專利名稱：一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及礦山生產(chǎn)過程中使用的安全監(jiān)測系統(tǒng)，特別涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤礦粉塵是指煤礦在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤炭、巖石等細微固體顆粒的總稱。煤礦井下的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生粉塵，如鉆眼、炸藥爆破、掘進機掘進、采煤機割煤、裝煤、采煤支護放頂、巷道支護、裝載運輸轉(zhuǎn)載及卸載提升等。粉塵危害不僅能使煤礦工人得塵肺病，而且易引發(fā)爆炸，造成重大安全事故。據(jù)統(tǒng)計到2009年，全國63. 9萬塵肺病例中，89. 37%的病例為礦工塵肺，并且以每年約I萬例的速度遞增，平均每年死亡2500人以上。我國煤礦普遍具有煤塵爆炸性危險。2009年原國有重點煤礦有532處礦井煤塵有爆炸 危險，占87.4%。自2000年以來全國發(fā)生特大煤塵爆炸的事故有13起，造成889人死亡。粉塵危害每年造成直接經(jīng)濟損失達數(shù)十億元。以上所述足見礦井粉塵的危害性之大，同時也說明了粉塵監(jiān)測與防治的重要性。因此，礦井粉塵的防治問題日益受到廣泛關(guān)注，世界各國在對礦井粉塵的監(jiān)測方面都做了大量的研究工作，研究開發(fā)了一系列的檢測儀器及系統(tǒng)。目前，國內(nèi)普遍采用人工、間斷性、單地點檢測粉塵濃度的方式，或者采用一般有線連接傳感器檢測方式。這種方式測得的礦井粉塵濃度數(shù)據(jù)僅反應(yīng)了測塵時間段內(nèi)的粉塵狀況，并不能全面、準確的反映煤礦井下空間的總體粉塵情況，而且井下環(huán)境中有線傳感器檢測系統(tǒng)的布置工作非常繁瑣，靈活性不足且擴展性差，系統(tǒng)部署和維護成本高等缺點，當(dāng)某一結(jié)點出現(xiàn)故障，會使局部區(qū)域失去監(jiān)測能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起始于20世紀90年代末期。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應(yīng)用價值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。從2000年起，國際上開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果的報道，美國自然科學(xué)基金委員會2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。美國國防部和各軍事部門都對傳感器網(wǎng)絡(luò)給予了高度重視，把傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域，設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。美國英特爾公司、微軟公司等信息業(yè)巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作。日本、德國、英國、意大利等科技發(fā)達國家也對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣，紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。但是，目前大部分的研究尚處于起步階段，少數(shù)投入實用的商業(yè)產(chǎn)品距離實際需求還相差甚遠。我國在傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究工作還很少，目前，國內(nèi)一些高等院校與研究機構(gòu)已積極開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作，主要有清華大學(xué)、中科院軟件所、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院自動化所、中國人民大學(xué)等。目前國內(nèi)研究熱點主要集中在穿戴式計算、上下文感知環(huán)境、智能教室等領(lǐng)域。針對以上現(xiàn)狀，研究開發(fā)適合我國煤礦井下特點的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。
