CN204392586U - 用于煤矿监测的无线传感网络终端装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种无线传感网络终端装置，尤其是用于煤矿监测的无线传感网络终端装置，包括：主控处理模块、温湿度采集模块、瓦斯监测模块、RF通信模块。温湿度采集模块与主控处理模块采用近距离有线传输的方式采集温湿度数据，RF通信模块与主控处理模块以无线通信的方式传输瓦斯数据，减少了数据线的布置，降低了设备安装和维护的成本，有利于统一整合、管理煤矿的所有设备状态及环境监测节点，实现了监测管理的集约化、网络化、智能化。

Description

用于煤矿监测的无线传感网络终端装置

技术领域

       本实用新型涉及一种无线传感网络终端装置，尤其是用于煤矿监测的无线传感网络终端装置。

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，提供了有利于统一整合、管理煤矿的所有设备状态及环境监测节点，实现监测管理的集约化、网络化、智能化的用于煤矿监测的无线传感网络终端装置。

       本实用新型为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

用于煤矿监测的无线传感网络终端装置，包括：

主控处理模块、温湿度采集模块、瓦斯监测模块、RF通信模块，其中：

温湿度采集模块通过数据总线与主控处理模块相连，温湿度采集模块输出采集的温湿度参数至主控处理模块；

瓦斯监测模块输出端与主控处理模块的ADC端口连接，瓦斯监测模块输出瓦斯参数至主控处理模块；

RF通信模块输入端与主控处理模块连接，主控处理模块输出对温湿度参数、瓦斯参数的分析结果至RF通信模块，RF通信模块传输分析结果至汇聚节点；

所述瓦斯监测模块包括：

瓦斯传感器、第一至第三差动放大器、第一至第十一电阻、第一电容，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，第四电阻另一端与第一电容一极并接后接主控处理模块的ADC端口，第九电阻另一端以及第一电容另一极均接地。

作为所述用于煤矿监测的无线传感网络终端装置的进一步优化方案，所述温湿度采集模块包括：

数字温湿度传感器、第十二电阻、第十三电阻，其中：        数字温湿度传感器的串行数据口接第十二电阻一端，数字温湿度传感器的串行时钟输入口接第十三电阻一端，数字温湿度传感器的电源端口、第十二电阻另一端、第十三电阻另一端均接工作电源，数字温湿度传感器接地端口与大地连接。

作为所述用于煤矿监测的无线传感网络终端装置的进一步优化方案，所述主控处理模块为LPC1788芯片，

作为所述用于煤矿监测的无线传感网络终端装置的进一步优化方案，所述RF通信模块选用CC430系列的微控制器。

本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）提供了一种煤矿内设备状态监测、瓦斯监控、通信于一体的无线传感网络终端装置，充分利用ARM芯片的集成度高、功能强、性价比高、功能接口丰富、性能可靠的特点，实现了对煤矿设备状态以及瓦斯的实时检测与监控，有利于统一整合、管理煤矿的所有设备状态及环境监测节点；

（2）温湿度采集模块与主控处理模块采用近距离有线传输的方式采集温湿度数据，RF通信模块与主控处理模块以无线通信的方式传输瓦斯数据，减少了数据线的布置，降低了设备安装和维护的成本；

（3）引入的无线传感网络以节点可移动、无须铺设线路、操作简单、容易维护、组网成本低的特点，实现了监测管理的集约化、网络化、智能化。

附图说明

图1是本实用新型原理框图，

图2是本实用新型主控处理模块电路图，

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是本实用新型温湿度采集模块电路图，

图5是本实用新型RF通信模块电路图。

图中标号说明：R1-R11为第一至第十一电阻，R21为第十二电阻，R22为第十三电阻，Y1、Y2、X1为晶振电容，C107、C108、C109、C110、C30、C31、C32、C33、C34、C35、C37、C38、C39、C40、C45、C46、C47、C48、C49、C52为电容，R118、R16、R17、R18为电阻，L8、L9、L10、L11、L12为电感。

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。

煤矿监测系统包括无线传感网络、汇聚节点、监控中心。无线传感网络包括若干如图1所示的无线传感网络终端装置，每个无线传感网络终端装置都包括：主控处理模块、温湿度采集模块、瓦斯监测模块、RF通信模块。无线传感网络中各终端装置采集温湿度数据以及瓦斯数据，采集的数据传输至汇聚节点，汇聚节点通过GPRS间采集数据传输至监控中心，监控中心通过GPRS发送指令控制无线传感网络的数据采集工作。无线传感网络终端装置接收到监控中心指令后，主控处理模块通过IIC总线获取煤矿设备状态信息（即为温湿度数据），通过ADC接口采集煤矿内瓦斯参数，煤矿设备状态信息、瓦斯参数通过RF通信模块发送至汇聚节点，并经汇聚节点发送至监控中心，实现参数信息数据采集和传输。

