CN207556672U - 一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，包括，无人机、温度检测装置、ZigBee协调器、路由器，无人机上设有：红外光谱成像仪、WIFI接收器、无线信号收发器、机载存储器、协调控制器；温度检测装置，包括，热电偶，热电偶通过导线与控制电路板上的信号放大电路电连接，信号放大电路与A/D转换器电连接，A/D转换器与单片机电连接，单片机与ZigBee模块电连接和WIFI模块电连接；ZigBee模块与监控终端的ZigBee协调器通过无线方式连接，ZigBee协调器与控制主机连接；每个温度检测装置之间利用ZigBee协议通过无线网连接成网；控制电路板用于承载信号放大电路和A/D转换器，并为单片机和ZigBee模块提供相应的连接插口。

Description

一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种温度监控系统，特别是涉及一种一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统。

背景技术

矸石山是煤矿集中堆置废料的场所,矸石山是煤矿最显著的标志之一，采煤时，煤矸石会被分离出来堆放在一边，久而久之堆积成山。

矸石山的污染很大而且在长堆积后容易氧化发热甚至发生自燃，故对于及时发现甚至防止矸石山发生自燃是十分重要的。目前，主要是通过监测矸石监测点的温度来及时发现或预防矸石山发生自燃，而现有技术中主要有两种方式对矸石山的温度进行监测，一种是在矸石山上设置多个监测点，然后放置温度检测装置，通过温度检测装置检测到的温度进行预判；另一种是采用无人机携带红外热成像仪对矸石山进行拍照，以获取矸石山的成热图像和温度值，再通过对成热图像和温度值进行分析，以预判是否有发生自燃的危险。

但是，通过无人机利用热成像仪拍照的的方式成本比较高，而且准确率偏低，并不能像提供非常通过在监测点设置温度检测装置那样可以获得相对准确的数据，以做到准确、及时的预防。

而采用设置密集的监测点工程量比较大，后期维护成本较高，故申请人认为，有必要设计出一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其通过热电偶对监测点温度进行实施检测，如果反向检测到的温度有异常，可通过无人机携带红外光谱仪对监测点周围进行扫描以获得红外光谱图像，从而实现对矸石山的动态、全面监控。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，包括，

无人机，用于携带红外光谱成像仪对矸石山进行红外线扫描以获得矸石山的温度分布情况；

温度检测装置，设置在矸石山的监测点上，用于获取监测点上的温度；

ZigBee协调器，用于协调各个温度检测装置的信号接收和发送；

路由器，与ZigBee协调器和控制主机连接，以协调、转送ZigBee协调器和控制主机之间的通信数据；

所述的无人机上设有：

红外光谱成像仪，用于对矸石山进行红外线扫描测温，以获取扫描部位的温度及相应的温度分布；

WIFI接收器，用于接收WIFI信号；

无线信号收发器，用于与路由器通过无线方式连接、以实现无人机与控制主机之间的通信和数据传输；

机载存储器，用于存储数据；

协调控制器，用于与红外光谱成像仪、无线信号收发器、WIFI接收器、机载存储器电连接，以实现与它们的通信以及控制；

所述的温度检测装置，包括，热电偶，所述的热电偶通过导线与控制电路板上的信号放大电路电连接，所述的信号放大电路与A/D转换器电连接，所述的A/D转换器与单片机电连接，所述的单片机与ZigBee模块电连接和WIFI模块电连接；

所述的ZigBee模块与监控终端的ZigBee协调器通过无线方式连接，所述的ZigBee协调器与控制主机连接；

每个温度检测装置之间利用ZigBee协议通过无线网连接成网；

所述的控制电路板用于承载信号放大电路和A/D转换器，并为单片机和ZigBee模块提供相应的连接插口。

作为本实用新型的进一步改进，所述的温度检测装置上设置有蓄电池和太阳能电池板，所述的太阳能电池板与控制电路板上用于协调稳压的充电电路电连接，所述的蓄电池充电端与充电电路电连接、放电端通过放电电路与各个需要用电的设备或电子元器件电连接。