實用新型內(nèi)容本實用新型的任務(wù)在于提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)。其技術(shù)解決方案是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，包括布置在井下監(jiān)測范圍內(nèi)不同區(qū)域的若干個傳感器檢測節(jié)點群、用于接收及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信號的路由器節(jié)點群、用于接收來自路由器節(jié)點群處數(shù)據(jù)信號的匯集節(jié)點和用于接收來自匯集節(jié)點處數(shù)據(jù)信號的上位機系統(tǒng)；每個傳感器檢測節(jié)點群設(shè)置有若干個基本傳感器節(jié)點，各基本傳感器節(jié)點包括粉塵濃度傳感器、末級微控制器及末級ZigBee收發(fā)器；路由器節(jié)點群包括處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點與處于中繼位置的路由器節(jié)點，一個處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點對應(yīng)一個傳感器檢測節(jié)點群，各路由器節(jié)點包括二級微控制器與三級ZigBee收發(fā)器；匯集結(jié)點包括一級微控制器與二級ZigBee收發(fā)器或總線驅(qū)動模塊；上位機系統(tǒng)包括PC機或可持移動PDA設(shè)備、一級ZigBee收發(fā)器或總線驅(qū)動模塊。 上述各基本傳感器節(jié)點還包括瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌囟葌鞲衅骱蜐穸葌鞲衅?。上述末級ZigBee收發(fā)器與三級ZigBee收發(fā)器各設(shè)置有獨立的供電電源。上述基本傳感器節(jié)點與處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點之間，以及處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點與處于中繼位置的路由器節(jié)點之間，采用無線射頻電磁波傳輸方式進行通信。上述基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)還包括用于控制井下除塵系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)的控制開關(guān)節(jié)點群，控制開關(guān)節(jié)點群無線連接匯集節(jié)點，控制開關(guān)節(jié)點群包括除塵控制開關(guān)和通風(fēng)控制開關(guān)。本實用新型可具有以下有益技術(shù)效果本實用新型采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，粉塵采樣檢測點可以廣泛的布置在不同作業(yè)點，靈活改變監(jiān)測布局，從而實時獲取精確的粉塵濃度檢測數(shù)據(jù)。本實用新型不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，具有快速展開、抗毀性強等特點。本實用新型能夠使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的粉塵濃度信息；以及根據(jù)獲取的粉塵濃度信息對除塵及通風(fēng)系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制。
以下結(jié)合附圖
與具體實施方式
對本實用新型作進一步說明圖為本實用新型的一種實施方式的原理示意圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖，一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其包括若干個傳感器檢測節(jié)點群，傳感器檢測節(jié)點群布置在井下監(jiān)測范圍內(nèi)不同區(qū)域，傳感器檢測節(jié)點群的數(shù)量可根據(jù)井下關(guān)鍵區(qū)域的需要進行選定，每個傳感器檢測節(jié)點群設(shè)置有若干個基本傳感器節(jié)點1，如優(yōu)選5、6、7或8個基本傳感器節(jié)點，各基本傳感器節(jié)點包括粉塵濃度傳感器、末級微控制器及末級ZigBee收發(fā)器，末級ZigBee收發(fā)器平時處于休眠狀態(tài)，粉塵濃度傳感器間斷地采集粉塵濃度信息，并將采集信號進行A/D轉(zhuǎn)換后，通過末級微控制器進行判斷處理，一旦判斷得知某個基本傳感器節(jié)點所在區(qū)域的粉塵濃度超過標準值，則通過中斷機制將末級ZigBee收發(fā)器喚醒，并開始向下述路由節(jié)點群發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)包含粉塵濃度信息與該基本傳感器節(jié)點即發(fā)送數(shù)據(jù)的基本傳感器節(jié)點所在區(qū)域的地址信息。