所公开的那样，传统的煤矿环境监测系统采用有线通讯方式进行数据传输，这就带来布线和维护等一系列实际困难，并且监测设施位置相对比较固定，其监测装置很难随煤矿掘进面跟进到位，使得对比较重要的掘进层面的环境监测无法有效地实施，而且不能实时跟踪作业人员，从而不能实时进行煤矿井下环境的监控。

无线传感器网络技术可以从根本上解决环境监测系统中存在的不足。无线传感器网络技术是一种采用成熟无线通信技术的全球统一标准的、开放的网络。它以IEEE802.15.4协议为基础，致力于实现一种适用于固定、便携或移动设备使用的，低复杂度、低成本、低功耗、低速率的短距离双向无线通信。它用无线通信方式进行数据传输处理。随着巷道的延伸，加入了无线传感器网络技术的系统可以及时地在这些区域增加无线网络结点，扩大网络规模。无线传感器网络技术在矿井环境监测中的研究和应用将带来巨大的性能提升和经济效益。

实用新型内容

为了克服现有技术结构的不足，本实用新型提供一种基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统。

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，包括：监控终端上位机和与监控终端上位机进行有线通信的固定监控装置；其还包括：终端便携式监控装置，终端便携式监控装置实时采集矿井的第一环境数据和终端便携式监控装置持有人员的生命体征数据，并通过无线方式发送给固定监控装置，并由固定监控装置转发给监控终端上位机，当终端便携式监控装置监测到矿井处于不安全状态时，发出第一告警信号；当固定监控装置监测到矿井处于不安全状态时，发出第二告警信号，当监控终端上位机监测到矿井或持有人员处于不安全状态时，终端便携式监控装置发出第一告警信号和/或固定监控装置发出所述第二告警信号。

在上述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统中，终端便携式监控装置包括第一传感器、第一无线收发器和第一报警器，第一传感器用于采集第一环境数据和生命体征数据，并通过第一无线收发器发送；第一无线收发器接收监控终端上位机的第一报警指令；第一报警器当通过第一无线收发器接收到来自监控终端的第一报警指令时，发出所述第一告警信号；而且，第一报警器从第一传感器接收采集到的第一环境数据和生命体征数据，对矿井的安全状态进行监测，当监测到矿井处于不安全状态时，发出第一告警信号。

在上述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统中，固定监控装置包括第二传感器、网络协调器、第二报警器和与第一无线收发器进行通信的第二无线收发器，第二传感器用于采集矿井的第二环境数据，并通过网络协调器发送；网络协调器接收来自监控终端上位机的第二报警指令，并转发给第二报警器，而且将通过第二无线收发器接收到的来自第一无线收发器的第一环境数据和生命体征数据转发给监控终端上位机，第二报警器当接收到网络协调器转发的来自监控终端上位机的第二报警指令时，发出第二告警信号，而且，第二报警器从第二传感器接收采集到的第二环境数据，对矿井的安全状态进行监测，当监测到矿井处于不安全状态时，发出第二告警信号。

在上述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统中，第一环境数据和第二环境数据分别包括：瓦斯浓度、渗漏水、空气湿度和温度；生命体征数据包括：脉搏、血压、呼吸、体温。

在上述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统中，监控终端上位机进行瓦斯浓度4％以内的检测，当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，通知相应的第一报警器发出第一告警信号和/或第二报警器发出第二告警信号；监控终端上位机进行矿井渗漏水的监测，当监测到矿井发生渗漏水情况时，通知相应的第一报警器发出第一告警信号和/或第二报警器发出第二告警信号。

在上述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统中，固定监控装置与监控终端上位机之间通过CAN(ControllerArea Network，控制器局域网络)总线进行有线通信；固定监控装置和终端便携式监控装置分别具有多个，固定监控装置相互之间进行有线通信；终端便携式监控装置之间通过固定监控装置进行无线通信。

在上述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统中，第一无线收发器和第二无线收发器分别有一个64位的地址，采用无线传感器网络技术实现无线方式的数据发送和接收。

在上述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统中终端便携式监控装置的第一报警器进行瓦斯浓度4％以内的检测，当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，第一报警器发出所述第一告警信号，并进行矿井渗漏水的监测，当监测到矿井发生渗漏水情况时，第一报警器发出所述第一告警信号；固定监控装置的第二报警器进行瓦斯浓度4％以内的检测，当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，第二报警器发出第二告警信号，并进行矿井渗漏水的监测，当监测到矿井发生渗漏水情况时，第二报警器发出第二告警信号。

