專利名稱：一種用于煤礦井下的無線傳感器基站及安全監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及無線傳感器技術(shù)，特別涉及一種用于煤礦井下的無線傳感器基站及安全監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)已成為煤礦井下安全管理、生產(chǎn)與設(shè)備管理的重要手段。煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、傳感器基站、面監(jiān)控中心及傳輸信道組成。煤礦井常用的傳感器種類主要有環(huán)境參數(shù)傳感器、生產(chǎn)參數(shù)傳感器、設(shè)備工況及故障保護(hù)傳感器和電量傳感器。傳感器相當(dāng)于安全監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，負(fù)責(zé)測量煤礦井下各種參數(shù)；其他部分負(fù)責(zé)將傳感器測量得到的參數(shù)進(jìn)行正確的傳輸和利用。因此，傳感器能夠獲得正確的測量信號(hào)是煤礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)正常發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。傳感器測量得到的信號(hào)通過煤礦井下的傳感器基站經(jīng)信道傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心， 一個(gè)煤礦井下的傳感器基站可以連接一個(gè)或多個(gè)傳感器，傳感器基站充當(dāng)傳感器與地面監(jiān)控中心之間通信的基站，傳感器基站與地面監(jiān)控中心之間采用有線連接方式。通常，煤礦井下的傳感器基站因?yàn)轶w積較大、需要特殊供電為固定安裝，不易移動(dòng)，而傳感器體積較小、供電靈活，因此安裝方便，很容易移動(dòng)。因而有人就利用傳感器可移動(dòng)的特點(diǎn)，將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在安全的環(huán)境中，從而使得在日常監(jiān)控時(shí)，將非真實(shí)的煤礦井下信息傳輸給地面監(jiān)控中心，以規(guī)避安全監(jiān)控，進(jìn)行違規(guī)操作。

實(shí)用新型內(nèi)容有鑒于此，本實(shí)用新型的目的在于提出一種用于煤礦井下的能對無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位監(jiān)控的無線傳感器基站及安全監(jiān)控系統(tǒng)。本實(shí)用新型的用于煤礦井下的無線傳感器基站，包括分別與控制器相連的無線收發(fā)模塊、有線通信模塊、告警模塊，其特征在于，還包括位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊，用于根據(jù)所述無線收發(fā)模塊根據(jù)接收來自無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度檢測所述節(jié)點(diǎn)相對所述基站的當(dāng)前位置坐標(biāo)，當(dāng)判斷當(dāng)前位置坐標(biāo)超過設(shè)定閾值，則所述位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊向控制器輸出信號(hào)，啟動(dòng)告警模塊。本實(shí)用新型是基于現(xiàn)用于煤礦井下的無線傳感器基站的改進(jìn)，通過將無線信號(hào)傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用到本實(shí)用新型中，實(shí)現(xiàn)了基站能對煤礦井中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位功能，并當(dāng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)超過設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)告警，防止了將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在安全的環(huán)境中的規(guī)避安全監(jiān)控的違規(guī)操作，能有效的杜絕了煤礦井的安全隱患，防范煤礦井安全事故的發(fā)生，且本實(shí)用新型的無線傳感器基站的實(shí)現(xiàn)無需額外硬件設(shè)施，成本低廉。而已知的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)定位的方式(紅外線、GPS、超聲波和TOA等)并不適合于煤礦井這種有著特殊需求的應(yīng)用場景中因紅外線的測距誤差較大，且受氣溫、濕度等的影響較大，不適合在煤礦井下使用；而6 3無法在煤礦井下使用；雖然超聲波的測距很精確，但是需要添加硬件、增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的及節(jié)點(diǎn)尺寸；T0A(Time of Arrival),是利用節(jié)點(diǎn)信號(hào)到達(dá)不同基站的時(shí)間差來估計(jì)節(jié)點(diǎn)與基站的距離，該方式須賴附加硬件，成本比較高，其應(yīng)用場景為比較大的空間尺度，不適合在煤礦井下使用。基于本實(shí)用新型的用于煤礦井下的無線傳感器基站，本實(shí)用新型還公開了一種用于煤礦井下的安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括無線傳感器基站、無線傳感器、地面監(jiān)控中心，其特征在于，所述傳感器基站還包括位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊，用于根據(jù)所述無線收發(fā)模塊根據(jù)接收來自無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度檢測所述節(jié)點(diǎn)相對所述基站的當(dāng)前位置坐標(biāo)，當(dāng)判斷當(dāng)前位置坐標(biāo)超過設(shè)定閾值，則所述位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊向控制器輸出信號(hào)，啟動(dòng)告警模塊向地面監(jiān)控中心發(fā)出報(bào)警。綜上，由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是低成本的實(shí)現(xiàn)了對煤礦井中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置監(jiān)測，防止了將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在安全的環(huán)境中的規(guī)避安全監(jiān)控的違規(guī)操作，能有效的杜絕煤礦井的安全隱患，防范煤礦井安全事故的發(fā)生。
