CN201650368U - 基于wsn的矿压实时监控系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于WSN的矿压实时监控系统,包括分别布设在多个采掘区内的多个无线传感器子网络、布设在主巷道中的井下监控分站和内部设置有对被监控煤矿矿压进行分析与预测的专家系统的井上监控主机,井上监控主机布设在地面上且与井下监控分站间进行双向通信;无线传感器子网络包括分别对所监控采掘区内的矿压进行实时监测的多个无线传感器节点,和对多个无线传感器节点进行综合管理且将多个无线传感器节点所监测数据上传至井下监控分站的中心协调器。本实用新型设计合理、布设方便、可扩展性强且通信距离长、实用价值高,能对井下矿压进行实时有效监控,解决了现有矿压监控系统存在的接线困难、安装布设繁杂、监控实时性较差等缺陷。

Description

基于WSN的矿压实时监控系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于煤矿安全监控技术领域,尤其是涉及一种基于WSN的矿压实时监 控系统。
背景技术
[0002] 在煤矿生产过程中,矿压事故(如顶板冒落、冲击地压、煤层压出等)不断出现,同 时顶板压力的变化又与瓦斯、煤突出等因素相关联,是影响我国煤矿生产安全的重要因素 之一。尤其在南方煤矿的复杂地质条件下,矿压监测手段、控制技术落后,严重影响整个矿 井的生产计划的完成,使得经济效益受到限制,因此,进行复杂地质条件下矿压实时监控系 统的研究,以较低的成本实现矿压监控的自动化、信息化,对改变我国煤矿安全生产的落后 面貌,提高劳动生产率,具有十分重要的意义。另外,据有关资料统计,我国煤矿发生的各类 事故所造成的死亡总人数中,因顶板冒落而死亡者约占40%以上,超过瓦斯事故死亡人数 而居首位。同时顶底板压力的变化又与瓦斯、煤突出等因素相关联,是影响我国煤矿生产安 全的重要因素。因此,加强矿压实时监控的研究,意义十分重大。
[0003] 基于煤矿安全生产的要求,矿井安全监控技术研究一直是煤矿技术的研究热点和 重点。但是,在国内目前投入应用的矿压监控系统中,都是采用有线方式的压力传感器,而 在工作面中使用该传感器,由于支护移动周期较短,而现场环境条件较差,生产设备较多, 移动有线方式的压力传感器会严重影响正常的开采工作,同时,在复杂地质条件下,有很多 煤矿的工作面受到多种因素的限制,无法安装使用有线矿压监控系统,压力传感器不能应 用,只能进行人工监测,测量的手段和效率较低。因此,从实际应用的角度出发,研究复杂地 质条件下矿压的显现规律,开发无线矿压实时智能监控系统已是亟待解决的技术难题。
[0004] 为了解决无线通讯问题,国内有学者提出采用蓝牙技术解决这个问题,但是,由于 在井下环境条件下,蓝牙通讯技术的有效距离仅有IOm左右,在一定程度上限制了其使用 的方便性,有待于通过进一步研究解决。而国外的相关产品未见报道。
实用新型内容
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种基于 WSN的矿压实时监控系统,其设计合理、布设方便、可扩展性强且通信距离长、实用价值高, 能对井下矿压进行实时有效监控,解决了现有矿压监控系统存在的接线困难、安装布设繁 杂、监控实时性较差等缺陷。
[0006] 为解决上述技术问题,本实用新型采用的技术方案是:一种基于WSN的矿压实时 监控系统,其特征在于:包括分别布设在被监控煤矿中多个采掘区内的多个无线传感器子 网络、布设在煤矿主巷道中的井下监控分站和内部设置有对被监控煤矿矿压进行分析与预 测的专家系统的井上监控主机,所述井上监控主机布设在地面上且其与井下监控分站间进 行双向通信;所述无线传感器子网络包括分别对所监控采掘区内的矿压进行实时监测的多 个无线传感器节点;所述井下监控分站包括控制器模块和多个分别对每个无线传感器子网络中的多个无线传感器节点进行综合管理且将多个无线传感器节点所监测数据上传至控 制器模块的中心协调器,所述中心协调器与无线传感器节点和控制器模块间分别通过无线 和串口通信方式进行双向通信。
