CN204392304U - 基于无线传感网络的矿难预警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及矿难预警系统，尤其是基于无线传感网络的矿难预警系统。预警系统包括：监控设备、GPRS模块、主控模块，无线传感网络各终端装置都包括：数据采集模块、RF通信模块， 数据采集模块输出端与RF通信模块ADC端连接，RF通信模块输出端与主控模块I/O端连接，输出采集数据至主控模块，主控模块UART端与GPRS模块I/O端连接，GPRS模块输出端与监控设备输入端连接，主控模块通过GPRS模块输出采集数据以及对数据的分析结果至监控设备。本实用新型提供了一种成本低、维护方便、自动化智能化程度高的瓦斯预警系统，减少主控器数目，简化系统结构，便于工作人员进一步处理分析检测数据，防备可能发生的矿难。

Description

基于无线传感网络的矿难预警系统

技术领域

       本实用新型涉及矿难预警系统，尤其是基于无线传感网络的矿难预警系统。

背景技术

目前，煤炭是世界重要的三大能源之一，并且所占比例最高。我国是个产煤大国，同时也是一个矿难发生比较多的国家。近些年来，随着国民经济对于能源需求的不断增加，我国对于煤炭的开采规模与速度逐年增加，但是盲目的追求数据以及对安全隐患的不重视导致了近些年来我国的煤矿安全事故频频发生，给国家和人民生命财产造成巨大损失，因此保证矿井工作环境的安全是目前煤矿工业迫在眉睫需要解决的问题。瓦斯爆炸是引发矿难的主要原因之一，在矿井安全中，瓦斯浓度是一项非常重要的指标，因此只有对矿井中的瓦斯浓度以及温度和湿度等环境信息及时掌握，才能保证矿井工作环境的安全。目前多数的矿井安全监测系统采用有线方式进行信号的传输，这种方式布线比较麻烦，对于线路的依赖性比较强，安装和维护设备的成本比较高，当矿难发生的时候，设备和电缆往往会受到损害不能为矿难发生后的搜求工作提供有效信息

无线传感器网络是一种由大量微型移动传感器节点构成的网络，能够协作的实施监测、感知和采集环境信息，并对数据进行处理后传送到监控中心。它综合了传感器技术、遥测遥控技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，使其通信和感知节点可以移动、无须铺设线路、操作简单、容易维护、组网成本低，是解决煤矿瓦斯全方位、实时监测的一种可行方法。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了基于无线传感网络的矿难预警系统，以解决有线连接的监测系统在矿难发生后不能提供有效信息的技术问题。

       本实用新型为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

基于无线传感网络的矿难预警系统，包括：监控设备、GPRS模块、主控模块，无线传感网络各终端装置都包括：数据采集模块、RF通信模块，其中：

数据采集模块输出端与RF通信模块ADC端连接；

RF通信模块输出端与主控模块I/O端连接，输出采集数据至主控模块；

主控模块UART端与GPRS模块I/O端连接，GPRS模块输出端与监控设备输入端连接，主控模块通过GPRS模块输出采集数据以及对数据的分析结果至监控设备；

所述GPRS模块，包括：第一至第六电容、MG323芯片、SIM卡，MG323芯片的供电端口、数据端口、时钟端口、复位端口分别与SIM卡的电源端、数据接口、时钟信号端口、复位端口连接，SIM卡的复位端口、接地端口之间接第一电容，SIM卡的数据接口、接地端口之间接第二电容，SIM卡的电源端、接地端口之间接第三电容，SIM卡的时钟信号端口、接地端口之间接第四电容，MG323芯片电池接入端口的各引脚并接后与第五电容一极、第六电容一极相连接，第五电容另一极、第六电容另一极均接地。

作为所述基于无线传感网络的矿难预警系统的进一步优化方案，所述数据采集模块，包括：瓦斯传感器、第一至第三差动放大器、第一至第十一电阻、滤波电容，其中：

瓦斯传感器的第一检测端口、第八电阻一端以及第十电阻一端相连，第十电阻另一端接检测电源，瓦斯传感器的第二检测端口以及第十一电阻的一端均接地，第八电阻另一端、第十一电阻另一端并接后与第一差动放大器的同相输入端连接，瓦斯传感器的两个输出端口并接后与第二差动放大器的同相输入端连接；

第一差动放大器的反向输入端、输出端均与第一电阻一端连接；

第二差动放大器的反向输入端、输出端均与第五电阻一端连接；

第三差动放大器的同相输入端与第五电阻另一端、第六电阻一端相连接，第三差动放大器的反相输入端与第一电阻另一端、第二电阻一端相连接，第二电阻另一端、第三电阻一端均与第七电阻一端连接，第七电阻另一端、第六电阻另一端均与第九电阻一端连接，第三差动放大器输出端与第三电阻另一端、第四电阻一端相连接，第四电阻另一端与滤波电容一极并接后接主控模块的ADC端口，第九电阻另一端以及滤波电容另一极均接地。

