基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，包括依次相连的控制中心、通信基站、SINK节点和监测终端，所述监测终端包括位移传感器、能量供给单元、第一处理器单元和第一通信单元，所述能量供给单元包括风力发电模块和能量管理模块。本发明专利技术可以实现对井下选煤设备硐室围岩的位移动态监测，并使用风力发电模块将硐室围岩内存在的微风能量转换为电能，解决了WSN节点的供电存在的问题，真正实现了井下选煤设备硐室无线监测，不用在硐室布置任何线路，避免了线路槽对硐室和通道稳定性的破坏，不对硐室环境造成影响，方便了硐室内的正常工作。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术涉及井下选煤硐室围岩在线监测
，具体涉及一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统。

技术介绍

煤炭是我国最主要的一次能源，伴随着煤矿开采排出的矸石通过井上选煤厂洗选，但是井上洗选增加了矸石的运费以及排矸费用，造成矿井的提升能力紧张和吨煤利润下降，同时，矸石排放占用土地，造成地面环境的污染，不利于居住环境的改善。而井下选煤可以直接解决上述问题，实现了原煤井下分选和充填一体化，减少原煤运输以及吨煤能耗。目前，井下选煤厂已经在我国得到了成功构建和运行，实现了绿色开采。
井下选煤厂可以在原煤升井前通过选煤设备将其中的矸石排出，直接用于井下喷浆或采空区回填材料，实现了原煤井下分选和充填一体化，不但减少了地面占地，又降低了对环境的污染，产生巨大的经济效益和社会效益。随着绿色开采理念的不断深入，井下选煤技术具有非常广阔的应用前景。矿井安全监控系统是矿山压力监测系统的核心之一，是煤矿安全生产监控系统的重要构成部分。它综合了各种传感器测量方法、无线和有线通信技术、数据通讯技术和数据处理技术，对煤矿井下围岩在矿山压力作用下反映在围岩上的位移以及位移速率上的表现进行了具体测量，并支持对测量数据的综合查询及对围岩状态的预测，为硐室围岩、硐室围岩的日常监测和维护提供基础数据；底臌、顶板下沉以及侧帮位移都是矿山地压的明显表现。
申请号为201210416966.4的专利技术公开了一种基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法，在通讯光纤上连接四个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器，四个光纤光栅传感器布置在设备周围的设备基础的四个角部，通讯光纤的接入端或引出端连接光纤光栅网络分析仪，光纤光栅网络分析仪与计算机连接。通过光纤光栅网络分析仪分析光纤光栅传感器波长改变量的大小，并将其转变为设备基础上各个测点处的应力变化，读取不同时刻下选煤硐室设备基础的应力分布状况，判断设备基础是否产生倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。该装置可以实现对设备基础的倾斜监测，但是光纤光栅传感器的供电是个需要面对的问题，增加了施工的成本，导致现场布线易混乱，线路过于复杂。
申请号为201110369513.6的专利技术具体为一种煤矿井下围岩微震检测方法，解决了缺乏针对坚硬顶底板和坚硬煤层的地质条件下的微震监测方法的问题。煤矿井下围岩微震检测方法，包括的步骤有架设监测所用的设备、收集数据、汇总分析并实时监测、对异常的参数情况进行分析，对冲击矿压可能发生的时间和位置进行预警。本专利技术不仅可以解决煤矿开采中遇到的冲击矿压难题，确保矿井开采的顺利、安全进行，对于今后在开采过程中的冲击矿压防治工作也必将起到积极有效的指导作用。但是该专利技术也是需要布设大量线路，严重影响正常施工。
解决这一问题需要对井下硐室围岩进行无线监测，目前无线传感器网络（WSN）技术已在多个领域发挥了重要的作用，但无线传感器网络在煤矿井下的应用并不顺利，很多研究仍然停留在实验室阶段，其主要原因是能源供给问题，主要表现在以下两个方面：(1)无线传感器供电方式。使用电池可以对无线传感器供电，但电池的寿命有限，而使用传统的有线供电方式则失去了无线传感器的灵活性，且大大增加了成本；（2）无线传感器网络节点对能量的需求大。由于节点担负着数据采集和发送的任务，自身的功耗过大，所需能量也大，此时传感器节点有限的能源变得至关重要，当能量的需求脱离有线供电的时候，这一问题尤为突出。