在上述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统中，网络协调器对第一环境数据、生命体征数据、第一告警信号、第二环境数据和第二告警信号进行分析，选择路由发送出去。

在上述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统中，监控终端上位机响应第一告警信号和第二告警信号，启动安全控制措施；并记录发出生命体征数据的持有人员的位置。

本实用新型的有益效果在于，根据本实用新型可以提供一种高效、低成本、低功耗的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，监测设施可灵活配置，位置不受限制，其监测装置很容易随煤矿掘进面跟进到位，能够实现对比较重要的掘进面的环境及人员信息的实时监控。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本实用新型以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定，其中：

图1为本实用新型的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统100的概略框图；

图2是本实用新型的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统100的详细框图；以及

图3是本实用新型的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型进一步说明。

图1为本实用新型的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统100的概略框图，如图1所示，基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统100包括：监控终端上位机30和与监控终端上位机30进行有线通信的固定监控装置(FFD，网关设备，矿井巷道内的固定节点)20；其还包括：终端便携式监控装置(RFD，井下人员佩戴的无线传感器网络技术终端便携式节点)10，终端便携式监控装置10实时采集矿井的第一环境数据和终端便携式监控装置10持有人员的生命体征数据，并通过无线方式发送给固定监控装置20，并由固定监控装置20转发给监控终端上位机30，终端便携式监控装置10当监测到矿井处于不安全状态时，发出第一告警信号，固定监控装置20当监测到矿井处于不安全状态时，发出第二告警信号，当监控终端上位机30监测到矿井或持有人员处于不安全状态时，终端便携式监控装置10发出第一告警信号和/或固定监控装置20发出第二告警信号。

图2是本实用新型的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统100的详细框图，如图2所示，在本实用新型的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统100中，终端便携式监控装置10包括第一传感器12、第一无线收发器14和第一报警器16，第一传感器12用于实时采集环境数据和生命体征数据，并通过第一无线收发器14发送；第一无线收发器14接收监控终端上位机30的第一报警指令；第一报警器16当通过第一无线收发器14接收到来自监控终端上位机30的第一报警指令时，发出第一告警信号；第一报警器16从第一传感器接收采集到的第一环境数据和生命体征数据，对矿井的安全状态进行监测，当监测到矿井处于不安全状态时，发出第一告警信号。

此外，固定监控装置20包括第二传感器22、网络协调器24、第二报警器28和与第一无线收发器14进行通信的第二无线收发器26，第二传感器22用于实时采集矿井的第二环境数据，并通过网络协调器24发送；网络协调器24接收来自监控终端上位机30的第二报警指令，并转发给第二报警器28，而且将通过第二无线收发器26接收到的来自第一无线收发器14的第一环境数据、生命体征数据转发给监控终端上位机30，第二报警器28当接收到网络协调器24转发的来自监控终端上位机30的第二报警指令时，发出第二告警信号，第二报警器28从第二传感器接收采集到的第二环境数据，对矿井的安全状态进行监测，当监测到矿井处于不安全状态时，发出第二告警信号。

这里，第一环境数据和第二环境数据分别包括：瓦斯浓度、渗漏水、空气湿度和温度；生命体征数据包括：脉搏、血压、呼吸、体温。

监控终端上位机30进行瓦斯浓度4％以内的检测，当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，通知相应的第一报警器16发出第一告警信号和/或第二报警器28发出第二告警信号；监控终端上位机30进行矿井渗漏水的监测，当监测到矿井发生渗漏水情况时，通知相应的第一报警器16发出第一告警信号和/或第二报警器28发出第二告警信号。

此外，固定监控装置20与监控终端上位机30之间通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线进行有线通信；固定监控装置20和终端便携式监控装置10分别具有多个，固定监控装置20相互之间进行有线通信；终端便携式监控装置10之间通过固定监控装置20进行无线通信。

而且，第一无线收发器14和第二无线收发器26分别有一个64位的地址，采用无线传感器网络技术实现无线方式的数据发送和接收。

此外，第一报警器16进行瓦斯浓度4％以内的检测，当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，第一报警器16发出第一告警信号，并进行矿井渗漏水的监测，当监测到矿井发生渗漏水情况时，第一报警器16发出第一告警信号。

而且，第二报警器28进行瓦斯浓度4％以内的检测，当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，第二报警器28发出第二告警信号，并进行矿井渗漏水的监测，当监测到矿井发生渗漏水情况时，第二报警器28发出第二告警信号。

