CN202676686U - 一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统，特征是包括若干个传感器检测节点群、路由器节点群、汇集节点和上位机系统；每个传感器检测节点群设置有若干个基本传感器节点，其包括粉尘浓度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器；路由器节点群包括处于始发位置的路由器节点与处于中继位置的路由器节点，一个处于始发位置的路由器节点对应一个传感器检测节点群，各路由器节点包括二级微控制器与三级ZigBee收发器；汇集结点包括一级微控制器与二级ZigBee收发器；上位机系统包括可持移动PDA设备与一级ZigBee收发器。本实用新型能够使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的粉尘浓度信息。

Description

一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统

技术领域

本实用新型涉及矿山生产过程中使用的安全监测系统，特别涉及一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统。

背景技术

煤矿粉尘是指煤矿在生产过程中产生的煤炭、岩石等细微固体颗粒的总称。煤矿井下的各个生产环节都可能产生粉尘，如钻眼、炸药爆破、掘进机掘进、采煤机割煤、装煤、采煤支护放顶、巷道支护、装载运输转载及卸载提升等。粉尘危害不仅能使煤矿工人得尘肺病，而且易引发爆炸，造成重大安全事故。据统计到2009年，全国63.9万尘肺病例中,89.37%的病例为矿工尘肺,并且以每年约1万例的速度递增，平均每年死亡2500人以上。我国煤矿普遍具有煤尘爆炸性危险。2009年原国有重点煤矿有532处矿井煤尘有爆炸危险，占87.4%。自2000年以来全国发生特大煤尘爆炸的事故有13起，造成889人死亡。粉尘危害每年造成直接经济损失达数十亿元。

以上所述足见矿井粉尘的危害性之大，同时也说明了粉尘监测与防治的重要性。因此，矿井粉尘的防治问题日益受到广泛关注，世界各国在对矿井粉尘的监测方面都做了大量的研究工作，研究开发了一系列的检测仪器及系统。

目前，国内普遍采用人工、间断性、单地点检测粉尘浓度的方式，或者采用一般有线连接传感器检测方式。这种方式测得的矿井粉尘浓度数据仅反应了测尘时间段内的粉尘状况，并不能全面、准确的反映煤矿井下空间的总体粉尘情况，而且井下环境中有线传感器检测系统的布置工作非常繁琐，灵活性不足且扩展性差，系统部署和维护成本高等缺点，当某一结点出现故障，会使局部区域失去监测能力。

无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期。由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作。日本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。但是，目前大部分的研究尚处于起步阶段，少数投入实用的商业产品距离实际需求还相差甚远。我国在传感器网络方面的研究工作还很少，目前，国内一些高等院校与研究机构已积极开展无线传感器网络的相关研究工作，主要有清华大学、中科院软件所、浙江大学、哈尔滨工业大学、中科院自动化所、中国人民大学等。目前国内研究热点主要集中在穿戴式计算、上下文感知环境、智能教室等领域。

针对以上现状，研究开发适合我国煤矿井下特点的基于无线传感器网络的基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统势在必行。

实用新型内容

本实用新型的任务在于提供一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统。

其技术解决方案是：

一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统，包括布置在井下监测范围内不同区域的若干个传感器检测节点群、用于接收及转发数据信号的路由器节点群、用于接收来自路由器节点群处数据信号的汇集节点和用于接收来自汇集节点处数据信号的上位机系统；每个传感器检测节点群设置有若干个基本传感器节点，各基本传感器节点包括粉尘浓度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器；路由器节点群包括处于始发位置的路由器节点与处于中继位置的路由器节点，一个处于始发位置的路由器节点对应一个传感器检测节点群，各路由器节点包括二级微控制器与三级ZigBee收发器；汇集结点包括一级微控制器与二级ZigBee收发器或总线驱动模块；上位机系统包括PC机或可持移动PDA设备、一级ZigBee收发器或总线驱动模块。

上述各基本传感器节点还包括瓦斯浓度传感器、温度传感器和湿度传感器。

上述末级ZigBee收发器与三级ZigBee收发器各设置有独立的供电电源。

上述基本传感器节点与处于始发位置的路由器节点之间，以及处于始发位置的路由器节点与处于中继位置的路由器节点之间，采用无线射频电磁波传输方式进行通信。

上述基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统还包括用于控制井下除尘系统和通风系统运行状态的控制开关节点群，控制开关节点群无线连接汇集节点，控制开关节点群包括除尘控制开关和通风控制开关。

本实用新型可具有以下有益技术效果：

本实用新型采用无线传感器网络技术，粉尘采样检测点可以广泛的布置在不同作业点，灵活改变监测布局，从而实时获取精确的粉尘浓度检测数据。本实用新型不需要任何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点。本实用新型能够使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的粉尘浓度信息；以及根据获取的粉尘浓度信息对除尘及通风系统实现自动控制。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