作为本实用新型的进一步改进，太阳能电池板上设有连接板，所述的连接板通过第二连接销与连接杆一端交接，所述的连接杆另一端通过第一连接销与设置在连接管外壁上的铰接块铰接。

作为本实用新型的进一步改进，所述的连接管上设有第一过线孔、且所述的连接管内，第一连接孔处设有防水弧板，所述的防水弧板上设有第二过线孔；

第一导线一端与太阳能电池板电连接，另一端穿过第一过线孔和第二过线孔与控制电路板上的充电电路电连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述的控制电路板、蓄电池分别固定在散热板的两端，所述的控制电路板、蓄电池、散热板均安装在外壳体的安装腔内；

所述的控制电路板、蓄电池、散热板上还分别设有相互连通的第一通孔、第二通孔、第三通孔；所述的散热板采用高导热系数的材料制成；

第二导线分别穿过第一通孔、第二通孔、第三通孔且一端与信号放大电路电连接，另一端与热电偶的接线端子连接，用于将热电偶上检测到的电信号传输至信号放大电路。

作为本实用新型的进一步改进，所述的外壳体底部固定有保护管，所述的保护管内设有热电偶的绝缘管，所述的绝缘管内设有热电偶的测量端以及相关的连接线路。

作为本实用新型的进一步改进，作为本实用新型的进一步改进，所述的外壳体的开口端通过孔板封闭，所述的孔板上设有数个透气孔。

作为本实用新型的进一步改进，在外壳体开口端设置第一安装槽，所述的第一安装槽与安装框密封装配，所述的安装框上设有第二安装槽，夹板将防水透气膜加紧在第二安装槽中以固定防水透气膜。

作为本实用新型的进一步改进，散热板为中空形状且在其内部充填有相变材料。

作为本实用新型的进一步改进，连接管顶部为开口，且开口内侧面与密封塞的螺纹连接部分通过螺纹旋合装配、密封。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过ZigBee协议进行无线组网，其首先避免了复杂的布线，而且通过ZigBee协议组网后其扩展性较高、对监测点的承载数量也非常高（最多可达6000多个监测点），能够满足对矸石山全面监测的要求；且ZigBee协议组建的网络能耗较低。

本实用新型还通过太阳能电池板和蓄电池供电，以保证所有的用电设备正常使用且无需进行充电和连接电源线。

本实用新型首先利用较为分散的温度检测装置对监测点进行实时监测，一旦发现监测点温度发生异常，即可调用无人机携带红外光谱仪对监测点周围进行扫描，以获得监测点周围的温度信息，从而实现对矸石山的动态监测。这种方式首先不需要设置较多的监测点，其次，也不用无人机频繁起飞进行扫描，是一种成本较低、效果较高的监控手段。

本实用新型还利用WIFI进行定位，其精准度较高，能够保证无人机扫描的区域在允许的误差范围内，从而提高监控数据的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统具体实施方式的结构示意图。

图2是本实用新型一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统具体实施方式的温度检测装置结构示意图。