技术实现思路

本专利技术所要解决的问题是提供一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，实现对井下选煤设备硐室围岩的位移动态监测，并使用风力发电模块将硐室围岩内存在的微风能量转换为电能，解决了WSN节点的供电存在的问题。
为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，包括依次相连的控制中心、通信基站、SINK节点和监测终端，所述监测终端包括位移传感器、能量供给单元、第一处理器单元和第一通信单元，所述能量供给单元包括风力发电模块和能量管理模块，所述位移传感器与所述第一处理器单元、第一通信单元依次连接，所述能量供给单元与所述位移传感器、第一处理器单元、第一通信单元连接。
进一步的，所述第一处理器单元包括单片机芯片。
进一步的，所述SINK节点包括第二处理器单元和第二通信单元，所述第一通信单元与所述第二通信单元通过无线的方式传递数据，所述第一通信单元和所述第二通信单元包括Zigbee模块，所述第二通信单元还包括第一RS485通讯接口。
进一步的，所述通信基站包括通信计算机、第二RS485通讯接口和第一光纤调制解调器，所述通信计算机通过第二RS485通讯接口与所述SINK节点进行数据传输，所述通信计算机通过第一光纤调制解调器与所述控制中心进行通信。
进一步的，所述控制中心包括监控主机、第二光纤调制解调器、显示设备和数据库服务器。
进一步的，所述能量管理模块包括依次连接的交流-直流整流器、MPPT升压变压器、能量存储单元和直流-直流整流变压器，所述直流-直流整流变压器与所述第一处理器单元、第一通信单元和位移传感器连接，所述交流-直流整流器通过电流与电压检测电路和ADC电路连接，所述ADC电路还与第一处理器单元、第一通信单元和位移传感器连接，所述第一处理器单元通过PWM生成电路与所述MPPT升压变压器连接。
进一步的，所述风力发电模块包括垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机的一种或两种。
进一步的，所述垂直轴风力发电机设置在硐室围岩两帮，对应所述垂直轴风力发电机风能加强机构Ⅰ，所述风能加强机构Ⅰ包括硐室围岩两帮设置的棱台形的空心罩体Ⅰ，所述空心罩体Ⅰ出风口与所述垂直轴风力发电机一侧的叶片对齐。
进一步的，所述水平轴风力发电机设置在硐室围岩顶部，对应所述水平轴风力发电机设置风能加强机构Ⅱ，所述风能加强机构Ⅱ包括硐室围岩顶部设置的棱台形的空心罩体Ⅱ，所述空心罩体Ⅱ的出风口设置出风管道，所述出风管道内设置所述水平轴风力发电机。
本专利技术提供了一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，控制中心位于井上，通信基站、SINK节点和监测终端位于井下，监测终端是对井下选煤厂设备硐室内围岩位移情况进行监测，并将监测到的数据发送至SINK节点，因为井下硐室的数量是较多的，而井下的情况也较为复杂，所以采用SINK节点对一定区域内的监测终端进行数据接收以及命令控制，SINK节点与通信基站连接，通信基站与控制中心连接，最终将井下硐室内的监测信息汇总至控制中心，实现对井下硐室内围岩位移情况的远程监测。
监测终端的通过位移传感器对井下硐室内围岩位移情况进行监测，位移传感器可采用磁致伸缩位移传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值，由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此该传感器可以被应用到恶劣的工业环境中，不会受到井下选煤设备硐室的尘埃等干扰，监测效果更好。因为井下选煤厂需要通风，而通风所产生的风能在井下也是时刻存在的，通过利用井下的微风资源，通过风力发电模块把风能转化为机械能，机械能再转化为电能，可以提供不间歇的能量资源，为无线传感网络的能量来源提供了稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，其特征在于：包括依次相连的控制中心、通信基站、SINK节点和监测终端，所述监测终端包括位移传感器、能量供给单元、第一处理器单元和第一通信单元，所述能量供给单元包括风力发电模块和能量管理模块，所述位移传感器与所述第一处理器单元、第一通信单元依次连接，所述能量供给单元与所述位移传感器、第一处理器单元、第一通信单元连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，其特征在于：包括依次相连的控制中心、通信基站、SINK节点和监测终端，所述监测终端包括位移传感器、能量供给单元、第一处理器单元和第一通信单元，所述能量供给单元包括风力发电模块和能量管理模块，所述位移传感器与所述第一处理器单元、第一通信单元依次连接，所述能量供给单元与所述位移传感器、第一处理器单元、第一通信单元连接。
2.如权利要求1所述的基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，其特征在于：所述第一处理器单元包括单片机芯片。
3.如权利要求1所述的基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，其特征在于：所述SINK节点包括第二处理器单元和第二通信单元，所述第一通信单元与所述第二通信单元通过无线的方式传递数据，所述第一通信单元和所述第二通信单元包括Zigbee模块，所述第二通信单元还包括第一RS485通讯接口。
4.如权利要求3所述的基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，其特征在于：所述通信基站包括通信计算机、第二RS485通讯接口和第一光纤调制解调器，所述通信计算机通过第二RS485通讯接口与所述SINK节点进行数据传输，所述通信计算机通过第一光纤调制解调器与所述控制中心进行通信。
5.如权利要求4所述的基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，其特征在于：所述控制中心包括监控主机、第二光纤调制解调器、显示设备和数...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛晓，朱清慧，郑扬冰，张燕，董浩斌，徐志强，
申请(专利权)人：南阳理工学院，
类型：发明
国别省市：河南;41