新型被动式煤矿井下环境安全监测系统技术方案

本发明专利技术介绍了一种基于ZigBee无线网络及传感器检测技术的新型被动式煤矿井下环境安全监测系统。其原理是将带有传感器的监测终端（end device）放于矿工安全帽上，通过无线传感网络，实现被动式环境监测及人员定位的无线传输,实时监测矿工所处位置的环境状况,此系统的人员定位部分采用RSSI（Received Signal Strength Indication）算法，能够准确确定工人的位置。信息传输部分将人员现处环境信息及其他异常信息传输至控制平台,一旦发生异常，控制平台立刻向工人发出警报，并向控制室发出语音灯光报警，使得监控人员快速全面地了解井下环境状况，更大限度地保障煤矿的安全生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于煤矿井下环境安全监测系统，尤其涉及一种用于对煤矿井下工人定位，被动式的监测煤矿井下瓦斯气体超限及温湿度异常，并能实时警示井下工人离开的环境安全监测系统，是一种基于ZigBee技术，通过现场总线和井上PC机通信，将瓦斯浓度测量和空气温度、湿度测量结合起来，经过数据处理后，利用数据通信和算法来实现线通信和节点定位的井下环境监测系统。
技术介绍
随着煤炭需求的高速增长，煤炭工业得到了很大发展，但是瓦斯爆炸事故频频发生，其中一个很重要原因是当前瓦斯监控设备存在弊端，在瓦斯监测方面，国内检测瓦斯浓度的仪器主要有两种:一种是便携式瓦斯检测仪，结构简单携带方便，但是只有携带者能随时知道该处的瓦斯浓度，在煤矿井上的工作人员不能了解煤矿井下的瓦斯浓度情况；另外一种是以PC机为主体的瓦斯浓度检测装置，在煤矿井下固定的地方安装瓦斯检测传感器，再通过很长的电缆把测试到的瓦斯浓度等数据传送到煤矿井上的控制室，该测量装置的缺点是只能测量固定地方的瓦斯浓度，不能适时掌握工人所在地点的瓦斯浓度，很不方便，且测量传感器长期固定地安装在井下，测试和检修比较困难，而且现有的煤矿井下环境监测系统大多以工业总线为基础，构成有线的通信传输网络，而有线存在过多缺陷。在人员定位方面:国内外推广应用的煤矿井下定位产品主要是基于RFID (射频识另O，俗称电子标签)技术，其优点在于体积小、重量轻、便于携带，但该技术在使用中存在通信距离短的缺点，同时存在多人同时通过无线基站时存在漏读现象，更无法实现井下无线信号的全覆盖和人员的精确定位，只能用于简单的人员考勤管理，在进入煤矿时必须分散分批进入，使用效果不佳。为此，确实有必要设计一种新型被动式煤矿井下环境安全监测系统，以克服上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术提出了一种以新型的ZigBee技术为依托，并在煤矿监测领域首创采用被动式移动点监测，改变了传统的定点监测和手持式监测两种模式，将带有传感器的检测移动终端设备放设于矿工帽子上，通过无线传感网络，实现被动式的环境监测和人员定位。这套系统大大增加了监测的灵活性，有效解决了检测死角的问题，对有线监测做了很好的补充，进一步完善了煤矿井下环境安全监测系统。为达到上诉目的，本专利技术是按照如下几点进行设计的。I)利用温湿度、瓦斯传感器对移动点所在环境数值的监控。2)利用ZigBee技术，将环境数值及报警信息传输至PC机，进行异常环境语音报m目O3)利用cc2431定位引擎结合Z-Stack协议栈实现室内移动人员定位,并在PC机软件平台上显示。4)利用金属外壳模拟防爆装置。技术关键:在环境状况复杂的煤矿井下，无线传感器网络(wireless sensornetworks，WSN)组网困难，定位精度较低，被动式移动点监测技术要求较高。【附图说明】下面将结合附图对本专利技术的新型被动式煤矿井下环境安全监测系统进行说明。图1是本专利技术的总体结构示意图。图2是本专利技术的主程序流程图。具体实施形式 下面结合附图和具体实施形式，对本专利技术的被动式煤矿井下环境安全监测系统作进一步详细说明。本系统基于ZigBee技术构建，分为井上部分和井下部分，如图1所示，ZigBee网络的应用体现在井下部分，协调器节点3用于引入ZigBee网络，其主要固定在主巷道内，接入光纤数据传输接口，将电信号转化为光纤传输的光信号，传输至井上。路由节点4固定在除主巷道的其它需要进行检测的巷道内，可接收来自移动终端的数据，并路由至协调器节点。通过对各固定终端的布置，在井下巷道内建立了 ZigBee网络。