CN212409767U - 一种矿井水文自动监测报警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种矿井水文自动监测报警系统，包括：设置在各水文观测点用来测量各水文参数的智能水文传感器；设置在施工现场的报警设备；设置在后台的完成水文信息的存储与共享上位机；还包括：在每一个巷道设定一个通信分站；所述的通信分站分别与上位机和巷道内的所有的智能水文传感器和报警设备通信连接，采集的各智能水文传感器监测的水文参数打包发送给上位机，将上位机发出报警命令发送给报警设备。本实用新型中采用设置在巷道内的通信分站作为中继，不仅使传感器更加容易维护，又可以方便的找出属于相应通信分站的传感器位置。

Description

一种矿井水文自动监测报警系统

技术领域

本实用新型涉及监测报警领域，特别是一种矿井水文自动监测报警系统。

背景技术

煤矿的突水是煤炭采掘行业发生的频率较高、损失较大的事故之一，为了预防突发事故，需要设置水文观测点，对观测点的水文数据进行实时测量，交通过通信系统传送到后台进行处理，后台处理后，如遇危险，则产生警报信息。

中国发明专利公开号CN 108005723 A就公开了一种基于测距和测速的采煤工作面水灾报警系统，该系统在采煤工作面液压支架上安装至少1个测距装置或测速装置，所述测距装置采集该装置到设定方向上障碍物的距离数据，所述测速装置采集设定方向上的物体移动速度，用于监测异常水流；在矿井巷道内安装至少1个测距装置或测速装置，所述测距装置采集该装置到底板方向上障碍物的距离数据，所述测速装置采集巷道轴向的物体移动速度，用于监测巷道异常积水；系统采集矿井水仓水位或水文监测数据；当系统根据距离或速度数据监测到采煤工作面异常水流、或巷道异常积水，且矿井水仓水位或水文监测数据异常时，则发出水灾报警。

该系统利用测距装置采集该装置分别在采煤工作面、矿井巷道内等地监测异常水流，矿井水文监测系统主要是用于监测井下各个威胁点的水文变化情况。需要随时监测，保证数据的准确性，才能及时的发现矿井隐患。很多矿井经过长期开采都拥有多个巷道层面，这种情况下如果采用地上监控计算机直接读取监测位置的智能传感器水文数据，通信网络会极其复杂，很难安装和维护，循环检测周期也会变得很长。

实用新型内容

本实用新型针对目前矿井水文自动监测报警系统的上述不足，提供一种矿井水文自动监测报警系统。

本实用新型实现其技术目的技术方案是：一种矿井水文自动监测报警系统，包括：

设置在各水文观测点用来测量各水文参数的智能水文传感器；

设置在施工现场的报警设备；

设置在后台的完成水文信息的存储与共享上位机；

还包括：

在每一个巷道设定一个通信分站；所述的通信分站分别与上位机和巷道内的所有的智能水文传感器和报警设备通信连接，采集的各智能水文传感器监测的水文参数打包发送给上位机，将上位机发出报警命令发送给报警设备。

进一步的，上述的矿井水文自动监测报警系统中：所述的通信分站包括RS-485 转以太网模块、STM32F103RC 控制器、储存模块、时钟模块、供电模块；RS-485 转以太网模块、时钟模块、储存模块分别与STM32F103RC 控制器相连，供电模块分别为包括RS-485 转以太网模块、STM32F103RC 控制器、储存模块、时钟模块供电。

进一步的，上述的矿井水文自动监测报警系统中：所述的通信分站与所在巷道内的智能水文传感器和报警设备分别通过RS-485 总线、光纤通信及 TCP/IP 通信方式通信连接；所述的通信分站上层使 RS-485 信号转换为 TCP/IP 信号，通过使用网线接到地面上位机。