图为本实用新型的一种实施方式的原理示意图。

具体实施方式

结合附图，一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统，其包括若干个传感器检测节点群，传感器检测节点群布置在井下监测范围内不同区域，传感器检测节点群的数量可根据井下关键区域的需要进行选定，每个传感器检测节点群设置有若干个基本传感器节点1，如优选5、6、7或8个基本传感器节点，各基本传感器节点包括粉尘浓度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器，末级ZigBee收发器平时处于休眠状态，粉尘浓度传感器间断地采集粉尘浓度信息，并将采集信号进行A/D转换后，通过末级微控制器进行判断处理，一旦判断得知某个基本传感器节点所在区域的粉尘浓度超过标准值，则通过中断机制将末级ZigBee收发器唤醒，并开始向下述路由节点群发送数据，发送数据包含粉尘浓度信息与该基本传感器节点即发送数据的基本传感器节点所在区域的地址信息。路由器节点群用于接收及转发数据信号，路由器节点群包括处于始发位置的路由器节点2与处于中继位置的路由器节点3，一个处于始发位置的路由器节点2对应一个传感器检测节点群，路由器节点2包括二级微控制器与三级ZigBee收发器，路由器节点3也包括二级微控制器与三级ZigBee收发器，各路由器节点平时处于休眠状态，当有来自基本传感器节点处或下述汇集节点处的数据信号时，即被完全唤醒进入正常工作模式，并根据路由算法进行信号传输；一种优选的方式为：上述处于始发位置的路由器节点2，在其对应的一个传感器检测节点群中若有多个基本传感器节点同时向该路由器节点发送数据信号，则由该路由器节点首先求取各个基本传感器节点发送数值（如浓度值）的平均数值（如平均浓度值）后，然后连同所在区域即发送数据的基本传感器节点所在区域的地址信息一起发往下一处于中继位置的路由器节点。汇集节点4主要用于接收来自路由器节点群处数据信号，汇集结点4包括一级微控制器与二级ZigBee收发器或总线驱动模块，由一级微控制器对接收到数据信号进行筛选，筛除无用数据信号，同时对保留数据信号进行功率放大。上位机系统主要用于接收来自汇集节点处数据信号，上位机系统包括PC机或可持移动PDA设备、一级ZigBee收发器或总线驱动模块，上位机系统对接收到的数据进行最后的处理，据此作出判断、显示及报警；一种较为优选的方式为：上述上位机系统还能根据判断结果作出相应的控制信号，通过汇集节点与路由器节点群回传给相应的基本传感器节点，上述基本传感器节点可与控制机构连为一体，驱动小功率电气元件如晶闸管、控制小型继电器等，以执行某种动作，如喷水，报警等。上述末级ZigBee收发器与三级ZigBee收发器各设置有独立的电源模块。

下面对上述有关内容再作更进一步的说明：

关于上述末级、三级、二级以及一级ZigBee收发器（模块）。在矿井中检测粉尘浓度，比较合适的无线信号传送手段主要是射频信号传输。本实用新型充分考虑到以后节点群维护容易和简易性要求，以及节点的自组织能力、灵活性等要求，此处不宜使用红外技术等其他无线通信技术而采用射频信号传输方式。在矿井环境下，射频信号完全可以满足可靠性、精度、灵活性等要求。射频电磁波信号可在各个方向传播，距离限制比红外线等信号要低，这就为节点的自组织提供了方便。

关于上述粉尘浓度传感器。本实用新型主要是检测粉尘浓度，如果需要还可以扩充瓦斯浓度、温度、湿度或能够进行粗略的成分检测（其他）的传感器等。现有技术已有专用于粉尘检测的粉尘浓度检测传感器单元模块，可以视检测对象（粉尘浓度、温度等）和要求(精度、经济等)合理选择传感器件。

关于上述末级微控制器。主要包括A/D和D/A转换模块和数据处理模块，这些模块的选取需要考虑系统要求的精度，时效性等因素，一般8位A/D、D/A模块和8位单片机就能满足要求，如果考虑以后的扩展，如添加显示、语音通信等，则要选择性能较高的单片机。末级微控制器与末级ZigBee收发器互相配合完成浓度信息等数据信号的传输。

关于上述独立的供电电源。无线传感器节点之间的通信是通过无线的形式传输的，电源需要集成在节点上，而不能用传统的电网供电方式，故节能问题也是一个关键问题。节能问题要在设计的各个环节上都要考虑到，无论在硬件还是在软件的设计过程中都要把节能当做一个重要因素来考虑。此处采用5号干电池作为供电电源。ZigBee收发器（模块）在低耗电待机模式下,2节普通5号干电池可使用6个月到2年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。上述基本传感器节点可与控制机构连为一体，驱动小功率电气元件（晶闸管、控制小型继电器等，以执行某种动作，如喷水，报警）。