当矿工进入井下ZigBee网络时，随身携带的移动终端I将自动与路由节点连接，随着矿工的移动，通过移动终端上的AM2302温湿度传感器和MJC4瓦斯传感器实时检测矿工所在位置的温湿度和瓦斯浓度信息并采集矿工相对参考节点2的位置信息，将这些信息通过路由节点4以接力的方式上传至地面监控主机。井上部分主要用来对由井下部分传来的信息进行处理、监控，监控主机用来运行上位机管理软件，管理者通过屏幕可以实时掌握井下情况。通过集线器可以连接上服务器及数据存储数据库，供监管部门通过Internet远程监控。本设计采用的IAR Embedded Workbench软件是一套高度精密且使用方便的嵌入式应用编程开发工具，用于对汇编、C或C++编写的嵌入式应用程序进行编译和调试。软件程序设计包括网络协调器程序和终端设备、各节点程序。程序中都包括初始化程序、协议栈配置、组网方式配置程序、各处理层设置程序以及发射程序和接收程序。初始化程序主要是对CC2430、协议栈、UART串口等进行初始化；发射程序将经过CC2430调制的数据通过DMA送至射频天线发射出去；接收程序负责数据的接收、打包及回复处理信息。协调器首先执行信道扫描，寻找一个合适的空闲信道，接着为新网络选择一个PAN ID，然后进入待机状态，等待响应其他节点的入网请求，主程序流程如图2所示。首先初始化网络协调器主程序，接着通过协议栈建立一个新的网络，确定PAN ID号和信道号。之后程序进入监听状态，当监听到新的设备请求加入网络时，就给新设备分配网络地址，并允许设备加入网络。同时，协调器通过串口通讯将终端设备发送来的信息传输给上位机，或者把上位机的指令，发送给终端设备。由于每个ZigBee模块都具备同时充当终端设备、各节点的功能，可采集数据并中转其他节点发射的数据，所以程序差不多，首先初始化CC2430，初始化协议栈，接着搜索网络，当找到网络时，申请加入网络，然后程序进入工作或者待机休眠状态。如果终端设备及各节点有信息要发送，或者其他节点发出需要配合工作的命令，则唤醒设备，进行数据的收发。当处理完事件后，则重新进入待机休眠状态。【主权项】1.一种基于ZigBee技术的新型被动式煤矿井下环境安全监测系统，其包括环境监测传感器和与传感器相连接的通信及定位设备，其特征在于，本系统采用物联网新兴的ZigBee无线网络技术，在煤矿监测领域首创采用被动式移动点监测，改变了传统的定点监测和手持式监测两种模式，将带有传感器的检测移动终端设备放置于矿工帽子上，实现被动式的环境监测及无线信息传输，随着工人的移动，被动式的检测工人所在位置的环境数据，并通过巷道内的参考节点得到工人所在的相对位置，并依托ZigBee物联网技术，通过无线传感网络，以接力的方式把采集的信息通过很多独立的路由器传至协调器节点，进而送达地面监控主机。2.根据权利要求1所述的新型被动式煤矿井下环境安全监测系统，其特征在于，所述移动终端位于安全帽内，与环境监测传感器相连接，各参考节点、路由节点、协调器节点相互独立，由电池供电。3.根据权利要求2所述的新型被动式煤矿井下环境安全监测系统，其特征在于，所述环境监测传感器为AM2302温湿度传感器和MJC4瓦斯传感器。4.根据权利要求3所述的新型被动式煤矿井下环境安全监测系统，其特征在于，通过集线器可以连接上服务器及数据存储数据库，供监管部门通过Internet远程监控。【专利摘要】本专利技术介绍了一种基于ZigBee无线网络及传感器检测技术的新型被动式煤矿井下环境安全监测系统。其原理是将带有传感器的监测终端（end device）放于矿工安全帽上，通过无线传感网络，实现被动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ZigBee技术的新型被动式煤矿井下环境安全监测系统，其包括环境监测传感器和与传感器相连接的通信及定位设备，其特征在于，本系统采用物联网新兴的ZigBee无线网络技术，在煤矿监测领域首创采用被动式移动点监测，改变了传统的定点监测和手持式监测两种模式，将带有传感器的检测移动终端设备放置于矿工帽子上，实现被动式的环境监测及无线信息传输，随着工人的移动，被动式的检测工人所在位置的环境数据，并通过巷道内的参考节点得到工人所在的相对位置，并依托ZigBee物联网技术，通过无线传感网络，以接力的方式把采集的信息通过很多独立的路由器传至协调器节点，进而送达地面监控主机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡兴志，杨兴波，耿玉鹏，
申请(专利权)人：胡兴志，
类型：发明
国别省市：河北;13