进一步的，上述的矿井水文自动监测报警系统中：所述的报警设备为声光报警器包括发光二极管D1和蜂鸣器；

所述的发光二极管D1通过限流电阻R2接单片机的I/O接口P33；

单片机的I/O接口P15通过蜂鸣器的驱动电路接蜂鸣器，蜂鸣器的驱动电路包括PNP型三极管Q2、限流电阻R3；单片机的I/O接口P15通过限流电阻R3接PNP型三极管Q2的基极，工作电源VCC接蜂鸣器的电源阳极，蜂鸣器的电源阴极接三极管Q２的集电极，三极管Q２的发射极接地。

进一步的，上述的矿井水文自动监测报警系统中：所述的RS-485 转以太网模块包括以太网接口电路，所述的以太网接口电路采用内置变压器的插座 HR911105A插座，它有一个黄色和绿色信号指示灯。

进一步的，上述的矿井水文自动监测报警系统中：还包括RS-485保护电路，RS-485收发器是一个8个引脚的芯片MAX485，在所述RS-485保护电路中，包括：

保证485芯片在未连接网络时处于空闲状态的偏置电阻R307、偏置电阻R308 ，偏置电阻R307设置在芯片MAX485第８、７引脚之间，偏置电阻R308设置在芯片MAX485第７、６引脚之间；

匹配电阻R３，匹配电阻R３设置在芯片MAX485第６脚与地之间；

避免RS-485总线受到外界干扰时产生的高压，损坏RS-485收发器的瞬态抑制二极管D96、瞬态抑制二极管D97，瞬态抑制二极管D96设置在偏置电阻R308的两端，瞬态抑制二极管D97设置在匹配电阻R３的两端，瞬态抑制二极管D96和瞬态抑制二极管D97阴极均与MAX485第６引脚相连；

提高电路的EMI性能的电容C190、电容C191，电容C190、电容C191并联在MAX485第７引脚与地之间。

进一步的，上述的矿井水文自动监测报警系统中：所述的智能水文传感器为输出的 4-20mA电流信号的传感器，还包括I/V 转换电路，所述的I/V 转换电路包括LM324 运算放大器U２A。

本实用新型中采用设置在巷道内的通信分站作为中继，不仅使传感器更加容易维护，又可以方便的找出属于相应通信分站的传感器位置。

以下将结合附图和实施例，对本实用新型进行较为详细的说明。

附图说明

附图1为本实用新型实施例1矿井水文自动监测报警系统拓扑图。

附图2为本实用新型实施例1通信分站系统框图。

附图3为本实用新型实施例1通信分站结构框图。

附图４为本实用新型实施例1报警装置电路原理图。

附图５为本实用新型实施例1485转以太网电路。

附图６为本实用新型实施例1RS-485保护电路原理图。

附图7为本实用新型实施例1I/V 转换电路原理图。

具体实施方式

本实施例是一种矿井水文自动监测报警系统，如图１所示，矿井水文自动监测报警系统包括：设置在各水文观测点用来测量各水文参数的智能水文传感器；设置在施工现场的报警设备；设置在后台的完成水文信息的存储与共享上位机；在每一个巷道设定一个通信分站；所述的通信分站分别与上位机和巷道内的所有的智能水文传感器和报警设备通信连接，采集的各智能水文传感器监测的水文参数打包发送给上位机，将上位机发出报警命令发送给报警设备。

在实施例中，在地上监控设备与井下传感器间建立通信分站。在每一个巷道设定一个通信分站。由各个巷道层面的通信分站循环检测该层各个位置的智能水文传感器，并通过 RS-485 网络将通信分站所获取的数据发送至地上监控计算机(上位机)。这样不仅使传感器更加容易维护，又可以方便的找出属于相应通信分站的传感器位置。