网络协调器24对第一环境数据、生命体征数据、第一告警信号、第二环境数据和第二告警信号进行分析，选择路由发送出去。监控终端上位机30对接收到的第一环境数据、生命体征数据、第二环境数据进行处理和融合，判断矿井的安全状况，当判断矿井处于不安全状态时，发出第一报警指令和/或第二报警指令，启动安全控制措施；并记录发出生命体征数据的持有人员的位置。

无线传感器网络技术网络中的设备分为FFD(FullFunctionDevice)设备和RFD(Reduced Function Device)设备，其中FFD设备也可作为协调器(coordinator)使用。FFD是具有路由与中继功能的网络节点，可以与RFD节点通信，也可以与别的FFD节点通信；RFD节点作为网络终端节点，相互间不能直接通信，只能通过FFD节点发送和接收信息，不具有路由和中继功能。RFD和FFD的硬件结构基本相同，只是网络层不一样；协调器是网络组织者，负责网络组建和信息路由。

矿工身上佩戴由传感器、微处理器和无线传感器网络技术模块等集成的终端便携式设备(RFD)，主要由各种传感器、报警器以及无线传感器网络发射接收模块组成。传感器主要分成两部分：一部分用于环境监测，瓦斯浓度、渗漏水、空气湿度等；另一部分用于矿工生命体征的采集，如脉搏、血压、呼吸、体温等。传感器采集上述信号后经过放大、A/D转换、信号处理等，最终由无线传感器网络发射模块无线传输至矿井巷道壁上的网关设备。

每个RFD都拥有一个64位的IEEE地址，也可以使用16位短地址来减小数据包尺寸，只要记录下终端地址就可以很容易地确定矿工身份，在发生矿难时，很容易根据网关最后的记录找到每个矿工的具体位置，便于营救。

巷道中每隔几十米应架设固定的网关设备(FFD)，其硬件组成和RFD大致相同，也是由各种传感器、报警器以及无线发射接收模块组成。FFD的传感器主要用于环境监测，瓦斯浓度、渗漏水和空气温湿度等。FFD用线缆相连，用于收集无线传感器网络的无线信号，并将收集到的数据通过有线方式传输到地面上的监控终端上位机。由于矿井采掘面不断延伸，有线设备的框架不便及时跟进，所以应在采掘面附近采用无线中继设备将信号传输至FFD。FFD收集到的信号通过有线方式传输到地面上。

监控终端上位机主要任务是整个系统的决策和控制：数据经过处理和融合，判断系统是否处于不安全状态，以决定是否发出告警信号并启动安全维护的执行机构；记录终端位置以便于矿难发生时营救；对整个系统的数据进行自动备份等。

具体地，基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统的组成部分有，监控终端上位机212、多个FFD(网关设备，矿井巷道内的固定节点)214和多个RFD(井下人员佩戴的无线传感器网络技术终端便携式节点)216，其中，监控终端上位机212与FFD 214通过CAN总线连接，矿工身上佩戴的RFD 216和固定的网关设备FFD 214的电源管理模块有动态显示电源电量功能，当电量不足时，会发出提示。矿井环境监测模块210，能够满足煤矿矿井下复杂环境对传感器网络中节点体积小和无线通信接收发送数据的要求；基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统通过网络节点携带的传感器能够确定煤矿工作业环境的瓦斯浓度、渗漏水状况和温湿度等信息，并传送至上位机，进而确定矿工作业的环境是否安全，并采取相应的措施。完成的功能具体如下：

1)对井下瓦斯浓度、渗漏水状况、温度、湿度信号实时采集处理。

2)可以实现瓦斯浓度4％以内的检测，且当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，节点能够发出告警信号。

3)可以实现渗漏水状况的检测，当发现渗漏水情况时，节点能够发出告警信号。

4)LCD液晶能够动态显示环境的温度湿度、瓦斯浓度以及渗漏水状况。

5)RFD能够在节点之间组网，具有无线收发功能。无线模块可以把测到的瓦斯浓度信息发送到FFD，再传送到监控终端上位机，以实现实时监视以及控制。

6)传感器节点采用低功耗技术，具有睡眠等多种工作模式。

7)支持面向井下煤矿行业应用的多通道传感器以及特殊需求功能的集成和接入。

值得说明的是，图3中所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统100所涉及的监控终端上位机212、固定监控装置FFD 214和终端便携式监控装置RFD 216与图1，图2中的监控终端上位机30、固定监控装置20和终端便携式监控装置10的结构和功能相同。

根据本实用新型的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，监测设施可灵活配置，位置不受限制，其监测装置很容易随煤矿掘进面跟进到位，能够实现对比较重要的掘进面的环境及人员信息的实时监控。