[0007] 所述井下监控分站与井上监控主机间通过以太网或RS485网络进行双向通信。
[0008] 所述井下监控分站还包括分别与控制器模块相接的电源管理模块、数据存储模块 和传输通信模块,所述传输通信模块包括异步串行接口一、异步串行接口二和异步串行接 口三;所述井下监控分站的数量为多个,多个井下监控分站间通过与控制器模块相接的异 步串行接口一进行连接;所述控制器模块与所述以太网或RS485网络间通过所述异步串行 接口二进行连接,所述控制器模块与中心协调器间通过所述异步串行接口三进行连接;所 述中心协调器为对多个无线传感器节点进行通信管理、动态组网与双向数据传输的节点通 信模块。
[0009] 所述无线传感器节点为telosB节点,所述中心协调器为与所述telosB节点相对 应的无线微型控制器,且所述无线传感器节点和中心协调器所采用的无线通信模块均为 Zigbee短距离无线通信模块。
[0010] 所述无线传感器节点包括处理器模块、分别与处理器模块相接的传感器模块和射 频收发模块以及分别与处理器模块、传感器模块和射频收发模块相接的电源模块。
[0011] 多个无线传感器节点以中心协调器为中心呈星型结构布设。
[0012] 所述控制器模块为处理器芯片S3C2440。
[0013] 本实用新型与现有技术相比具有以下优点:
[0014] 1、通信距离长,通过WSN的自组网和多跳技术,解决了煤矿恶劣环境下的井下通 信瓶颈问题,监控系统可靠性大大提高。
[0015] 2、能够进行实时信号采集,各个无线传感器节点都可以实时采集矿井下矿压信 息,并将信息转发给地面监控服务器,真正实现对矿井安全的实时监控;同时,本实用新型 可以同时对矿井下各个采掘区内的瓦斯、温湿度等环境参数信息进行采集,实现对矿井安 全的综合性实时监控。
[0016] 3、采用zigbee无线通信技术,功耗低,工作周期短,收发信息功耗低,并具有休眠 模式,采用普通的两节5号电池可以工作三个月到两年左右的时间(与工作环境和工作频 率有关)。
[0017] 4、接线方便且成本低,智能化程度高,使用操作简便,多个井下监控分站可以通过 异步串行接口一实现级联并与井上监控主机间进行双向通信。
[0018] 5、可扩展性强,本实用新型在中心协调器往下的信号采集及传输部分都采用无线 通信技术,每增加一块监控区域,仅添加路由节点便可实现,可移动性好,维护方便。
[0019] 6、实用价值高,将新颖的WSN(即无线传感器网络)技术应用于煤矿安全监控,突 破了传统RFID监控的许多技术瓶颈问题,通过组建智能无线传感网络矿压监控系统,实现 矿压的无线监控,且本实用新型便于在地质条件复杂的工作面或者巷道中使用,能够及时 监控矿压的变化情况并进行预警,从而保障安全生产,降低监测、支护的成本,提高生产效 率。
[0020] 综上所述,本实用新型本实用新型设计合理、布设方便、可扩展性强且通信距离 长、实用价值高,能对井下矿压进行实时有效监控,解决了现有矿压监控系统存在的接线困难、安装布设繁杂、监控实时性较差等缺陷。
[0021] 下面通过附图和实施例,对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。 附图说明
[0022] 图1为本实用新型的工作原理图。
[0023] 图2为本实用新型的电路原理框图。
[0024] 图3为本实用新型无线传感器节点的电路框图。
[0025] 附图标记说明:
[0026] 1-无线传感器子网1-1-无线传感器节点;1-11-处理器模块;络;
[0027] 1-12-传感器模块;1-13-射频收发模块;1_14_电源模块;
[0028] 1-2-中心协调器;2-井下监控分站; 2-1-控制器模块;