顺应监测系统智能化、网络化、标准化、小型化、低功耗的发展趋势，本系统采取分布式设计方式，结构上分三个网络层次。下层网络由各类传感器、通信分站及报警设备组成，实现水文数据的采集和第一步传输，中层网络由通信分站和上位机组成，实现水文数据的再次传输，上层网络是由上位机网络组成，完成水文信息的存储与共享。智能传感器用来测量各水文参数，并且将测量的数据发送到通信分站。为了解决井下设备供电困难的问题，由通信分站经电压转换向分站及各个传感器供电，所有传感器通过一根四芯电缆和通信分站通信。各智能传感器、报警设备都拥有唯一的地址。通信分站发送相应地址来唤醒相应的智能传感器，使其工作采集数据，并将采集的数据发送给通信分站，当上位机发出报警命令时，通信分站将该命令发送给报警设备，使现场人员及时采取救援措施。

系统中层网络里通信分站实现将智能传感器监测的各水文参数打包发送给上位机。上位机可发送命令逐个选取通信分站并且读取信息或所携带的智能传感器实时采集到的水文数据，上位机可以发送命令设置通信分站和传感器的参数。为了提高本系统的实时性，中层网络必须通信速度很快、通信距离较远、要充分利用现有通信资源。为了尽可能利用煤矿里现有的通信资源，也为了满足以后矿井监控系统通信网络的升级的需要，中间网络的通信方式设计成 RS-485 总线、光纤通信及TCP/IP 通信方式。用户可以根据矿井实际情况选择其中的一种或多种。底层网络和中层网络之间可以以通信分站为连接，满足系统监测点多并且分散的情况，建立通信分站可以提高系统存储量，并且缩短了循测时间以及延长了通信距离。

上层网络使用矿业公司现有的办公室局域网络实现水文数据的共享、存储和远程控制。上位机通常采用服务器，存储量比较大，运行速度比较快，资源也比较丰富，可以满足系统的需求。在上位机中建立完整的水文信息监测图形化界面，对各水文数据进行判断、分析、处理和存储等，通过预警信息发送报警命令，实现对水害有效和及时的预测。上位机接入办公局域网，用户可以利用计算机远程查询水文数据信息，更改系统的配置。此外，技术人员可随时查询任意一个通信分站的各个参数和实时数据，便于维护。

本实施例中，以 TCP/IP 协议为核心的工业以太网技术，可以解决各类监控系统开放性差的劣势，在工业现场中越来越广泛应用。传输速度高、功耗低、安装方便、兼容性好等方面是以太网具有的突出优点，此技术为矿井各类监测系统提供了信息共享和传输的平台。在通信分站上层使 RS-485 信号转换为 TCP/IP 信号，通过使用网线接到地面监控计算机，实现工业以太网的连接，图2是系统框图。

通信分站包括RS-485 转以太网模块、STM32F103RC 控制器、储存模块、时钟模块、供电模块；RS-485 转以太网模块、时钟模块、储存模块分别与STM32F103RC 控制器相连，供电模块分别为包括RS-485 转以太网模块、STM32F103RC 控制器、储存模块、时钟模块供电。如图２所示，通信分站与所在巷道内的智能水文传感器和报警设备分别通过RS-485 总线、光纤通信及 TCP/IP 通信方式通信连接；所述的通信分站上层使 RS-485 信号转换为TCP/IP 信号，通过使用网线接到地面上位机。

矿井水文监测系统由 RS-485 转以太网模块、STM32F103RC 控制器、传感器模块、信号处理电路模块、储存模块、时钟模块、供电模块以及报警装置组成。系统结构参见图3。

系统工作过程如下：经由信号处理电路将传感器传送过来的0-20mA电流信号转换为0-3.3V电压信号，再经由模数转换，直接将数字信号送给STM32F103RC控制器。STM32F103RC 控制器将从传感器获得的水文数据通过RS-485 转以太网模块发送给上位机，再利用上位机软件进行数据处理，数据异常时，对井下工作人员进行预警和报警。上位机也可将命令信息发送到 STM32中，完成例如时间校准、修改传感器地址及读取数据的功能，键盘模块用来复位通信分站以及设置分站地址，时钟模块为系统提供统一的时间。

