CN203271812U - 基于物联网的矿井实时监控系统 - Google Patents

Abstract

基于物联网的矿井实时监控系统，包括：由若干监测节点构成的无线传感器监测网络、汇聚节点和上位机；监测节点包括zigbee传感模块和zigbee协调模块，监控节点与汇聚节点连接，汇聚节点与上位机连接。本实用新型利用物联网技术对煤矿进行实时动态监控，在辖区矿井内设置无线传感器，对每个矿井的瓦斯与顶板参数、排风量等数据进行实时监控，通过zigbee无线通信模块将数据实时传输到数据处理单元进行处理并保存，安全管理中心可以随时掌握相关参数。采用zigbee无线传感器网络节点布局方案，可以在保证系统性能的前提下尽可能减少节点数目，降低系统的复杂度，提高可靠性和安全性。

Description

基于物联网的矿井实时监控系统

技术领域

本实用新型属于安全监测设备技术领域，特别涉及一种用于监测煤矿中瓦斯浓度和排风量的实时动态监控系统。

背景技术

我国煤矿在生产过程中经常遭受的自然灾害的主要形式有瓦斯灾害、水害、自然发火灾害、煤尘灾害等。在国有重点煤矿中，高瓦斯矿井占21.0%；煤与瓦斯突出矿井占21.3%；低瓦斯矿井占57.7%。地方国有煤矿和乡镇煤矿中，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井占15%。随着开采深度的增加，瓦斯涌出量增大，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的比例还会增加。近年来，瓦斯与顶板重特大事故一直高居第一位。

矿井监控系统是煤矿高产、高效、安全生产的重要保证。我国煤矿安全事故频频发生，除了煤矿分布的自然条件恶劣、生产设施落后以外，煤矿安全技术相对落后也是原因之一。煤矿安全信息化技术不高，不能满足需求，井下安全信息不能及时传到井上生产控制中心，造成井下与井上的信息不对称，容易引发各种灾难。而事故发生后，准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人员撤退路线、井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案，这对事故的救援是十分重要的，也是十分紧迫的任务。

目前，矿井监控系统的传感器多是通过有线的方式与监测终端设备连接，通过有线的方式构成传感网络，在井下复杂环境中布设传感器监测系统工作非常繁琐，灵活性不足且扩展性差，系统部署和维护成本高，对线路的依赖性较强，当某一节点出现故障，会使局部区域失去监测能力。因此必须在传统的煤矿监测手段基础上，利用更加先进、更有优势的技术来构造煤矿监测系统。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种可对矿井内瓦斯量和排风量进行实时动态监控的矿井实时监控系统。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

基于物联网的矿井实时监控系统，包括：由若干监测节点构成的无线传感器监测网络、汇聚节点和上位机；监测节点包括zigbee传感模块和zigbee协调模块，监控节点与汇聚节点连接，汇聚节点与上位机连接。

本实用新型的zigbee传感模块包括瓦斯传感器、风速传感器、数据处理单元、第一无线数据收发单元以及分别与所述瓦斯传感器、风速传感器、数据处理单元、第一无线数据收发单元连接的第一供电单元，所述瓦斯传感器、风速传感器与所述数据处理单元连接，所述数据处理单元与第一无线数据收发单元连接。

本实用新型的zigbee协调模块包括第二无线数据收发单元、串口通信单元以及分别与所述第二无线数据收发单元和串口通信单元连接的第二供电单元，所述第二无线数据收发单元和所述串口通信单元连接。

本实用新型的第一、第二无线数据收发单元为zigbee无线通信模块。

本实用新型的汇聚节点为嵌入式网关。

本实用新型的汇聚节点与所述zigbee协调模块之间通过串口进行数据交互，所述汇聚节点与所述上位机之间通过有线或无线通信方式进行数据交互。

本实用新型的上位机包括相互连接的人机交互模块、数据实时监控模块、网络控制模块、数据库模块、串口控制模块和文件操作模块。

由以上可知，本实用新型利用物联网技术对煤矿进行实时动态监控，在辖区矿井内设置无线传感器，对每个矿井的瓦斯、排风量等数据进行实时监控，通过zigbee无线通信模块将数据实时传输到数据处理单元进行处理并保存，安全管理中心（客户端）可以随时掌握相关参数。采用zigbee无线传感器网络节点布局方案，可以在保证系统性能的前提下尽可能减少节点数目，降低系统的复杂度，提高可靠性和安全性，而且克服了有线数据传输方式中布线困难，维护成本高和系统对线路依赖性强的不足。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的原理框图；