[0029] 2-2-电源管理模块;2-3-数据存储模块;2_41_异步串行接口一;
[0030] 2-42-异步串行接口 2-43-异步串行接口三;2-5-晶振电路;二; [0031 ] 2-6-IXD显示模块;3-井上监控主机。
具体实施方式
[0032] 如图1、图2所示,本实用新型包括分别布设在被监控煤矿中多个采掘区内的多个 无线传感器子网络1、布设在煤矿主巷道中的井下监控分站2和内部设置有对被监控煤矿 矿压进行分析与预测的专家系统的井上监控主机3,所述井上监控主机3布设在地面上且 其与井下监控分站2间进行双向通信。所述无线传感器子网络1包括分别对所监控采掘区 内的矿压进行实时监测的多个无线传感器节点1-1。所述井下监控分站2包括控制器模块 2-1和多个分别对每个无线传感器子网络1中的多个无线传感器节点1-1进行综合管理且 将多个无线传感器节点1-1所监测数据上传至控制器模块2-1的中心协调器1-2,所述中心 协调器1-2与无线传感器节点1-1和控制器模块2-1间分别通过无线和串口通信方式进行 双向通信。
[0033] 多个无线传感器节点1-1以中心协调器1-2为中心呈星型结构布设。本实施例中, 所述无线传感器节点1-1为telosB节点,所述中心协调器1-2为与所述telosB节点相对 应的无线微型控制器,且所述无线传感器节点1-1和中心协调器1-2所采用的无线通信模 块均为Zigbee短距离无线通信模块。
[0034] 本实施例中,所述井下监控分站2与井上监控主机3间通过以太网或RS485网络 进行双向通信。
[0035] 所述井下监控分站2还包括分别与控制器模块2-1相接的电源管理模块2-2、数据 存储模块2-3和传输通信模块,所述传输通信模块包括异步串行接口一 2-41、异步串行接 口二 2-42和异步串行接口三2-43。所述井下监控分站2的数量为多个,多个井下监控分站 2间通过与控制器模块2-1相接的异步串行接口一 2-41进行连接;所述控制器模块2-1与 所述以太网或RS485网络间通过所述异步串行接口二 2-42进行连接,所述控制器模块2_1 与中心协调器1-2间通过所述异步串行接口三2-43进行连接。所述中心协调器1-2为对 多个无线传感器节点1-1进行通信管理、动态组网与双向数据传输的节点通信模块。
[0036] 另外,所述井下监控分站2还包括分别与控制器模块2-1相接的晶振电路2-5和IXD显示模块2-6。本实施例中,所述控制器模块2-1为处理器芯片S3C2440。实际使用过 程中,当井下监控分站2与井上监控主机3间通过以太网进行双向通信时,所述异步串行接 口二 2-42相应为异步串行以太网接口。
[0037] 结合图3,所述无线传感器节点1-1包括处理器模块1-11、分别与处理器模块1-11 相接的传感器模块1-12和射频收发模块1-13以及分别与处理器模块1-11、传感器模块 1-12和无线通信模块二 1-13相接的电源模块1-14。本实施例中,所述传感器模块1-12包 括布设在被监测煤矿中的顶板压力支柱上的压力传感器和与所述压力传感器相接的信号 调理模块,所述信号调理模块与处理器模块1-11相接。
[0038] 实际使用前,先在煤矿井下每一个采掘区与主巷道的分支处架设中心协调器1-2, 且根据实际需要在各采掘区内设路由节点(也是信标节点);与此同时,在需监控的顶板压 力支柱上安装一个或多个传感器模块1-12,从而使得每个每个采掘区均形成一个对顶板压 力进行实时检测并将所检测信息通过无线网络同步上传的无线传感器子网络1,各无线传 感器子网络1均通过中心协调器1-2直接与井上监控主机3相连,或者通过井下监控分站 2 (即布设主巷道中的网关设备)与井上监控主机3进行双向通信。