作为所述基于无线传感网络的矿难预警系统的进一步优化方案，所述RF通信模块，包括：CC2430芯片、功率放大器、第七至第十九电容、第十二至十四电阻、第一至第二晶振电容，其中：

CC2430芯片的数字I/O供电端、模拟供电连接端、核心稳压器供电端，以及第七电容一极、第八电容一极、第九电容一极均接电源电压，CC2430芯片的数字供电退耦端接第十电容一极，CC2430芯片的复位端接第十二电阻一端，CC2430芯片的数字噪声隔离供电连接端、ADC数字部分供电端、ADC和DAC模拟部分供电端、可变增益放大器供电端、混频器供电端、LNA/PA开关供电端、LNA/PA供电端、预分频器供电端、VCO供电端、VCO保护环供电端、相位检测模块供电端、带通滤波器/模拟测试模块供电端，以及第十一电容一极、第十二电容一极、第十三电容一极均接工作电源，CC2430芯片的RFI/O端口之间接第一电感，CC2430芯片的RFI/O端口、PA调整电压供电端之间接第二电感，第三电感一端与CC2430芯片的RFI/O端口连接，第三电感另一端与第十四电容一极连接，第十四电容另一极接功率放大器，CC2430芯片的晶振模拟I/O引脚之间接第一晶振电容，CC2430芯片的晶振数字I/O引脚之间接第二晶振电容，第一晶振电容两级分别经过第十五电容、第十六电容接地，第二晶振电容两级分别经过第十七电容、第十八电容接地，CC2430芯片的两个偏置电阻连接端分别连接第十三电阻、第十四电阻，CC2430芯片的稳压供电输出端经第十九电容接地，第七至第十三电容的另一极均接地，第十二电阻另一端接电源电压。

作为所述基于无线传感网络的矿难预警系统的进一步优化方案，所述主控模块为S3C2440X芯片。

本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：提供了一种成本低、维护方便、自动化智能化程度高的瓦斯预警系统；数据采集模块与RF通信模块ADC端连接以传输采集数据至主控模块，本系统相对于每个终端装置都包含一个主控器的方案来说，减少了主控器的数目，简化了系统结构；主控模块对各终端采集的数据进行阀值比较，将实时预警判断的结果反馈给监控中心，便于工作人员进一步处理分析检测数据，防备可能发生的矿难。

附图说明

图1是预警系统的框图。

图2为主控模块的电路图。

图3（a）是瓦斯传感器，图3（b）是差动放大器及其外围电路图。

图4为GPRS模块的电路图。

图5为RF通信模块的电路图。

图中标号说明：R1-R11为第一至第十一电阻，C1-C4为第一至第四电容，R101为第十二电阻，R221为第十三电阻、R261为第十四电阻，C8为第五电容，C9为第六电容，C71为第七电容，C411为第八电容，C231为第九电容，C421为第十电容，C351为第十一电容，C281为第十二电容，为第十三电容，C341为第十四电容，C191为第十五电容、C211为第十六电容，C431为第十七电容、C441为第十八电容，C241为第十九电容，Y1为第一晶振电容，Y2为第二晶振电容，L321为第一电感，L331为第二电感一端，L341为第三电感，P1为功率放大器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明。

本实用新型涉及的矿难预警系统如图1所示，包括：监控设备、GPRS模块、主控模块、无线传感网络包括N个终端，N>1，各终端装置都包括：数据采集模块、RF通信模块。数据采集模块输出端与RF通信模块ADC端连接，RF通信模块输出端与主控模块I/O端连接，主控模块UART端与GPRS模块I/O端连接，GPRS模块输出端与监控设备输入端连接，主控模块通过GPRS模块输出采集数据以及对数据的分析结果至监控设备。

主控模块如图2所示，核心芯片是S3C2440，ARM920T内核，它包含3通道UART、2通道SPI、IIC总线、IIS/AC97音频控制器、SD/MMC控制器、2通道USB等资源。S3C2440通过串行通信获取瓦斯数据，并与预设阀值比较判断是否有矿难的可能性，在采集的瓦斯数据超过阀值时现场报警，再通过GPRS模块将采集的瓦斯数据以及判断结果发送给监控设备。主控模块的外部存储包括IIC总线的AT24C64存储单元和MCI接口的SD卡读取。

