專利名稱：基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)，屬于煤礦安全領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
煤炭是我國的主要能源之一，煤炭占全國一次性能源結(jié)構(gòu)的70% ;煤炭發(fā)展的主要問題是煤礦安全，一半以上的礦井處于高瓦斯區(qū)或瓦斯突出區(qū)，近年80%的煤礦安全事故由瓦斯爆炸引起。瓦斯是吸附于煤體及周圍巖層中的有害氣體，是礦井氣體的主要成分，約占83% 89%，易燃易爆，加之煤層透氣性低，不易在開采前抽放，采掘時極易發(fā)生瓦斯突出現(xiàn)象。美國、澳大利亞等煤礦地質(zhì)條件較好、儲量豐富的國家，對于高瓦斯煤礦一般采取停產(chǎn)關(guān)閉措施。而我國一直以煤炭為主要能源，由于資源有限，即使條件再復(fù)雜、環(huán)境再惡劣的煤礦，都不得不納入開采范圍。全國已有相當(dāng)數(shù)量的礦井開采到600m以下的高瓦斯和瓦斯突出區(qū)，條件十分困難。而每向下開掘垂深100m，作業(yè)面溫度就會升高3 4°C，瓦斯的相對涌出量呈線性增長，瓦斯災(zāi)害就容易發(fā)生。因此，及時準(zhǔn)確地監(jiān)測井下瓦斯氣體信息的變化情況，對于煤礦安全、人身安全及環(huán)境保護(hù)有著十分重要的意義。煤礦井下巷道瓦斯主要來源于三個方面:工作面及煤巷掘進(jìn)落煤時瓦斯溢出、煤壁及巷道兩幫瓦斯的釋放、采空區(qū)瓦斯的涌出。為了煤礦生產(chǎn)安全，必須實時監(jiān)測并控制巷道中瓦斯?jié)舛龋瑢⑼咚節(jié)舛冉档偷健睹旱V安全規(guī)程》要求范圍內(nèi)，以減少瓦斯超限、避免煤礦瓦斯事故的發(fā)生?，F(xiàn)有的測量系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的測量方法，用瓦斯計或在各監(jiān)測點(diǎn)位布置瓦斯測試，由專人每天定時采集各點(diǎn)的瓦斯數(shù)據(jù)，每天輸入計算機(jī)生成瓦斯的變化曲線和報告，這樣的測量需要監(jiān)測人員頻繁來往于施工現(xiàn)場，勞動強(qiáng)度大，數(shù)據(jù)采集和傳輸不方便。本實用新型針對傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測方 法的不足，提出一種新型的基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)。移動Agent具有自主性，實時性，且具有數(shù)據(jù)處理能力；系統(tǒng)采用的Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)具有無線通信能力，通過自組網(wǎng)自組成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，移動Agent和Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通過各傳感器的相互協(xié)作，實時監(jiān)測各分布區(qū)域的瓦斯信息，并對這些信息進(jìn)行處理和傳送。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提出一種基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)。一種基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)，包括瓦斯傳感器、基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)、基站、工控機(jī)。瓦斯傳感器和基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)各個區(qū)域的瓦斯信息的監(jiān)測，各個終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)把監(jiān)測到的瓦斯信息通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給基站，基站將各個監(jiān)測終端的瓦斯信息通過以太網(wǎng)接口傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心即工控機(jī)上顯示相關(guān)結(jié)果，所述基站和所述基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)之間采用移動Agent技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息傳輸。系統(tǒng)可實現(xiàn)對煤礦瓦斯信息的長期實時在線監(jiān)測。所述瓦斯傳感器為礦用本安型瓦斯傳感器，將傳感器垂直懸掛，布置在巷道的上方，距頂板不得大于300mm，距巷道側(cè)壁不得小于200mm，以測量巷道瓦斯信息的變化。所述基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)采用cc2530，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、8051內(nèi)核、RF射頻模塊和存儲器。所述基站包括工業(yè)以太網(wǎng)接口、8051內(nèi)核、RF射頻模塊和存儲器，其功能是收集各區(qū)域基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)的瓦斯數(shù)據(jù)，并進(jìn)行進(jìn)一步的處理，通過工業(yè)以太網(wǎng)接口把處理后的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心即工控機(jī)上顯示相關(guān)結(jié)果。所述瓦斯傳感器和基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)完成瓦斯信息監(jiān)測處理以及各個終端節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)通信，基站和基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)之間采用基于移動Agent技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息傳輸，系統(tǒng)中的瓦斯傳感器采用基于有限元仿真技術(shù)和粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合的瓦斯傳感器優(yōu)化配置準(zhǔn)則對瓦斯傳感器的位置進(jìn)行組合優(yōu)化。本實用新型使用的基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)可方便地安裝并監(jiān)測瓦斯信息，基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)具有局部信號處理的功能，很多信號處理工作可在傳感節(jié)點(diǎn)完成，因而可以顯著減少所需傳輸?shù)男畔⒘?，并將原來傳統(tǒng)的串行處理、集中決策的系統(tǒng)，變?yōu)橐环N并行的分布式信息處理系統(tǒng)，從而在很大程度上提高了監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行速度及決策的可靠性和靈活性。移動Agent具有自主性，實時性，且具有數(shù)據(jù)處理能力，另外Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計時所著重考慮的低功耗特點(diǎn)也可減少能源供給裝置的重量，并可實現(xiàn)對煤礦瓦斯信息的長期實時在線監(jiān)測。