图3是图2中F1处放大图。

图4是图2中F2处放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

参见图1-图4，一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，包括，

无人机，用于携带红外光谱成像仪对矸石山进行红外线扫描以获得矸石山的温度分布情况；

温度检测装置，设置在矸石山的监测点上，用于获取监测点上的温度；

ZigBee协调器，用于协调各个温度检测装置的信号接收和发送；

路由器，与ZigBee协调器和控制主机连接，以协调、转送ZigBee协调器和控制主机之间的通信数据。

所述的无人机上设有：

红外光谱成像仪，用于对矸石山进行红外线扫描测温，以获取扫描部位的温度及相应的温度分布（即红外光谱图）；

WIFI接收器，用于接收WIFI信号；

无线信号收发器，用于与路由器通过无线方式连接、以实现无人机与控制主机之间的通信和数据传输；

机载存储器，用于存储数据；

协调控制器（可以是单片机或CPU），用于与红外光谱成像仪、无线信号收发器、WIFI接收器、机载存储器电连接，以实现与它们的通信以及控制；如，控制红外光谱成像仪对矸石山进行扫描且获得相应的扫描数据、图像等；控制无线信号收发器与控制主机进行通信数据收发；控制WIFI接收器接收WIFI信号，并获取WIFI接收器获取的WIFI信号强度；将数据存储如机载存储器中或从机载存储器中读取数据。

所述的温度检测装置，包括，热电偶，所述的热电偶通过导线与控制电路板上的信号放大电路电连接，所述的信号放大电路与A/D转换器电连接，所述的A/D转换器与单片机电连接，所述的单片机与ZigBee模块电连接和WIFI模块电连接；

所述的ZigBee模块与监控终端的ZigBee协调器通过无线方式连接，所述的ZigBee协调器与控制主机连接；

每个温度检测装置之间利用ZigBee协议通过无线网连接成网；

所述的控制主机用于接收每个温度检测装置传来的数据，并对该数据与自燃预警数据进行比对，同时存储该数据；

另外控制主机还可对各个温度检测装置发送控制指令。所述的控制主机可以是电脑。

所述的ZigBee协调器用于协调各个温度检测装置的信号接收和发送。

所述的信号放大电路用于对热电偶检测到的信号进行放大；

所述的A/D转换器用于将热电偶检测到的模拟信号转变为数字信号，并传送给单片机；

所述的单片机（相当于CPU）用于发送和解析指令、处理数据；

所述的WIFI模块用于产生并发送能被WIFI信号接收器接收的WIFI信号；

所述的控制电路板用于承载信号放大电路和A/D转换器，并为单片机和ZigBee模块提供相应的连接插口。所述的信号放大电路和A/D转换器可以参照申请号为201220573344.8中记载的信号放大器M1和模数转换器A1。

进一步地，为了实现对温度检测装置各个电子元件的供电，可以在温度检测装置上设置蓄电池和太阳能电池板，所述的太阳能电池板与控制电路板上用于协调稳压的充电电路电连接，所述的蓄电池充电端与充电电路电连接、放电端通过放电电路与各个需要用电的设备或电子元器件电连接，如单片机、ZigBee模块、信号放大电路等。

本实用新型的工作过程如下：

S1、将温度检测装置安装在预先设计的监测点上，并将各个温度检测装置通过ZigBee协议连接成网；

S2、将无线信号收发器（可以直接采用手机的通信功能代替）通过路由器与控制主机通过无线方式连接通信；

S3、温度检测装置将其检测到的温度实时传送给控制主机，控制主机对检测到的温度数据与预先设定的警报值进行比对，如果发现未达到警报值则不采取任何操作；

S3、如果S3中温度检测装置检测到的温度超过了警报值，则控制主机发出警报信息，并向无人机发送启动指令，以启动无人机；同时控制主机向检测到超过警报值的温度检测装置发送开启WIFI模块的指令以使WIFI模块发送预设频率的WIFI信号；

S4、控制主机获取检测到超过警报值的温度检测装置的具体位置，并将该位置发送至无人机以对无人机进行导航，直到达到检测到超过警报值的温度检测装置附近上方且ＷＩＦＩ接收器能够接收到WIFI信号；并根据接收到的ＷＩＦＩ信号强度推断无人机数否处于检测到超过警报值的温度检测装置正上方（误差范围内即可，无人机的飞行高度事先预定，通过无人机距离地面的飞行高度与ＷＩＦＩ接收模块收到的ＷＩＦＩ信号强度推导出来的无人机与检测到超过警报值的温度检测装置的连接距离是否接近来推断无人机是否处于该温度检测装置正上方）。当然，可以在无人机上设置测距仪以检测飞行高度。