如上所述，对本实用新型的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本实用新型的实用新型点及效果可以有很多的变形，这对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，包括：监控终端上位机和与所述监控终端上位机进行有线通信的固定监控装置；其特征在于，还包括：

终端便携式监控装置，所述终端便携式监控装置实时采集矿井的第一环境数据和所述终端便携式监控装置持有人员的生命体征数据，并通过无线方式发送给所述固定监控装置，并由所述固定监控装置转发给所述监控终端上位机，

当所述终端便携式监控装置监测到矿井处于不安全状态时，发出第一告警信号，

当所述固定监控装置监测到矿井处于不安全状态时，发出第二告警信号，

当所述监控终端上位机监测到矿井或所述持有人员处于不安全状态时，所述终端便携式监控装置发出所述第一告警信号和/或所述固定监控装置发出所述第二告警信号。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，其特征在于：所述终端便携式监控装置包括第一传感器、第一无线收发器和第一报警器，

所述第一传感器用于采集所述第一环境数据和所述生命体征数据，并通过所述第一无线收发器发送；

所述第一无线收发器接收所述监控终端上位机的所述第一报警指令；

所述第一报警器当通过所述第一无线收发器接收到来自所述监控终端上位机的所述第一报警指令时，发出所述第一告警信号；而且，所述第一报警器从所述第一传感器接收采集到的所述第一环境数据和所述生命体征数据，对矿井的安全状态进行监测，当监测到矿井处于不安全状态时，发出所述第一告警信号。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，其特征在于：所述固定监控装置包括第二传感器、网络协调器、第二报警器和与所述第一无线收发器进行通信的第二无线收发器，

所述第二传感器用于采集矿井的第二环境数据，并通过所述网络协调器发送；

所述网络协调器接收来自所述监控终端上位机的第二报警指令，并转发给所述第二报警器，而且将通过所述第二无线收发器接收到的来自所述第一无线收发器的第一环境数据和所述生命体征数据转发给所述监控终端上位机，

所述第二报警器当接收到所述网络协调器转发的来自所述监控终端上位机的所述第二报警指令时，发出第二告警信号，而且，所述第二报警器从所述第二传感器接收采集到的所述第二环境数据，对矿井的安全状态进行监测，当监测到矿井处于不安全状态时，发出所述第二告警信号。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，其特征在于：

所述第一环境数据和所述第二环境数据分别包括：瓦斯浓度、渗漏水、空气湿度和温度；

所述生命体征数据包括：脉搏、血压、呼吸、体温。

5.根据权利要求4所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，其特征在于：

所述监控终端上位机进行瓦斯浓度4％以内的检测，当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，通知相应的所述第一报警器发出所述第一告警信号和/或所述第二报警器发出所述第二告警信号；

所述监控终端上位机进行矿井渗漏水的监测，当监测到矿井发生渗漏水情况时，通知相应的所述第一报警器发出所述第一告警信号和/或所述第二报警器发出所述第二告警信号。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，其特征在于：

所述固定监控装置与所述监控终端上位机之间通过控制器局域网络总线进行有线通信；

所述固定监控装置和所述终端便携式监控装置分别具有多个，所述固定监控装置相互之间进行有线通信；所述终端便携式监控装置之间通过所述固定监控装置进行无线通信。

7.根据权利要求2至5中任一项所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，其特征在于：所述第一无线收发器和所述第二无线收发器分别有一个64位的地址，采用无线传感器网络技术实现无线方式的数据发送和接收。

8.按照权利要求1至5中任一项所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，其特征在于：

所述终端便携式监控装置的所述第一报警器进行瓦斯浓度4％以内的检测，当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，发出所述第一告警信号，并进行矿井渗漏水的监测，当监测到矿井发生渗漏水情况时，发出所述第一告警信号；

所述固定监控装置的所述第二报警器进行瓦斯浓度4％以内的检测，当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，发出所述第二告警信号，并进行矿井渗漏水的监测，当监测到矿井发生渗漏水情况时，发出所述第二告警信号。

9.按照权利要求3至5中任一项所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，其特征在于：所述网络协调器对所述第一环境数据、所述生命体征数据、所述第一告警信号、所述第二环境数据和所述第二告警信号进行分析，选择路由发送出去。

10.按照权利要求9所述的基于无线传感器网络的煤矿井下环境安全实时监控系统，其特征在于：所述监控终端上位机响应所述第一告警信号和所述第二告警信号，启动安全控制措施；并记录发出所述生命体征数据的所述持有人员的位置。

Images