[0039] 所述井下监控分站2以控制器模块2-1 (即芯片S3C2440)为控制核心,调试过程 中通过RS232接口与其它井下监控分站2进行通信,实际使用过程中控制器模块2-1用来 对所述节点通信模块(即中心协调器1-2)进行相应配置并接收无线传感器节点1-1实时 所采集的数据。所述井下监控分站2通过RS 485网络或者以太网获取井上监控主机3的控 制命令,并转发给各无线传感器节点1-1 ;同时获取各无线传感器节点1-1所采集的数据, 并将数据通过RS485网络或者以太网转发给井上监控主机3。
[0040] 以上所述,仅是本实用新型的较佳实施例,并非对本实用新型作任何限制,凡是根 据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍 属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (7)

  1. 一种基于WSN的矿压实时监控系统,其特征在于:包括分别布设在被监控煤矿中多个采掘区内的多个无线传感器子网络(1)、布设在煤矿主巷道中的井下监控分站(2)和内部设置有对被监控煤矿矿压进行分析与预测的专家系统的井上监控主机(3),所述井上监控主机(3)布设在地面上且其与井下监控分站(2)间进行双向通信;所述无线传感器子网络(1)包括分别对所监控采掘区内的矿压进行实时监测的多个无线传感器节点(1‑1);所述井下监控分站(2)包括控制器模块(2‑1)和多个分别对每个无线传感器子网络(1)中的多个无线传感器节点(1‑1)进行综合管理且将多个无线传感器节点(1‑1)所监测数据上传至控制器模块(2‑1)的中心协调器(1‑2),所述中心协调器(1‑2)与无线传感器节点(1‑1)和控制器模块(2‑1)间分别通过无线和串口通信方式进行双向通信。
  2. 2.按照权利要求1所述的基于WSN的矿压实时监控系统,其特征在于:所述井下监控 分站(2)与井上监控主机(3)间通过以太网或RS485网络进行双向通信。
  3. 3.按照权利要求2所述的基于WSN的矿压实时监控系统,其特征在于:所述井下监控 分站(2)还包括分别与控制器模块(2-1)相接的电源管理模块(2-2)、数据存储模块(2-3) 和传输通信模块,所述传输通信模块包括异步串行接口一(2-41)、异步串行接口二(2-42) 和异步串行接口三(2-43);所述井下监控分站(2)的数量为多个,多个井下监控分站(2) 间通过与控制器模块(2-1)相接的异步串行接口一(2-41)进行连接;所述控制器模块 (2-1)与所述以太网或RS 485网络间通过所述异步串行接口二(2-42)进行连接,所述控制 器模块(2-1)与中心协调器(1-2)间通过所述异步串行接口三(2-43)进行连接;所述中心 协调器(1-2)为对多个无线传感器节点(1-1)进行通信管理、动态组网与双向数据传输的 节点通信模块。
  4. 4.按照权利要求1、2或3所述的基于WSN的矿压实时监控系统,其特征在于:所述无 线传感器节点(1-1)为telosB节点,所述中心协调器(1-2)为与所述telosB节点相对应 的无线微型控制器,且所述无线传感器节点(1-1)和中心协调器(1-2)所采用的无线通信 模块均为Zigbee短距离无线通信模块。
  5. 5.按照权利要求4所述的基于WSN的矿压实时监控系统,其特征在于:所述无线传 感器节点(1-1)包括处理器模块(1-11)、分别与处理器模块(1-11)相接的传感器模块 (1-12)和射频收发模块(1-13)以及分别与处理器模块(1-11)、传感器模块(1-12)和射频 收发模块(1-13)相接的电源模块(1-14)。
  6. 6.按照权利要求1、2或3所述的基于WSN的矿压实时监控系统,其特征在于:多个无 线传感器节点(1-1)以中心协调器(1-2)为中心呈星型结构布设。
  7. 7.按照权利要求3所述的基于WSN的矿压实时监控系统,其特征在于:所述控制器模 块(2-1)为处理器芯片S3C2440。
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