Ｓ５，控制主机控制红外光谱成像仪对检测到超过警报值的温度检测装置附近的矸石山地表进行红外线扫描，以获取该地表的光谱图像以及对应的热量分布图，并通过光谱图像以及对应的热量分布图获得被扫描地表的温度分布；并通过无线信号收发器将这些数据传回控制主机；

Ｓ６、管理人员对红外光谱成像仪获取的数据和图像进行分析，以确认被扫描的矸石山部分是否存在自燃的危险。

通过本实用新型能够实现对矸石山温度的实时、动态检测，以提高监测精度，降低监测成本。

所述的充电电路和放电电路可以参照现有的太阳能充电宝的设计。

参见图2-图4，所示的结构为温度检测装置的结构示意图，具体如下:

太阳能电池板600上设有连接板610，所述的连接板610通过第二连接销720与连接杆700一端交接，所述的连接杆700另一端通过第一连接销710与设置在连接管120外壁上的铰接块150铰接；使用时，可通过第一连接销710和第二连接销720对太阳能电池板进行左右、上下的调整，以保证其能够获得较好的光照。

所述的连接管120上设有第一过线孔121、且所述的连接管120内，第一连接孔121处设有防水弧板130，所述的防水弧板130上设有第二过线孔132；所述的第二过线孔132比第一过线孔121高。

第一导线620一端与太阳能电池板电连接，另一端穿过第一过线孔121和第二过线孔132与控制电路板500上的充电电路电连接。使用时，太阳能电池板上产生的电能通过第一导线620传导至充电电路，然后通过充电电路对蓄电池300进行充电；

所述的控制电路板500、蓄电池300分别固定在散热板400的两端，所述的控制电路板500、蓄电池300、散热板400均安装在外壳体100的安装腔101内；

所述的控制电路板500、蓄电池300、散热板400上还分别设有相互连通的第一通孔510、第二通孔310、第三通孔410；所述的散热板采用高导热系数的材料制成。

第二导线830分别穿过第一通孔510、第二通孔310、第三通孔410且一端与信号放大电路电连接，另一端与热电偶的接线端子连接，用于将热电偶上检测到的电信号传输至信号放大电路；

所述的外壳体100底部固定有保护管800，所述的保护管800内设有热电偶的绝缘管810，所述的绝缘管810内设有热电偶的测量端811以及相关的连接线路，可以是现有的热电偶直接设置于保护管800内。使用时，所述的测量端811预先设计的深度埋入监测点的地下即可。

进一步地，所述的外壳体100的开口端通过孔板110封闭，所述的孔板110上设有数个透气孔111。优选地，为了防水，可以将透气孔设计成自安装腔向外壳体外部向下倾斜的倾斜孔。

更进一步地，为了使安装腔内获得较好的防水性能且也能及时散热，可以在外壳体100开口端设置第一安装槽102，所述的第一安装槽102与安装框200密封装配，所述的安装框200上设有第二安装槽201，夹板210将防水透气膜220加紧在第二安装槽201中以固定防水透气膜220。优选地，可以采用螺钉穿过安装框200安装框200、防水透气膜220、夹板210并与他们通过螺纹旋合连接以使他们装配成一体。

所述的防水透气膜220可以采用聚四氟乙烯制作。

进一步地，为了提高散热板400的散热效果，可以将散热板设计成中空形状且在其内部充填相变材料420。使用时，可通过相变材料使控制电路板与蓄电池始终处于最高性能状态的温度。

进一步地，为了方便温度检测装置的安装，可以在保护管800外固定法兰820，所述的法兰820上设有固定孔821，使用时，通过螺杆穿过固定孔821进入矸石山地中以将温度检测装置进行固定。

进一步地，为了方便第一导线620穿入连接管中，可以将连接管120顶部设计成开口，且开口端内侧面与密封塞140的螺纹连接部分141通过螺纹旋合装配。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，包括，