路由器節(jié)點群用于接收及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信號，路由器節(jié)點群包括處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點2與處于中繼位置的路由器節(jié)點3，一個處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點2對應(yīng)一個傳感器檢測節(jié)點群，路由器節(jié)點2包括二級微控制器與三級ZigBee收發(fā)器，路由器節(jié)點3也包括二級微控制器與三級ZigBee收發(fā)器，各路由器節(jié)點平時處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有來自基本傳感器節(jié)點處或下述匯集節(jié)點處的數(shù)據(jù)信號時，即被完全喚醒進入正常工作模式，并根據(jù)路由算法進行信號傳輸；一種優(yōu)選的方式為上述處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點2，在其對應(yīng)的一個傳感器檢測節(jié)點群中若有多個基本傳感器節(jié)點同時向該路由器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)信號，則由該路由器節(jié)點首先求取各個基本傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)值(如濃度值)的平均數(shù)值(如平均濃度值)后，然后連同所在區(qū)域即發(fā)送數(shù)據(jù)的基本傳感器節(jié)點所在區(qū)域的地址信息一起發(fā)往下一處于中繼位置的路由器節(jié)點。匯集節(jié)點4主要用于接收來自路由器節(jié)點群處數(shù)據(jù)信號，匯集結(jié)點4包括一級微控制器與二級ZigBee收發(fā)器或總線驅(qū)動模塊，由一級微控制器對接收到數(shù)據(jù)信號進行篩選，篩除無用數(shù)據(jù)信號，同時對保留數(shù)據(jù)信號進行功率放大。上位機系統(tǒng)主要用于接收來自匯集節(jié)點處數(shù)據(jù)信號，上位機系統(tǒng)包括PC機或可持移動PDA設(shè)備、一級ZigBee收發(fā)器或總線驅(qū)動模塊，上位機系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行最后的處理，據(jù)此作出判斷、顯示及報警；一種較為優(yōu)選的方式為上述上位機系統(tǒng)還能根據(jù)判斷結(jié)果作出相應(yīng)的控制信號，通過匯 集節(jié)點與路由器節(jié)點群回傳給相應(yīng)的基本傳感器節(jié)點，上述基本傳感器節(jié)點可與控制機構(gòu)連為一體，驅(qū)動小功率電氣元件如晶閘管、控制小型繼電器等，以執(zhí)行某種動作，如噴水，報警等。上述末級ZigBee收發(fā)器與三級ZigBee收發(fā)器各設(shè)置有獨立的電源模塊。下面對上述有關(guān)內(nèi)容再作更進一步的說明關(guān)于上述末級、三級、二級以及一級ZigBee收發(fā)器(模塊)。在礦井中檢測粉塵濃度，比較合適的無線信號傳送手段主要是射頻信號傳輸。本實用新型充分考慮到以后節(jié)點群維護容易和簡易性要求，以及節(jié)點的自組織能力、靈活性等要求，此處不宜使用紅外技術(shù)等其他無線通信技術(shù)而采用射頻信號傳輸方式。在礦井環(huán)境下，射頻信號完全可以滿足可靠性、精度、靈活性等要求。射頻電磁波信號可在各個方向傳播，距離限制比紅外線等信號要低，這就為節(jié)點的自組織提供了方便。關(guān)于上述粉塵濃度傳感器。本實用新型主要是檢測粉塵濃度，如果需要還可以擴充瓦斯?jié)舛取囟?、濕度或能夠進行粗略的成分檢測(其他)的傳感器等?，F(xiàn)有技術(shù)已有專用于粉塵檢測的粉塵濃度檢測傳感器單元模塊，可以視檢測對象(粉塵濃度、溫度等)和要求(精度、經(jīng)濟等)合理選擇傳感器件。關(guān)于上述末級微控制器。主要包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，這些模塊的選取需要考慮系統(tǒng)要求的精度，時效性等因素，一般8位A/D、D/A模塊和8位單片機就能滿足要求，如果考慮以后的擴展，如添加顯示、語音通信等，則要選擇性能較高的單片機。末級微控制器與末級ZigBee收發(fā)器互相配合完成濃度信息等數(shù)據(jù)信號的傳輸。關(guān)于上述獨立的供電電源。無線傳感器節(jié)點之間的通信是通過無線的形式傳輸?shù)模娫葱枰稍诠?jié)點上，而不能用傳統(tǒng)的電網(wǎng)供電方式，故節(jié)能問題也是一個關(guān)鍵問題。節(jié)能問題要在設(shè)計的各個環(huán)節(jié)上都要考慮到，無論在硬件還是在軟件的設(shè)計過程中都要把節(jié)能當(dāng)做一個重要因素來考慮。