圖I是終端傳感節(jié)點(diǎn)圖。圖2是基站節(jié)點(diǎn)圖。圖3是移動Agent移動過程圖。圖4是瓦斯傳感器最優(yōu)數(shù)量和最佳布置點(diǎn)計算優(yōu)化框圖。
具體實施方式
以下結(jié)合具體實施例，對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例I如圖I所示，為本實用新型終端傳感節(jié)點(diǎn)，包括瓦斯傳感器和基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)。所述瓦斯傳感器為礦用本安型瓦斯傳感器，將傳感器垂直懸掛，布置在巷道的上方，距頂板不得大于300mm，距巷道側(cè)壁不得小于200mm，以測量巷道瓦斯信息的變化。瓦斯傳感器安裝調(diào)試完畢，裝入事先設(shè)計好的不銹鋼外殼內(nèi)，以達(dá)到有效的電磁屏蔽；同時為了防潮，整個節(jié)點(diǎn)以及與其相連接的瓦斯傳感器引線等用防潮性高、耐腐蝕的密封膠灌封成型。所述基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)采用cc2530，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、8051內(nèi)核、RF射頻模塊和存儲器。所述基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)采集、處理各測量點(diǎn)的瓦斯數(shù)據(jù)，采用移動Agent技術(shù)并通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交?。所述A/D轉(zhuǎn)換模塊把來自瓦斯傳感器的模擬量(瓦斯信息)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，方便8051內(nèi)核對瓦斯信息進(jìn)行處理。所述8051內(nèi)核具有存儲容量大、功能完整、集成度高，而且功耗低，可以延長節(jié)點(diǎn)的工作時間，提高系統(tǒng)壽命。8051內(nèi)核具體執(zhí)行的功能如下:(I)瓦斯數(shù)據(jù)處理模塊，對采集的瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行4點(diǎn)加權(quán)平均，以減少外界噪聲的干擾；(2)取平均模塊，由于本系統(tǒng)的瓦斯信息變化速度不快，為提高測量精度，可先經(jīng)過上述內(nèi)容(I)的處理，再將其處理結(jié)果取平均，從而將結(jié)果作為某一時刻的測量值傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，有效減少了冗余數(shù)據(jù)的傳輸；(3)各監(jiān)測點(diǎn)都采用智能的基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)，在工作時序上是并行的，監(jiān)測的最終結(jié)果送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率；(4)休眠處理模塊:按照設(shè)計的休眠算法，每隔3分鐘進(jìn)行一次測量與數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送，其余時間進(jìn)入休眠狀態(tài)，有效節(jié)約能量；(5)最佳路徑確定模塊，終端在進(jìn)行無線傳輸時，路徑選擇直接關(guān)系到數(shù)據(jù)傳送中繼次數(shù)，也直接影響系統(tǒng)的能量消耗，為此設(shè)計時根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)的具體位置，進(jìn)行了路徑優(yōu)化，具體做法是選擇距離最短的一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以有效降低系統(tǒng)能耗。所述RF射頻模塊負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，該模塊具有低功耗，穩(wěn)定性好，可以工作在 315/433/868/915MHz/2.4GHz 等多種頻率。所述存儲器是用于保存監(jiān)測的原始瓦斯數(shù)據(jù)、指令以及接收的數(shù)據(jù)、移動Agent代碼等數(shù)據(jù)。本實用新型所采用的終端傳感節(jié)點(diǎn)為基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可方便地安裝于監(jiān)測瓦斯比較復(fù)雜的煤礦井下，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有局部信號處理的功能，很多信號處理工作可在終端傳感節(jié)點(diǎn)里完成，因而可以顯著減少所需傳輸?shù)男畔⒘?，并將原來傳統(tǒng)的串行處理、集中決策的系統(tǒng)，變?yōu)橐环N并行的分布式信息處理系統(tǒng)，從而在很大程度上提高了監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行速度及決策的可靠性和靈活性。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都知道自己的位置信息和剩余能量，并且可以自動獲取鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息和剩余能量。為提高網(wǎng)絡(luò)壽命，某節(jié)點(diǎn)在將數(shù)據(jù)傳送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)時，需要根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的剩 余能量及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置，采用基于剩余能量和最小路徑相結(jié)合的路由算法，通過自動獲取各節(jié)點(diǎn)的剩余能量，結(jié)合目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置，在傳輸路徑相差小于80%的情況下，在選擇下一跳轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)時盡可能選擇能量高的節(jié)點(diǎn)以承擔(dān)更多的通信任務(wù)，即用調(diào)節(jié)傳輸能耗的方法節(jié)約剩余能量低的節(jié)點(diǎn)能耗，從而達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。