本实施例中，报警设备为声光报警器包括发光二极管D1和蜂鸣器；发光二极管D1通过限流电阻R2接单片机的I/O接口P33；单片机的I/O接口P15通过蜂鸣器的驱动电路接蜂鸣器，蜂鸣器的驱动电路包括PNP型三极管Q2、限流电阻R3；单片机的I/O接口P15通过限流电阻R3接PNP型三极管Q2的基极，工作电源VCC接蜂鸣器的电源阳极，蜂鸣器的电源阴极接三极管Q２的集电极，三极管Q２的发射极接地。如图４所示。

当分站系统发生故障时，系统除了向主机发送故障信息外，本设计增加了声音和灯光的报警，发光二极管通过一个500Ω的电阻与单片机的I/O接口相连，当单片机收到传感器信号时，会在I/O口输出高电平，由于单片机输出的高电平不足以驱动蜂鸣器，所以不能直接将蜂鸣器与单片机的I/O相连，需要增加电流才能驱动蜂鸣器发声。因此本次设计是将5V电源与蜂鸣器的正极相连，负极与PNP型三极管S9012的发射极，然后三极管经过一个500Ω的电阻与单片机相连。

RS-485 转以太网模块包括以太网接口电路，所述的以太网接口电路采用内置变压器的插座 HR911105A插座，它有一个黄色和绿色信号指示灯。

发光二极管的工作电流一般为十毫安左右，所以需要加限流电阻以免发光二极管因过流烧坏，电阻大小为：

。

本实施例中，系统需要显示水文的各项检测数据以及数据的发送和接收情况，故需要实时显示系统信息。

我们常用的有显示功能的设备一般有两种：LCD和LED。因为本次显示电路的功能要显示水文的各种信息，经过考虑决定使用LCD液晶显示屏。如果使用LED的话，便要使用十个以上的LED块，不仅安装不便，还需要更多的锁存器，而且显示功能也没有LCD多样化。所以最终决定为LCD液晶显示器。LCD全称为Liquid crystal display，这是一种数字显示技术，通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图像。

本实施例中，采用的LCD显示屏型号为本设计使用的显示器是128X64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库(16 X 16点阵)、128个字符(8X 16点阵)及64 X 256点阵显示RAM (GDRAM;可与CPU直接接口，提供两种界它具有多种功能:光标显示、画面移位、睡眠模式等。

本实施例中，水文检测报警装置可以由工人以及操作人员自行控制系统的工作模式，当故障发生后需要人工进行检修后复位通信分站。并且可以设置系统升级等指令。因此本次设计选择4*4的矩阵键盘，即拥有16个按键输入功能。

通常，在单片机键盘电路的按键设置较多时，都会选择使用矩阵键盘，这样可以减少单片机I/O口的占用，以免出现I/O口不够用的情况。共设置交叉的4条列线和4条横线，这样的设置共有16个交点，这样就组成了16位按键，但每两条线的交点处并不是直接相连的，而是通过一个开关相连，开关可以由用户手动按下[21]。这样设计可以明显减少对单片机I/O口的占用，从而能更加合理地使用I/O口，一般情况下，16个按键需要16个口，而使用矩阵键盘的话，现在只需要使用8个就可以完成同样的功能。如图3-5所示。在实际安装使用矩阵键盘时，一般需要加10KΩ左右的上拉电阻。

本实施例中，RS-485 转以太网电路中，ZNE-300TL 是以 ENC28J60 芯片为核心的串口转以太网模块，它具有标准的串行SPI接口，可靠性高，传输速度快。

本实施例中，以太网接口电路采用内置变压器的插座 HR911105A插座，它有一个黄色和绿色信号指示灯。在正常情况下，网卡灯应是绿灯长亮、黄灯闪烁。如图５所示。

RS-485保护电路如图６所示，RS-485 收发器是一个8个引脚的芯片MAX485，在所述RS-485保护电路中，包括：

保证485芯片在未连接网络时处于空闲状态的偏置电阻R307、偏置电阻R308 ，偏置电阻R307设置在芯片MAX485第８、７引脚之间，偏置电阻R308设置在芯片MAX485第７、６引脚之间。