此處采用5號干電池作為供電電源。ZigBee收發(fā)器(模塊)在低耗電待機模式下，2節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。上述基本傳感器節(jié)點可與控制機構(gòu)連為一體，驅(qū)動小功率電氣元件(晶閘管、控制小型繼電器等，以執(zhí)行某種動作，如噴水，報警)。關(guān)于上述路由器節(jié)點群。各路由節(jié)點由二級ZigBee收發(fā)器和8位單片機構(gòu)成，采用5號干電池供電。主要完成路徑搜索、轉(zhuǎn)發(fā)分組、自組織新加節(jié)點的功能。上述基本傳感器節(jié)點與處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點之間，以及處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點與處于中繼位置的路由器節(jié)點之間，采用無線射頻電磁波傳輸方式進行通信，拓撲結(jié)構(gòu)采用樹形結(jié)構(gòu)。通信協(xié)議采用面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ZigBee技術(shù)，Zigbee作為一種無線連接，可工作在2. 14GHz (全球流行)、868MHz (歐洲流行)和915MHz (美國流行)3個頻段上，分別具有最高至250Kbit/s、20Kbit/s、40Kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10 75m的范圍內(nèi)，但還可以繼續(xù)增加。依據(jù)發(fā)射功率的大小和應(yīng)用模式而定，I臺Zigbee設(shè)備可以連接多達254個同類的設(shè)備。此外，由于Zigbee具備高鏈接數(shù)與低耗電的特性，在感應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)(Sensor Network)使用上具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，zigBee技術(shù)已經(jīng)成為目前WSNS中無線通信技術(shù)的首選方案之一。路由器節(jié)點采用單片機控制器(如AT89C51CC01)作為協(xié)調(diào)和尋找路由的核心部件，路由節(jié)點的數(shù)量視礦井規(guī)模和節(jié)點數(shù)量而定，原則是使路由表不至于太大 而影響尋找路由的速度，保證信息實時傳輸。路由器節(jié)點采用的AT89C51CC01為8位微控制器，自身具有CAN控制器，集成有10位ADC、1K XRAM和硬件看門狗WDT ;采用靜態(tài)模式；具有二倍速功能；三個定時/計數(shù)器，14個中斷源/4級中斷優(yōu)先級。路由節(jié)點不必具有檢測功能，只需要完成尋找路由和轉(zhuǎn)發(fā)分組的功能，所以不需要傳感器部件。關(guān)于上述匯集節(jié)點。匯集節(jié)點應(yīng)具有更高的數(shù)據(jù)處理能力，可采用性能較高的處理器一ARM單片機，主要完成數(shù)據(jù)前端處理和中繼站式的功率放大功能。因為節(jié)點數(shù)量較大，發(fā)來的數(shù)據(jù)信息較多，故匯集節(jié)點應(yīng)具備基本的數(shù)據(jù)篩選功能，篩除無用信息。匯集節(jié)點可在井外設(shè)立，發(fā)射功率可相應(yīng)變大以便可以發(fā)送信號到遠程終端，或者是地面部分選擇使用總線方式進行通信。匯集節(jié)點可進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理等工作，避免上位機工作過于繁忙，如果上位機處理能力足夠大那么匯集節(jié)點只是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)也可。上述方式中，還包括用于控制井下除塵系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)的控制開關(guān)節(jié)點群5，控制開關(guān)節(jié)點群無線連接匯集節(jié)點，控制開關(guān)節(jié)點群包括除塵控制開關(guān)和通風(fēng)控制開關(guān)。關(guān)于上位機系統(tǒng)。接收從匯集節(jié)點發(fā)送來的射頻信號，主要進行數(shù)據(jù)的最后處理，進行判斷，顯示，報警等操作。還可以通過匯集節(jié)點發(fā)送信號到井下控制開關(guān)節(jié)點群進行井下控制(如除塵、通風(fēng)等)?？蛇x擇PC機作為上位機系統(tǒng)的核心，也可選用其他PDA設(shè)備，根據(jù)實際情況選擇。上位機系統(tǒng)發(fā)出的控制信號的傳輸可看作是檢測信號的逆過程，傳輸機理相同，只是方向相反而已。