无人机，用于携带红外光谱成像仪对矸石山进行红外线扫描以获得矸石山的温度分布情况；

温度检测装置，设置在矸石山的监测点上，用于获取监测点上的温度；

ZigBee协调器，用于协调各个温度检测装置的信号接收和发送；

路由器，与ZigBee协调器和控制主机连接，以协调、转送ZigBee协调器和控制主机之间的通信数据；

所述的无人机上设有：

红外光谱成像仪，用于对矸石山进行红外线扫描测温，以获取扫描部位的温度及相应的温度分布；

WIFI接收器，用于接收WIFI信号；

无线信号收发器，用于与路由器通过无线方式连接、以实现无人机与控制主机之间的通信和数据传输；

机载存储器，用于存储数据；

协调控制器，用于与红外光谱成像仪、无线信号收发器、WIFI接收器、机载存储器电连接，以实现与它们的通信以及控制；

所述的温度检测装置，包括，热电偶，所述的热电偶通过导线与控制电路板上的信号放大电路电连接，所述的信号放大电路与A/D转换器电连接，所述的A/D转换器与单片机电连接，所述的单片机与ZigBee模块电连接和WIFI模块电连接；

所述的ZigBee模块与监控终端的ZigBee协调器通过无线方式连接，所述的ZigBee协调器与控制主机连接；

每个温度检测装置之间利用ZigBee协议通过无线网连接成网；

所述的控制电路板用于承载信号放大电路和A/D转换器，并为单片机和ZigBee模块提供相应的连接插口。

2.如权利要求1所述的基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其特征是：所述的温度检测装置上设置有蓄电池和太阳能电池板，所述的太阳能电池板与控制电路板上用于协调稳压的充电电路电连接，所述的蓄电池充电端与充电电路电连接、放电端通过放电电路与各个需要用电的设备或电子元器件电连接。

3.如权利要求2所述的基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其特征是：太阳能电池板上设有连接板，所述的连接板通过第二连接销与连接杆一端交接，所述的连接杆另一端通过第一连接销与设置在连接管外壁上的铰接块铰接。

4.如权利要求3所述的基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其特征是：所述的连接管上设有第一过线孔、且所述的连接管内，第一连接孔处设有防水弧板，所述的防水弧板上设有第二过线孔；

第一导线一端与太阳能电池板电连接，另一端穿过第一过线孔和第二过线孔与控制电路板上的充电电路电连接。

5.如权利要求２或３所述的基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其特征是：所述的控制电路板、蓄电池分别固定在散热板的两端，所述的控制电路板、蓄电池、散热板均安装在外壳体的安装腔内；

所述的控制电路板、蓄电池、散热板上还分别设有相互连通的第一通孔、第二通孔、第三通孔；所述的散热板采用高导热系数的材料制成；

第二导线分别穿过第一通孔、第二通孔、第三通孔且一端与信号放大电路电连接，另一端与热电偶的接线端子连接，用于将热电偶上检测到的电信号传输至信号放大电路。

6.如权利要求5所述的基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其特征是：所述的外壳体底部固定有保护管，所述的保护管内设有热电偶的绝缘管，所述的绝缘管内设有热电偶的测量端以及相关的连接线路。

7.如权利要求5所述的基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其特征是：所述的外壳体的开口端通过孔板封闭，所述的孔板上设有数个透气孔。

8.如权利要求5所述的基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其特征是：在外壳体开口端设置第一安装槽，所述的第一安装槽与安装框密封装配，所述的安装框上设有第二安装槽，夹板将防水透气膜加紧在第二安装槽201中以固定防水透气膜。

9.如权利要求5所述的基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其特征是：散热板为中空形状且在其内部充填有相变材料。

10.如权利要求5所述的基于红外光谱的矸石山无人机温度动态监测系统，其特征是：连接管顶部为开口，且开口内侧面与密封塞的螺纹连接部分通过螺纹旋合装配、密封。