关于上述路由器节点群。各路由节点由二级ZigBee收发器和8位单片机构成，采用5号干电池供电。主要完成路径搜索、转发分组、自组织新加节点的功能。上述基本传感器节点与处于始发位置的路由器节点之间，以及处于始发位置的路由器节点与处于中继位置的路由器节点之间，采用无线射频电磁波传输方式进行通信，拓扑结构采用树形结构。通信协议采用面向无线传感器网络的ZigBee技术，Zigbee作为一种无线连接,可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高至250Kbit/s、20Kbit/s、40Kbit/s的传输速率,它的传输距离在10～75m的范围内,但还可以继续增加。依据发射功率的大小和应用模式而定,1台Zigbee设备可以连接多达254个同类的设备。此外,由于Zigbee具备高链接数与低耗电的特性,在感应式网络(Sensor Network)使用上具有相当大的优势，zigBee技术已经成为目前WSNS中无线通信技术的首选方案之一。路由器节点采用单片机控制器（如AT89C51CC01）作为协调和寻找路由的核心部件,路由节点的数量视矿井规模和节点数量而定，原则是使路由表不至于太大而影响寻找路由的速度，保证信息实时传输。路由器节点采用的AT89C51CC01为8位微控制器，自身具有CAN控制器，集成有10位ADC、1K XRAM和硬件看门狗WDT；采用静态模式；具有二倍速功能；三个定时/计数器，14个中断源/4级中断优先级。路由节点不必具有检测功能，只需要完成寻找路由和转发分组的功能，所以不需要传感器部件。

关于上述汇集节点。汇集节点应具有更高的数据处理能力，可采用性能较高的处理器—ARM单片机，主要完成数据前端处理和中继站式的功率放大功能。因为节点数量较大，发来的数据信息较多，故汇集节点应具备基本的数据筛选功能，筛除无用信息。汇集节点可在井外设立，发射功率可相应变大以便可以发送信号到远程终端，或者是地面部分选择使用总线方式进行通信。汇集节点可进行数据的预处理等工作，避免上位机工作过于繁忙，如果上位机处理能力足够大那么汇集节点只是转发数据也可。

上述方式中，还包括用于控制井下除尘系统和通风系统运行状态的控制开关节点群5，控制开关节点群无线连接汇集节点，控制开关节点群包括除尘控制开关和通风控制开关。

关于上位机系统。接收从汇集节点发送来的射频信号，主要进行数据的最后处理，进行判断，显示，报警等操作。还可以通过汇集节点发送信号到井下控制开关节点群进行井下控制（如除尘、通风等）。可选择PC机作为上位机系统的核心，也可选用其他PDA设备，根据实际情况选择。上位机系统发出的控制信号的传输可看作是检测信号的逆过程，传输机理相同，只是方向相反而已。通过井下基本传感器节点与控制机构的配合完成相应的控制动作。

上述各传感器检测节点群还可设置有若干个备用传感器节点，正常情况下由基本传感器节点进行检测，一旦有某个基本传感器节点失效，与之最相邻的一个备用传感器节点被唤醒替代该基本传感器。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所作出的任何等同替代，或明显变型方式，也应在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统，其特征在于包括布置在井下监测范围内不同区域的若干个传感器检测节点群、用于接收及转发数据信号的路由器节点群、用于接收来自路由器节点群处数据信号的汇集节点和用于接收来自汇集节点处数据信号的上位机系统；每个传感器检测节点群设置有若干个基本传感器节点，各基本传感器节点包括粉尘浓度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器；路由器节点群包括处于始发位置的路由器节点与处于中继位置的路由器节点，一个处于始发位置的路由器节点对应一个传感器检测节点群，各路由器节点包括二级微控制器与三级ZigBee收发器；汇集结点包括一级微控制器与二级ZigBee收发器或总线驱动模块；上位机系统包括PC机或可持移动PDA设备、一级ZigBee收发器或总线驱动模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统，其特征在于：所述各基本传感器节点还包括瓦斯浓度传感器、温度传感器和湿度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统，其特征在于：所述末级ZigBee收发器与三级ZigBee收发器各设置有独立的供电电源。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统，其特征在于：所述基本传感器节点与处于始发位置的路由器节点之间，以及处于始发位置的路由器节点与处于中继位置的路由器节点之间，采用无线射频电磁波传输方式进行通信。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的矿井粉尘浓度监测系统，其特征在于还包括用于控制井下除尘系统和通风系统运行状态的控制开关节点群，控制开关节点群无线连接汇集节点，控制开关节点群包括除尘控制开关和通风控制开关。