图2是本实用新型监测节点的结构框图；

图3为本实用新型zigbee传感模块的结构框图；

图4为本实用新型zigbee协调模块的结构框图；

图5为本实用新型上位机的结构框图。

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器节点传到另一个传感器节点。

如图1所示，本实用新型的基于物联网的矿井实时监控系统包括无线传感器监测网络1、汇聚节点2和上位机3。其中，无线传感器监测网络1通过zigbee无线通信技术搭建，其由若干个监测节点10组成，每个监测节点10首先是一个传感器节点，能够采集当前位置的瓦斯量和排风量，其次，每个监测节点10还具有路由器的功能，能为其它节点提供路由功能。

如图2所示，监测节点10包括zigbee传感模块10-1和zigbee协调模块10-2。参照图3，图3为zigbee传感模块的结构框图，zigbee传感模块10-1包括瓦斯传感器10-1a、风速传感器10-1b、数据处理单元10-1c、第一无线数据收发单元10-1d和第一供电单元10-1e。第一供电单元10-1e分别与瓦斯传感器10-1a、风速传感器10-1b、数据处理单元10-1c和第一无线数据收发单元10-1d电连接，瓦斯传感器10-1a、风速传感器10-1b与数据处理单元10-1c连接，数据处理单元10-1c与第一无线数据收发单元10-1d连接。zigbee传感模块10-1用于实现瓦斯量和排风量的测量，瓦斯传感器10-1a和风速传感器10-1b采集监测点的数据信号，然后将数据传送至数据处理单元10-1c，数据经过数据处理单元10-1c的打包处理后，通过串口传递给第一无线数据收发单元10-1d，再由第一无线数据收发单元10-1d发送至zigbee协调模块10-2。第一无线数据收发单元10-1d用于维护zigbee网络的路由信息以及完成数据的无线收发。第一供电单元10-1e采用电池供电。

本实施例的瓦斯传感器10-1a采用的是郑州祎盛公司的型号为MJC4/(3.0L)的催化燃烧式气敏元件，风速传感器10-1b采用的是杭州普惠公司的型号为PHWS的风速传感器，数据处理单元10-1c采用的是TI公司的型号为MSP430的处理芯片，数据处理单元10-1c用于处理以下数据：瓦斯数据、风速数据和芯片自身电压值，瓦斯数据为瓦斯传感器10-1a输出的模拟量，通过数据处理单元10-1c自身的A/D模块将模拟量转换为数字量，风速数据则通过计数器计算脉冲信号可获得对应的数值；MSP430芯片自身电压值则通过芯片内部自带的电压比对模块获得，通过获得自身电压，可以得知当前传感器节点是否工作在正常状态下，当电压不足时，则说明当前获得的传感器数据不可信。第一无线数据收发单元10-1d为zigbee无线通信模块，采用的是深圳鼎泰克公司型号为DRF1605的通信模块，该模块通过串口与数据处理单元10-1c进行通信，以传递相应的传感器数据和控制命令。

如图4所示，图4为zigbee协调模块的结构框图，zigbee协调模块10-2包括第二无线数据收发单元10-2a、串口通信单元10-2b和第二供电单元10-2c，第二供电单元10-2c分别与第二无线数据收发单元10-2a和串口通信单元10-2b电连接，第二无线数据收发单元10-2a和串口通信单元10-2b连接。zigbee协调模块10-2用于zigbee网络的建立、网络节点地址的分配和管理以及节点数据的收发，并通过串口将接收到的数据传送到汇聚节点模块2。由于zigbee协调模块要求长时间不间断工作，第二供电单元10-2c采用电源供电的方式。

Zigbee协调模块10-2中的第二无线数据收发单元10-2a与zigbee传感模块10-1中的第一无线数据收发单元10-1d采用的通信模块相同，二者的区别仅是在协议栈中的节点类型定义不同，从而实现不同的网络功能。为了增加节点之间的传输距离，每个节点均采用2.4GHz全向增益天线。在ZigBee网络中，每一个设备都有一个唯一的网络地址，以实现数据的正确收发。

本实用新型的无线传感器监测网络具有高度的自愈性和自适应性，当网络中的某个节点损坏时，其它通过该节点进行路由的节点会自动搜寻其它合适的路由节点，以保证通信的顺畅，由此，个别节点的损坏并不影响网络的整体运行，整个系统的稳定性得到保障。

网关是建立在传输层以上的协议转换器，通常网关连接两个或多个相互独立的网络，每接收一种协议的数据包后，在转发之前会将该接收到数据包转换为另一种相应协议的格式。本实用新型的汇聚节点2为嵌入式网关，采用搭建嵌入式网关的方式来实现物联网和Internet传统有线网络（客户端）之间的互联，实现zigbee网络的串口数据向TCP/IP数据的转换，有利于zigbee网络接入互联网，实现数据的远程传送。本实用新型的汇聚节点2采用的是天嵌公司开发的TQ2440开发板，该开发板主要包括ARM9处理器S3C2440、256MBNandFlash存储芯片K9F2G08、网卡DM9000、串口、存储卡扩展接口等模块。汇聚节点2与zigbee协调模块10-2之间通过串口进行数据交互，汇聚节点2与上位机3（客户端）之间通过网线或GPRS、WiFi等无线通信方式进行数据交互。