圖1是本實(shí)用新型中無線傳感器基站的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例中無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例中無線傳感器基站的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)實(shí)施例而已。參見圖1，由控制器、無線收發(fā)模塊、有線通信模塊、告警模塊、傳感器模塊，位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊構(gòu)成了本實(shí)用新型的用于煤礦井的無線傳感器基站，其中，位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊與控制器可由單片機(jī)集成構(gòu)成，完成對無線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位檢測及監(jiān)控；無線收發(fā)模塊用于完成基站和節(jié)點(diǎn)之間的無線通信；有線通信模塊用于實(shí)現(xiàn)基站與地面監(jiān)控中心的通信；傳感器模塊用于檢測基站所處的環(huán)境參數(shù)。實(shí)施例參見圖2，本實(shí)用新型中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)由MC9S12NE64單片機(jī)(包括處理器和存儲(chǔ)器單元)、Zigbee模塊CC2420E-M (包括網(wǎng)絡(luò)和收發(fā)器單元)、瓦斯氣體傳感器模塊(包括傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元)、電力供應(yīng)模塊和聲光報(bào)警模塊構(gòu)成。參見圖3，本實(shí)用新型的無線傳感器基站的無線收發(fā)模塊為Zigbee模塊CC2420E-M,;控制器為集成控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的 C85IR)20單片機(jī)，包括處理器和存儲(chǔ)器，在處理器中設(shè)置本實(shí)用新型的位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊，在存儲(chǔ)器中寫入本實(shí)用新型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度和位置坐標(biāo)映射表；有線通信模塊為CAN總線收發(fā)器；告警模塊為聲光報(bào)警器，還包括傳感器模塊，即基站也能檢測周圍的環(huán)境參數(shù)。無線傳感器基站是CAN總線系統(tǒng)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過有線連接方式與地面監(jiān)控中心通 目。當(dāng)基站的Zigbee模塊CC2420E-M在正確接收節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的信號(hào)強(qiáng)度值S后，選取式(I)的測距信號(hào)衰減模型，將信號(hào)強(qiáng)度值S轉(zhuǎn)化為距離，進(jìn)而構(gòu)建節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度和位置坐標(biāo)映射表S=-(10η · Ig(d) +A) +45式(I)其中A為基站與節(jié)點(diǎn)相距I米時(shí)RSSI的絕對值，本實(shí)驗(yàn)中測得A 40，η為無線信號(hào)傳播指數(shù)，一般取2 4，在本實(shí)用新型中經(jīng)過多次試驗(yàn)取3. O效果較優(yōu)。在本實(shí)用新型中，無線傳感器基站和節(jié)點(diǎn)均使用短桿狀天線，基站放置高度為2m左右。固定基站，相對基站逐漸移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)分析得出，基站接收到節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值S在30m的范圍內(nèi)隨著節(jié)點(diǎn)與基站的相對距離d的增加變化比較明顯，故本實(shí)用新型的測試范圍限定在O 30m。在O 30m的范圍內(nèi)，每間隔O. 2m或者O. 3m記錄基站能收到節(jié)點(diǎn)當(dāng)前位置的信號(hào)強(qiáng)度值S，每個(gè)位置均接收100個(gè)左右的數(shù)據(jù)包，對信號(hào)強(qiáng)度值S先進(jìn)行均值處理，然后基于式(I)構(gòu)建節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度和位置坐標(biāo)映射表，并將該映射表寫入C85IF020單片機(jī)的存儲(chǔ)器中。在節(jié)點(diǎn)工作時(shí)，基站的位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊取獲取的信號(hào)強(qiáng)度的最小均方差，與信 號(hào)強(qiáng)度和位置坐標(biāo)映射表中匹配的位置坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置坐標(biāo)，基站取信號(hào)強(qiáng)度的最小均方差處理具體為在一段時(shí)間內(nèi)(如104us)進(jìn)行基帶IQ功率積分得到信號(hào)強(qiáng)度值S的瞬時(shí)值Si，即Si=Sum (T2+Q~2);然后在約I秒內(nèi)對η個(gè)(本實(shí)施例中取η為8192) Si進(jìn)行平均得到信號(hào)強(qiáng)度的平均值Stt，即Stt=SumSiAi,同時(shí)給出I秒內(nèi)Si的最大值和Si大于某一門限K (K為η個(gè)Si的算術(shù)平均值)時(shí)的比率，即Si大于K的個(gè)數(shù)/η)。位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊根據(jù)根據(jù)獲取的信號(hào)強(qiáng)度的最小均方差，與信號(hào)強(qiáng)度和位置坐標(biāo)映射表中匹配的位置坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置坐標(biāo)。