通過井下基本傳感器節(jié)點與控制機構(gòu)的配合完成相應(yīng)的控制動作。上述各傳感器檢測節(jié)點群還可設(shè)置有若干個備用傳感器節(jié)點，正常情況下由基本傳感器節(jié)點進行檢測，一旦有某個基本傳感器節(jié)點失效，與之最相鄰的一個備用傳感器節(jié)點被喚醒替代該基本傳感器。需要說明的是，在本說明書的教導(dǎo)下本領(lǐng)域技術(shù)人員所作出的任何等同替代，或明顯變型方式，也應(yīng)在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括布置在井下監(jiān)測范圍內(nèi)不同區(qū)域的若干個傳感器檢測節(jié)點群、用于接收及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信號的路由器節(jié)點群、用于接收來自路由器節(jié)點群處數(shù)據(jù)信號的匯集節(jié)點和用于接收來自匯集節(jié)點處數(shù)據(jù)信號的上位機系統(tǒng)；每個傳感器檢測節(jié)點群設(shè)置有若干個基本傳感器節(jié)點，各基本傳感器節(jié)點包括粉塵濃度傳感器、末級微控制器及末級ZigBee收發(fā)器；路由器節(jié)點群包括處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點與處于中繼位置的路由器節(jié)點，一個處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點對應(yīng)一個傳感器檢測節(jié)點群，各路由器節(jié)點包括二級微控制器與三級ZigBee收發(fā)器；匯集結(jié)點包括一級微控制器與二級ZigBee收發(fā)器或總線驅(qū)動模塊；上位機系統(tǒng)包括PC機或可持移動PDA設(shè)備、一級ZigBee收發(fā)器或總線驅(qū)動模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述各基本傳感器節(jié)點還包括瓦斯?jié)舛葌鞲衅?、溫度傳感器和濕度傳感器?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述末級ZigBee收發(fā)器與三級ZigBee收發(fā)器各設(shè)置有獨立的供電電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述基本傳感器節(jié)點與處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點之間，以及處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點與處于中繼位置的路由器節(jié)點之間，采用無線射頻電磁波傳輸方式進行通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于還包括用于控制井下除塵系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)的控制開關(guān)節(jié)點群，控制開關(guān)節(jié)點群無線連接匯集節(jié)點，控制開關(guān)節(jié)點群包括除塵控制開關(guān)和通風(fēng)控制開關(guān)。
專利摘要本實用新型公開了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井粉塵濃度監(jiān)測系統(tǒng)，特征是包括若干個傳感器檢測節(jié)點群、路由器節(jié)點群、匯集節(jié)點和上位機系統(tǒng)；每個傳感器檢測節(jié)點群設(shè)置有若干個基本傳感器節(jié)點，其包括粉塵濃度傳感器、末級微控制器及末級ZigBee收發(fā)器；路由器節(jié)點群包括處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點與處于中繼位置的路由器節(jié)點，一個處于始發(fā)位置的路由器節(jié)點對應(yīng)一個傳感器檢測節(jié)點群，各路由器節(jié)點包括二級微控制器與三級ZigBee收發(fā)器；匯集結(jié)點包括一級微控制器與二級ZigBee收發(fā)器；上位機系統(tǒng)包括可持移動PDA設(shè)備與一級ZigBee收發(fā)器。本實用新型能夠使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的粉塵濃度信息。
文檔編號H04W84/18GK202676686SQ20122026765
公開日2013年1月16日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者程學(xué)珍, 李文宏, 張麗麗, 郭春芬, 王秀芳, 田偉, 孫正鳳, 衛(wèi)阿盈, 張修華 申請人:山東科技大學(xué)