匹配电阻R３，匹配电阻R３设置在芯片MAX485第６脚与地之间。

避免RS-485总线受到外界干扰时产生的高压，损坏RS-485收发器的瞬态抑制二极管D96、瞬态抑制二极管D97，瞬态抑制二极管D96设置在偏置电阻R308的两端，瞬态抑制二极管D97设置在匹配电阻R３的两端，瞬态抑制二极管D96和瞬态抑制二极管D97阴极均与MAX485第６引脚相连。

提高电路的EMI性能的电容C190、电容C191，电容C190、电容C191并联在MAX485第７引脚与地之间。

MAX485是一个8个引脚的芯片，它是一个标准的RS485收发器，只能进行半双工的通讯，内含一个输出驱动器和一个信号接收器。MAX485具有低功耗设计，静态电流仅为300uA。MAX485具有三态输出特性，在使用MAX485时，总线最多可以同时连接32个MAX485芯片。通讯波特率可以达到2.5M。工作电源为 5V，额定电流为 0.3mA。RO接收信号的输出引脚。可以把来自A和B引脚的总线信号，RE为接收信号的控制引脚。当这个引脚低电平时，RO引脚有效，MAX485通过RO把来自总线的信号输出到单片机；当这个引脚高电平时，RO引脚处于高阻状态。输出给单片机与微处理器连接时只需分别与其 RXD和TXD 端口相连即可。RE和DE端口分别为接收和发送的使能端，当RE为低电平时，器件处于接收状态；当DE为高电平时，器件处于发送状态，因为 MAX485工作在半双工状态，所以只需用微处理器的一个管脚控制这两个引脚即可。A和B端口分别为接收和发送的差分信号端，当A 引脚的电平高于 B时，代表发送的数据为1；当 A 的电平低于B端时，代表发送的数据为0。

受到现场特殊环境影响，RS-485总线需要增加保护电路，防止某个节点的损坏以致影响到整个系统的工作。保护电路中，偏置电阻R307、R308保证485芯片在未连接网络时处于空闲状态，提高此节点的可靠性。电阻R3作为匹配电阻，用于减少由不匹配而引起的反射，有效抑制噪声干扰。瞬态抑制二极管D96、D97用于避免RS-485总线受到外界干扰时产生的高压，损坏RS-485收发器。

电容C190、C191用于提高电路的EMI性能。这些保护电路能对RS-485总线起到保护性能。

本实施例中，智能水文传感器为输出的 4-20mA电流信号的传感器，还包括I/V 转换电路，I/V 转换电路包括LM324 运算放大器U２A。如图７所示。

由于微处理器只能接受电压模拟信号，所以必须将智能水文传感器输出的 4-20mA电流信号经过 I/V 转换电路变为微处理器可处理的电压信号。此电路采用 LM324 运算放大器，它起到对零点的处理会变得更加方便，无需耗用单片机的内部资源，尤其单片机是采用 A/D 接口来接受这种零点信号不

为零电压的输入时，可以保证 A/D 转换位数的资源能够全部应用于有用信号上。其对零点的处理是在反相输入端上加入一个调整电压，其大小恰好为输入 4mA时在 R313上的压降。由于运算放大器，还使得 R313 的取值可以更加小，因为这时信号电压不够大的部分可以通过配置运放的放大倍数来补足。这样，就可以真正把 4-20mA电流转换成为 0-3.3V电压了。同时，线路输入与主电路的隔离作用。图７为 I/V 转换电路。

本实施例中，矿井水文监测系统起到实时监测水文数据的作用。将传感器经通信分站上传的数据显示在上位机中，并且将数据储存起来，经突水模型计算突水指数，如果出现数据异常情况，矿区立刻报警并指示事故位置，既可及时采取救援措施，保证矿井和井下人员的安全。