上位机3是用户与无线传感器监测网络进行交互的接口，用于提供数据存储服务和交互应用服务。上位机3用于向用户提供矿井瓦斯和排风量的实时数据，为监控部门提供可靠的数据源，有利于监控部门在遇到突发情况下，能及时找到突发情况的发生点，以便及时研究解决措施，避免发生安全事故。如图5所示，上位机3包括相互连接的人机交互模块3-1、数据实时监控模块3-2、网络控制模块3-3、数据库模块3-4、串口控制模块3-5和文件操作模块3-6。其中，人机交互模块3-1用于实现用户使用上位机来查询环境监测系统采集到的各种数据，并进行相应的控制操作；数据实时监控模块3-2块实现了数据的实时显示，实时显示采用数据驱动的方式，避免了定时器自动刷新造成的数据遗漏；网络控制模块3-3实现了TCP/IP接口和上位机3与汇聚节点2（ARM网关）间的通信及数据传输；数据库模块3-4实现了MySQL接口及数据持久化功能，同时也为数据统计和分析提供了数据来源；串口控制模块3-5实现了上位机3通过串口直接配置zigbee网络参数的功能，通过串口可以配置zigbee网络的PANID、节点的网络地址以及节点类型等；文件操作模块3-6实现zigbee传感模块网络状态的记录，为zigbee网络的稳定性分析和控制提供日志类型的支持。

上位机3同时设置有串口通信和网络通信两种功能。串口通信用于实现上位机与协调器之间的通信，可以对zigbee协调模块节点参数的设置；网络通信功能用于实现上位机与ARM网关之间的数据通信，包括传感器数据和控制命令的传送。

本实用新型的监测节点10布置在矿井监测范围内不同区域，监测节点10的数量可根据矿井关键区域的需要进行选定，本实用新型的基于物联网的实时监控系统工作过程为：无线传感器监测网络1的各监测节点10采集瓦斯浓度和排风量数据，然后通过第一无线数据收发单元10-1d将数据传输到zigbee协调模块10-2，zigbee协调模块10-2再通过串口把数据传递到汇聚节点2（网关），汇聚节点2将数据转换为符合TCP协议的数据格式后，利用Internet把数据传递至上位机3（客户端）。

本实用新型采用IEEE802.15.4/ZigBee标准的无线传感器网络技术，具有网络系统支持成本低、易实现、数据传输可靠、低功耗极和各层次的安全性高的优点。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，以上的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。以上所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于本领域的普通技术人员来说，实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例、数量，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对以上所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (7)

1.基于物联网的矿井实时监控系统，包括：由若干监测节点构成的无线传感器监测网络、汇聚节点和上位机；

其特征在于：

所述监测节点包括zigbee传感模块和zigbee协调模块，所述监控节点与所述汇聚节点连接，所述汇聚节点与所述上位机连接。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的矿井实时监控系统，其特征在于：所述zigbee传感模块包括瓦斯传感器、风速传感器、数据处理单元、第一无线数据收发单元以及分别与所述瓦斯传感器、风速传感器、数据处理单元、第一无线数据收发单元连接的第一供电单元，所述瓦斯传感器、风速传感器与所述数据处理单元连接，所述数据处理单元与第一无线数据收发单元连接。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的矿井实时监控系统，其特征在于：所述zigbee协调模块包括第二无线数据收发单元、串口通信单元以及分别与所述第二无线数据收发单元和串口通信单元连接的第二供电单元，所述第二无线数据收发单元和所述串口通信单元连接。

4.根据权利要求2或3所述的基于物联网的矿井实时监控系统，其特征在于：所述第一、第二无线数据收发单元为zigbee无线通信模块。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的矿井实时监控系统，其特征在于：所述汇聚节点为嵌入式网关。

6.根据权利要求1所述的基于物联网的矿井实时监控系统，其特征在于：所述汇聚节点与所述zigbee协调模块之间通过串口进行数据交互，所述汇聚节点与所述上位机之间通过有线或无线通信方式进行数据交互。

7.根据权利要求1所述的基于物联网的矿井实时监控系统，其特征在于：所述上位机包括相互连接的人机交互模块、数据实时监控模块、网络控制模块、数据库模块、串口控制模块和文件操作模块。

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