数据采集模块包括图3（a）所示瓦斯传感器MJC4/3.0L以及图3（b）所示的以LM324为核心芯的差动放大器（即为权利要求中的第一至第三差动放大器）、第一至第十一电阻R1-R11、滤波电容C1。瓦斯传感器的4号端脚（即为第一检测端口）、第八电阻R8一端以及第十电阻R10一端相连，第十电阻R10另一端接检测电源VCC，瓦斯传感器的1号端脚（即为第二检测端口）以及第十一电阻R11的一端均接地，第八电阻R8另一端、第十一电阻R11另一端并接后与第一差动放大器的同相输入端IN1+连接，瓦斯传感器的2、3号端脚（即为两个输出端口）并接后与第二差动放大器的同相输入端IN2+连接，第一差动放大器的反向输入端IN1-、输出端OUT1均与第一电阻R1一端连接，第二差动放大器的反向输入端IN2-、输出端OUT2均与第五电阻R5一端连接，第三差动放大器的同相输入端IN3+与第五电阻R5另一端、第六电阻R6一端相连接，第三差动放大器的反相输入端IN3-与第一电阻R1另一端、第二电阻R2一端相连接，第二电阻R2另一端、第三电阻R3一端均与第七电阻R7一端连接，第七电阻R7另一端、第六电阻R6另一端均与第九电阻R9一端连接，第三差动放大器输出端OUT3与第三电阻R3另一端、第四电阻R4一端相连接，第四电阻R4另一端与滤波电容C1一极并接后接主控处理模块的ADC端口，第九电阻R9另一端一极滤波电容C1另一极均接地。瓦斯监测模块中瓦斯传感器MJC4/3.0L输出的模拟测量信号非常微弱，需要放大电路对其进行放大处理，核心芯片是LM324，LM324是比较常用的放大器，带有真差动输入，RF通信模块通过其ADC端获取数据采集模块采集的瓦斯数据。

GPRS模块采用图4所示的MG323芯片，SIM卡。MG323芯片的供电端口VSIM、数据端口SIM_DATA、时钟端口SIM_CLK、复位端口SIM_RST分别与SIM卡的电源端VCC_SIM、数据接口SIM_DAT、时钟信号端口SIM_CLK、复位端口SIM_RST连接，SIM卡的复位端口SIM_RST、接地端口GND之间接第一电容C1，SIM卡的数据接口SIM_DAT、接地端口GND之间接第二电容C2，SIM卡的电源端VCC_SIM、接地端口GND之间接第三电容C3，SIM卡的时钟信号端口SIM_CLK、接地端口GND之间接第四电容C4，MG323芯片的电池接入端口VBAT的各引脚并接后与第五电容C8一极、第六电容C9一极相连接，第五电容C8另一极、第六电容C9另一极均接地。GPRS模块的核心芯片通过串口连接到S3C2440的UART1端，接收UART1_RD信号、UART1_TD信号。

RF通信模块如图5所示，核心芯片为CC2430。 CC2430芯片的数字I/O供电端DVDD、模拟供电连接端AVDD_SOC/AVDD_RREG、核心稳压器供电端AVDD_DREG，以及第七电容C71一极、第八电容C411一极、第九电容C231一极均接电源电压VCC，CC2430芯片的数字供电退耦端DCOUPL接第十电容C421一极，CC2430芯片的复位端RESET_N接第十二电阻R101一端，CC2430芯片的数字噪声隔离供电连接端AVDD_DGUARD、ADC数字部分供电端DVDD_ADC、ADC和DAC模拟部分供电端AVDD_ADC、可变增益放大器供电端AVDD_IF2、混频器供电端AVDD_RF2、LNA/PA开关供电端AVDD_SW、LNA/PA供电端AVDD_RF、预分频器供电端AVDD_PRE、VCO供电端AVDD_VCO、VCO保护环供电端VCO_GUARD、相位检测模块供电端AVDD_CHP、带通滤波器/模拟测试模块供电端AVDD_IF，以及第十一电容C351一极、第十二电容C281一极、第十三电容C251一极均接工作电源，CC2430芯片的RFI/O端口RF_N/RF_P之间接第一电感L321，CC2430芯片的RFI/O端口RF_N、PA调整电压供电端TXRX_SWITCH之间接第二电感L331，第三电感L341一端与CC2430芯片的RFI/O端口RF_P连接，第三电感L341另一端与第十四电容C341一极连接，第十四电容C341另一极接功率放大器P1，CC2430芯片的晶振模拟I/O引脚XOSC_Q1/XOSC_Q2之间接第一晶振电容Y1，CC2430芯片的晶振数字I/O引脚P2.3/XOSC_Q1/P2.4/XOSC_Q2之间接第二晶振电容Y2，第一晶振电容Y1两级分别经过第十五电容C191、第十六电容C211接地，第二晶振电容Y2两级分别经过第十七电容C431、第十八电容C441接地，CC2430芯片的两个偏置电阻连接端RBIAS/RBIAS2分别连接第十三电阻R221、第十四电阻R261，CC2430芯片的稳压供电输出端RREG_OUT经第十九电容C241接地，第七至第十三电容的另一极均接地，第十二电阻R101另一端接电源电压VCC。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.基于无线传感网络的矿难预警系统，其特征在于，包括：监控设备、GPRS模块、主控模块，无线传感网络各终端装置都包括：数据采集模块、RF通信模块，其中：