主要功能：

1.监测矿井含水层水位和水压变化情况；

2.监测矿井地面的降水量、井下不同区域的水流量及变化情况；

3.监测井下可能受水害威胁地点的水文综合变化情况；

4.监测地面地质钻孔水位和水温变化。

总体参数及指标：

1.系统巡检周期：小于30s；

2.带智能传感器数目：小于80个；

3.通信方式：异步通信，基带半双工；

4.接口形式：RS-485总线、工业以太网；

5.通信速率：9600bps；

6.通信介质：四芯通信电缆；

7.无中继通信距离：1.2km；

8.误码率：小于0.000001。

Claims (7)

1.一种矿井水文自动监测报警系统，包括：

设置在各水文观测点用来测量各水文参数的智能水文传感器；

设置在施工现场的报警设备；

设置在后台的完成水文信息的存储与共享上位机；

其特征在于：还包括：

在每一个巷道设定一个通信分站；所述的通信分站分别与上位机和巷道内的所有的智能水文传感器和报警设备通信连接，采集的各智能水文传感器监测的水文参数打包发送给上位机，将上位机发出报警命令发送给报警设备。

2.根据权利要求1所述的矿井水文自动监测报警系统，其特征在于：所述的通信分站包括RS-485 转以太网模块、STM32F103RC 控制器、储存模块、时钟模块、供电模块；RS-485 转以太网模块、时钟模块、储存模块分别与STM32F103RC 控制器相连，供电模块分别为包括RS-485 转以太网模块、STM32F103RC 控制器、储存模块、时钟模块供电。

3.根据权利要求2所述的矿井水文自动监测报警系统，其特征在于：所述的通信分站与所在巷道内的智能水文传感器和报警设备分别通过RS-485 总线、光纤通信及 TCP/IP 通信方式通信连接；所述的通信分站上层使 RS-485 信号转换为 TCP/IP 信号，通过使用网线接到地面上位机。

4.根据权利要求2所述的矿井水文自动监测报警系统，其特征在于：所述的报警设备为声光报警器包括发光二极管D1和蜂鸣器；

所述的发光二极管D1通过限流电阻R2接单片机的I/O接口P33；

单片机的I/O接口P15通过蜂鸣器的驱动电路接蜂鸣器，蜂鸣器的驱动电路包括PNP型三极管Q2、限流电阻R3；单片机的I/O接口P15通过限流电阻R3接PNP型三极管Q2的基极，工作电源VCC接蜂鸣器的电源阳极，蜂鸣器的电源阴极接三极管Q２的集电极，三极管Q２的发射极接地。

5.根据权利要求2所述的矿井水文自动监测报警系统，其特征在于：所述的RS-485 转以太网模块包括以太网接口电路，所述的以太网接口电路采用内置变压器的插座HR911105A插座，它有一个黄色和绿色信号指示灯。

6.根据权利要求2所述的矿井水文自动监测报警系统，其特征在于：还包括RS-485保护电路，RS-485 收发器是一个8个引脚的芯片MAX485，在所述RS-485保护电路中，包括：

保证485芯片在未连接网络时处于空闲状态的偏置电阻R307、偏置电阻R308 ，偏置电阻R307设置在芯片MAX485第８、７引脚之间，偏置电阻R308设置在芯片MAX485第７、６引脚之间；

匹配电阻R３，匹配电阻R３设置在芯片MAX485第６脚与地之间；

避免RS-485总线受到外界干扰时产生的高压，损坏RS-485收发器的瞬态抑制二极管D96、瞬态抑制二极管D97，瞬态抑制二极管D96设置在偏置电阻R308的两端，瞬态抑制二极管D97设置在匹配电阻R３的两端，瞬态抑制二极管D96和瞬态抑制二极管D97阴极均与MAX485第６引脚相连；

提高电路的EMI性能的电容C190、电容C191，电容C190、电容C191并联在MAX485第７引脚与地之间。

7.根据权利要求2所述的矿井水文自动监测报警系统，其特征在于：所述的智能水文传感器为输出的 4-20mA电流信号的传感器，还包括I/V 转换电路，所述的I/V 转换电路包括LM324 运算放大器U２A。

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