主控处理模块如图2所示，核心芯片是以Cortex-M3 为内核的LPC1788，它包含有LCD 控制器，USB 全速Device/Host/OTG 控制器，CAN总线控制器，SPI，SSP，IIC,IIS以及外部存储控制器EMC等资源，中央处理单元通过IIC总线和ADC接口采集两部分数据，IIC总线采集煤矿内温湿度传感器节点发送的环境参数；ADC接口采集煤矿内瓦斯参数信息，RF通信实现数据的无线传输，温湿度采集模块实现近距离有线传输。主控处理模块的外部存储包括IIC总线的AT24C16存储单元和MCI接口的SD卡读取。XTAL1、XTAL2之间接有晶振电容Y1、电容C107、电容C108，RTCX1、RTCX2之间接有晶振电容Y2、电容C109、电容C110，P5[0]/DBGEN接有电阻R118。

瓦斯监测模块，包括：如图3（a）所示瓦斯传感器MJC4/3.0L、如图3（b）所示的以LM324为核心芯片的放大电路（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、第一电容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另一端与第一电容C1一极并接后接主控处理模块的ADC端口，第九电阻R9另一端一极第一电容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，主控模块经ADC接口从瓦斯监测模块采集到放大后的瓦斯参数数据。

温湿度采集模块如图4所示，核心芯片是SHT11，串行数据口DATA接第十二电阻R21一端，串行时钟输入口SCK接第十三电阻R222一端，电源端口VDD、第十二电阻R21另一端、第十三电阻R22另一端均接工作电源，接地端口GND与大地连接。矿井中的温、湿度信号经由SHT11内部的相对湿度传感器和温度传感器转化为模拟电压信号，然后经过SHT11 内部的放大器、A/D 转换后，由SHT11 的双向数据口DATA 端传送给主控模块。

RF通信模块如图5所示，微控制器采用CC430F5137，RST接有电阻R16、电阻R17、电容C30，VCORE接有电容C34，GUARD接有电容C33，R_BIAS接有电阻R18，AVCC_RF接有电容C31、电容C32、电容C52、电容C49，RF_N接有电容C35、电感L8、电感L9、电容C38、电感L10、电容C30、电容C39、电容C40、电感L11、电容C45，RF_P接有电容C37、电感L12、电容C46，RF_XOUT、RF_XIN之间接有晶振电容X1、电容C47、电容C48。RF通信实现监控中心指令的接收，将矿内的节点采集的煤矿设备状态信息和瓦斯环境参数，发生制矿内汇聚中心，并由GPRS通信发送至监测中心。本通信模块的微控制器采用的CC430F5137 ，单芯片射频解决方案降低了系统的复杂性并且简化了射频设计，使得整个采集节点体积小，功耗低。本系统中，在节点未被唤醒时，CC430 工作在低功耗模式3( LPM3) 下，一旦被唤醒，则转入活动状态，激活传感器，通过主控模块其进行各数据采集，经存储分析后，将采集数据传输给汇聚中心。电源主要由电池供给，负责为整个节点供电。

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.用于煤矿监测的无线传感网络终端装置，其特征在于，包括：

主控处理模块、温湿度采集模块、瓦斯监测模块、RF通信模块，其中：

温湿度采集模块通过数据总线与主控处理模块相连，温湿度采集模块输出采集的温湿度参数至主控处理模块；

瓦斯监测模块输出端与主控处理模块的ADC端口连接，瓦斯监测模块输出瓦斯参数至主控处理模块；

RF通信模块输入端与主控处理模块连接，主控处理模块输出对温湿度参数、瓦斯参数的分析结果至RF通信模块，RF通信模块传输分析结果至汇聚节点；

所述瓦斯监测模块包括：

瓦斯传感器、第一至第三差动放大器、第一至第十一电阻、第一电容，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，第四电阻另一端与第一电容一极并接后接主控处理模块的ADC端口，第九电阻另一端以及第一电容另一极均接地。

2.根据权利要求1所述用于煤矿监测的无线传感网络终端装置，其特征在于，所述温湿度采集模块包括：

数字温湿度传感器、第十二电阻、第十三电阻，其中：        数字温湿度传感器的串行数据口接第十二电阻一端，数字温湿度传感器的串行时钟输入口接第十三电阻一端，数字温湿度传感器的电源端口、第十二电阻另一端、第十三电阻另一端均接工作电源，数字温湿度传感器接地端口与大地连接。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述用于煤矿监测的无线传感网络终端装置，其特征在于，所述主控处理模块为LPC1788芯片。

4.根据权利要求1至2中任意一项所述用于煤矿监测的无线传感网络终端装置，其特征在于，所述RF通信模块选用CC430系列的微控制器。