實施例2如圖2所示，為本實用新型基于Zigbee技術(shù)的基站節(jié)點(diǎn)，包括RF射頻模塊、存儲器、8051內(nèi)核和工業(yè)以太網(wǎng)接口。所述RF射頻模塊、存儲器和8051內(nèi)核都和實施例1中內(nèi)容相同。所述工業(yè)以太網(wǎng)接口:主干網(wǎng)通過工業(yè)級交換機(jī)為各個節(jié)點(diǎn)提供方便靈活的煤礦工業(yè)以太網(wǎng)接口。實施例3如圖3所示，為本實用新型移動Agent的移動過程。移動Agent移動過程如圖3所示。首先遠(yuǎn)程監(jiān)控中心根據(jù)需求向各基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送某種功能的移動Agent ( —段可執(zhí)行的代碼，也可攜帶數(shù)據(jù))，各節(jié)點(diǎn)接收移動Agent后，就會在該節(jié)點(diǎn)運(yùn)行該移動Agent，進(jìn)行各種處理工作，如對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、平均等，也可和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作以完成各種任務(wù)。任務(wù)完成后該移動Agent將處理結(jié)果按最佳路徑發(fā)送給基站，由基站收集各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。實施例4如圖4所示為為瓦斯傳感器最優(yōu)數(shù)量和最佳布置點(diǎn)計算優(yōu)化框圖煤礦井下可測自由度較多，而實踐中所布置的測點(diǎn)數(shù)由于受成本等因素的限制要遠(yuǎn)小于可測的自由度，需要對有限的瓦斯傳感器進(jìn)行優(yōu)化配置，確定合理的、能反映測試要求的瓦斯傳感器數(shù)量及配置位置。常用的傳感器優(yōu)化配置準(zhǔn)則，大多數(shù)以位移模態(tài)為目標(biāo)對傳感器的位置進(jìn)行優(yōu)化的配置準(zhǔn)則，適用于位移傳感器以及加速度傳感器的位置優(yōu)化，而本監(jiān)測系統(tǒng)所用的是由瓦斯傳感器測量得到的瓦斯信息，由于瓦斯與位移在空間坐標(biāo)上不存在一致對應(yīng)關(guān)系，為此需要研究瓦斯傳感器位置優(yōu)化方法。目前國內(nèi)煤礦瓦斯傳感器布置多采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法，效率比較低。針對煤礦瓦斯傳感器優(yōu)化配置問題，提出了基于有限元仿真技術(shù)和粒子群優(yōu)化算法相結(jié)合的瓦斯傳感器優(yōu)化配置問題。首先利用有限元分析軟件給出一小組瓦斯傳感器位置，然后采用粒子群優(yōu)化`算法對剩余的瓦斯傳感器位置進(jìn)行組合優(yōu)化。
權(quán)利要求1.一種基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括瓦斯傳感器、基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)、基站、工控機(jī)；瓦斯傳感器和基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)各個區(qū)域的瓦斯信息的監(jiān)測，各個終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)把監(jiān)測到的瓦斯信息通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到基站，基站將各個監(jiān)測終端的瓦斯信息通過以太網(wǎng)接口傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心即工控機(jī)上顯示相關(guān)結(jié)果，所述基站和所述基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)之間采用移動Agent技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述瓦斯傳感器為礦用本安型瓦斯傳感器，將瓦斯傳感器垂直懸掛，布置在巷道的上方，距頂板不得大于300mm，距巷道側(cè)壁不得小于200mm，以測量巷道瓦斯?jié)舛鹊淖兓?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述基于Zi gbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)采用cc2530，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、8051內(nèi)核、RF射頻模塊和存儲器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述基站包括工業(yè)以太網(wǎng)接口、8051內(nèi)核、RF射頻模塊和存儲器。
專利摘要本實用新型公開了一種基于移動Agent的煤礦瓦斯信息監(jiān)測系統(tǒng)，屬于煤礦安全領(lǐng)域，系統(tǒng)包括瓦斯傳感器、基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)、基站、工控機(jī)。瓦斯傳感器和基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)各個區(qū)域的瓦斯信息的監(jiān)測，各個終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)把監(jiān)測到的瓦斯信息通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給基站，基站將各個監(jiān)測終端的瓦斯信息通過以太網(wǎng)接口傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心即工控機(jī)上顯示相關(guān)結(jié)果，所述基站和所述基于Zigbee技術(shù)的無線傳感節(jié)點(diǎn)之間采用移動Agent技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息傳輸。系統(tǒng)可實現(xiàn)對煤礦瓦斯信息的長期實時在線監(jiān)測。
文檔編號E21F17/18GK203104800SQ201320022618
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月17日
發(fā)明者王春玲, 唐超禮, 曲立國, 黃友銳, 徐善永, 王小坡 申請人:安徽理工大學(xué)