當(dāng)基站的位置監(jiān)測模塊當(dāng)判斷當(dāng)前位置坐標(biāo)超過設(shè)定閾值(根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境，本實(shí)施例中設(shè)定閾值為節(jié)點(diǎn)相距基站直線距離5m)，則所述位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊向控制器輸出信號(hào)，啟動(dòng)告警模塊，即位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊向控制器輸出告警信號(hào)，啟動(dòng)告警模塊向地面監(jiān)控中心發(fā)出報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對規(guī)避安全監(jiān)控的違規(guī)操作的有效監(jiān)督。本實(shí)用新型并不局限于前述的具體實(shí)施方式
。本實(shí)用新型擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組
口 ο
權(quán)利要求1.一種用于煤礦井下的無線傳感器基站，包括分別與控制器相連的無線收發(fā)模塊、有線通信模塊、告警模塊，其特征在于，還包括位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊，用于根據(jù)所述無線收發(fā)模塊根據(jù)接收來自無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度檢測所述節(jié)點(diǎn)相對所述基站的當(dāng)前位置坐標(biāo)，當(dāng)判斷當(dāng)前位置坐標(biāo)超過設(shè)定閾值，則所述位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊向控制器輸出信號(hào)，啟動(dòng)告警|吳塊。
2.如權(quán)利要求1所述的用于煤礦井下的無線傳感器基站，其特征在于，所述位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊還包括記錄有節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度和位置坐標(biāo)映射表的數(shù)據(jù)庫單元，所述位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊獲取到節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度，控制數(shù)據(jù)庫單元輸出對應(yīng)的位置坐標(biāo)信息。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于煤礦井下的無線傳感器基站，其特征在于，所述無線收發(fā)模塊為Zigbee模塊。
4.如權(quán)利要求1或2所述的用于煤礦井下的無線傳感器基站，其特征在于，所述有線通信模塊為控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線收發(fā)模塊。
5.如權(quán)利要求1或2所述的用于煤礦井下的無線傳感器基站，其特征在于，還包括與控制器通信的傳感器模塊。
6.一種用于煤礦井下的安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括無線傳感器基站、無線傳感器、地面監(jiān)控中心，其特征在于，所述傳感器基站還包括位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊，用于根據(jù)所述無線收發(fā)模塊根據(jù)接收來自無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度檢測所述節(jié)點(diǎn)相對所述基站的當(dāng)前位置坐標(biāo)，當(dāng)判斷當(dāng)前位置坐標(biāo)超過設(shè)定閾值，則所述位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊向控制器輸出信號(hào)，啟動(dòng)告警模塊向地面監(jiān)控中心發(fā)出報(bào)警。
7.如權(quán)利要求6所述的用于煤礦井下的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置所述無線傳感器的無線通信模塊為Zigbee模塊。
8.如權(quán)利要求6或7所述的用于煤礦井下的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置所述無線傳感器基站和/或無線傳感器的天線為短桿狀天線。
9.如權(quán)利要求6或7所述的用于煤礦井下的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置所述無線傳感器基站的放置高度為2米。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于煤礦井下的無線傳感器基站及安全監(jiān)控系統(tǒng)，本實(shí)用新型的基站包括分別與控制器相連的無線收發(fā)模塊、有線通信模塊、告警模塊，其特征在于，還包括位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊，用于根據(jù)所述無線收發(fā)模塊根據(jù)接收來自無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度檢測所述節(jié)點(diǎn)相對所述基站的當(dāng)前位置坐標(biāo)，當(dāng)判斷當(dāng)前位置坐標(biāo)超過設(shè)定閾值，則所述位置坐標(biāo)監(jiān)測模塊向控制器輸出信號(hào)，啟動(dòng)告警模塊?；诒緦?shí)用新型的用于煤礦井的無線傳感器基站，本實(shí)用新型還公開了一種用于煤礦井的安全監(jiān)控系統(tǒng)。本實(shí)用新型以低成本實(shí)現(xiàn)了對煤礦井中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置監(jiān)測，防止了將傳感器節(jié)點(diǎn)放置在安全的環(huán)境中的規(guī)避安全監(jiān)控的違規(guī)操作，有效杜絕安全隱患。
文檔編號(hào)E21F17/18GK202856993SQ20122052500
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月13日
發(fā)明者張子為, 許都, 廖丹, 董青 申請人:電子科技大學(xué)