数据采集模块输出端与RF通信模块ADC端连接；

RF通信模块输出端与主控模块I/O端连接，输出采集数据至主控模块；

主控模块UART端与GPRS模块I/O端连接，GPRS模块输出端与监控设备输入端连接，主控模块通过GPRS模块输出采集数据以及对数据的分析结果至监控设备；

所述GPRS模块，包括：第一至第六电容、MG323芯片、SIM卡，MG323芯片的供电端口、数据端口、时钟端口、复位端口分别与SIM卡的电源端、数据接口、时钟信号端口、复位端口连接，SIM卡的复位端口、接地端口之间接第一电容，SIM卡的数据接口、接地端口之间接第二电容，SIM卡的电源端、接地端口之间接第三电容，SIM卡的时钟信号端口、接地端口之间接第四电容，MG323芯片电池接入端口的各引脚并接后与第五电容一极、第六电容一极相连接，第五电容另一极、第六电容另一极均接地。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络的矿难预警系统，其特征在于，所述数据采集模块，包括：瓦斯传感器、第一至第三差动放大器、第一至第十一电阻、滤波电容，其中：

瓦斯传感器的第一检测端口、第八电阻一端以及第十电阻一端相连，第十电阻另一端接检测电源，瓦斯传感器的第二检测端口以及第十一电阻的一端均接地，第八电阻另一端、第十一电阻另一端并接后与第一差动放大器的同相输入端连接，瓦斯传感器的两个输出端口并接后与第二差动放大器的同相输入端连接；

第一差动放大器的反向输入端、输出端均与第一电阻一端连接；

第二差动放大器的反向输入端、输出端均与第五电阻一端连接；

第三差动放大器的同相输入端与第五电阻另一端、第六电阻一端相连接，第三差动放大器的反相输入端与第一电阻另一端、第二电阻一端相连接，第二电阻另一端、第三电阻一端均与第七电阻一端连接，第七电阻另一端、第六电阻另一端均与第九电阻一端连接，第三差动放大器输出端与第三电阻另一端、第四电阻一端相连接，第四电阻另一端与滤波电容一极并接后接主控模块的ADC端口，第九电阻另一端以及滤波电容另一极均接地。

3.根据权利要求1或2所述的基于无线传感网络的矿难预警系统，其特征在于，所述RF通信模块，包括：CC2430芯片、功率放大器、第七至第十九电容、第十二至十四电阻、第一至第二晶振电容，其中：

CC2430芯片的数字I/O供电端、模拟供电连接端、核心稳压器供电端，以及第七电容一极、第八电容一极、第九电容一极均接电源电压，CC2430芯片的数字供电退耦端接第十电容一极，CC2430芯片的复位端接第十二电阻一端，CC2430芯片的数字噪声隔离供电连接端、ADC数字部分供电端、ADC和DAC模拟部分供电端、可变增益放大器供电端、混频器供电端、LNA/PA开关供电端、LNA/PA供电端、预分频器供电端、VCO供电端、VCO保护环供电端、相位检测模块供电端、带通滤波器/模拟测试模块供电端，以及第十一电容一极、第十二电容一极、第十三电容一极均接工作电源，CC2430芯片的RFI/O端口之间接第一电感，CC2430芯片的RFI/O端口、PA调整电压供电端之间接第二电感，第三电感一端与CC2430芯片的RFI/O端口连接，第三电感另一端与第十四电容一极连接，第十四电容另一极接功率放大器，CC2430芯片的晶振模拟I/O引脚之间接第一晶振电容，CC2430芯片的晶振数字I/O引脚之间接第二晶振电容，第一晶振电容两级分别经过第十五电容、第十六电容接地，第二晶振电容两级分别经过第十七电容、第十八电容接地，CC2430芯片的两个偏置电阻连接端分别连接第十三电阻、第十四电阻，CC2430芯片的稳压供电输出端经第十九电容接地，第七至第十三电容的另一极均接地，第十二电阻另一端接电源电压。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感网络的矿难预警系统，其特征在于，所述主控模块为S3C2440X芯片。