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
技術領域：
本實用新型涉及無線傳感器技術，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：
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、設備工況及故障保護傳感器和電量傳感器。傳感器相當于安全監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)末梢，負責測量煤礦井下各種參數(shù)；其他部分負責將傳感器測量得到的參數(shù)進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是煤礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)正常發(fā)揮作用的基礎。傳感器測量得到的信號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， 一個煤礦井下的傳感器基站可以連接一個或多個傳感器，傳感器基站充當傳感器與地面監(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為體積較大、需要特殊供電為固定安裝，不易移動，而傳感器體積較小、供電靈活，因此安裝方便，很容易移動。因而有人就利用傳感器可移動的特點，將傳感器節(jié)點放置在安全的環(huán)境中，從而使得在日常監(jiān)控時，將非真實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，進行違規(guī)操作。

實用新型內(nèi)容有鑒于此，本實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)點進行定位監(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)點發(fā)送的信號強度檢測所述節(jié)點相對所述基站的當前位置坐標，當判斷當前位置坐標超過設定閾值，則所述位置坐標監(jiān)測模塊向控制器輸出信號，啟動告警模塊。本實用新型是基于現(xiàn)用于煤礦井下的無線傳感器基站的改進，通過將無線信號傳輸損耗轉化為距離的經(jīng)驗模型應用到本實用新型中，實現(xiàn)了基站能對煤礦井中的無線傳感器節(jié)點的定位功能，并當節(jié)點的位置坐標超過設定閾值時，啟動告警，防止了將傳感器節(jié)點放置在安全的環(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，且本實用新型的無線傳感器基站的實現(xiàn)無需額外硬件設施，成本低廉。而已知的無線傳感網(wǎng)絡實現(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)實現(xiàn)的及節(jié)點尺寸；T0A(Time of Arrival),是利用節(jié)點信號到達不同基站的時間差來估計節(jié)點與基站的距離，該方式須賴附加硬件，成本比較高，其應用場景為比較大的空間尺度，不適合在煤礦井下使用。基于本實用新型的用于煤礦井下的無線傳感器基站，本實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)點發(fā)送的信號強度檢測所述節(jié)點相對所述基站的當前位置坐標，當判斷當前位置坐標超過設定閾值，則所述位置坐標監(jiān)測模塊向控制器輸出信號，啟動告警模塊向地面監(jiān)控中心發(fā)出報警。綜上，由于采用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是低成本的實現(xiàn)了對煤礦井中的無線傳感器節(jié)點的位置監(jiān)測，防止了將傳感器節(jié)點放置在安全的環(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是本實用新型中無線傳感器基站的結構框圖。圖2是本實用新型實施例中無線傳感器節(jié)點的結構圖。圖3是本實用新型實施例中無線傳感器基站的結構圖。
具體實施方式
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，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個實施例而已。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，位置坐標監(jiān)測模塊構成了本實用新型的用于煤礦井的無線傳感器基站，其中，位置坐標監(jiān)測模塊與控制器可由單片機集成構成，完成對無線傳感器節(jié)點的定位檢測及監(jiān)控；無線收發(fā)模塊用于完成基站和節(jié)點之間的無線通信；有線通信模塊用于實現(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)。實施例參見圖2，本實用新型中的無線傳感器節(jié)點由MC9S12NE64單片機(包括處理器和存儲器單元)、Zigbee模塊CC2420E-M (包括網(wǎng)絡和收發(fā)器單元)、瓦斯氣體傳感器模塊(包括傳感器和數(shù)模轉換單元)、電力供應模塊和聲光報警模塊構成。參見圖3，本實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(Controller Area Network, CAN)的 C85IR)20單片機，包括處理器和存儲器，在處理器中設置本實用新型的位置坐標監(jiān)測模塊，在存儲器中寫入本實用新型的無線傳感器節(jié)點的信號強度和位置坐標映射表；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)上的一個節(jié)點，通過有線連接方式與地面監(jiān)控中心通 目。當基站的Zigbee模塊CC2420E-M在正確接收節(jié)點當前位置的信號強度值S后，選取式(I)的測距信號衰減模型，將信號強度值S轉化為距離，進而構建節(jié)點信號強度和位置坐標映射表S=-(10η · Ig(d) +A) +45式(I)其中A為基站與節(jié)點相距I米時RSSI的絕對值，本實驗中測得A 40，η為無線信號傳播指數(shù)，一般取2 4，在本實用新型中經(jīng)過多次試驗取3. O效果較優(yōu)。在本實用新型中，無線傳感器基站和節(jié)點均使用短桿狀天線，基站放置高度為2m左右。固定基站，相對基站逐漸移動節(jié)點，經(jīng)過大量的實驗分析得出，基站接收到節(jié)點的信號強度值S在30m的范圍內(nèi)隨著節(jié)點與基站的相對距離d的增加變化比較明顯，故本實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)點當前位置的信號強度值S，每個位置均接收100個左右的數(shù)據(jù)包，對信號強度值S先進行均值處理，然后基于式(I)構建節(jié)點信號強度和位置坐標映射表，并將該映射表寫入C85IF020單片機的存儲器中。在節(jié)點工作時，基站的位置坐標監(jiān)測模塊取獲取的信號強度的最小均方差，與信 號強度和位置坐標映射表中匹配的位置坐標為節(jié)點的當前位置坐標，基站取信號強度的最小均方差處理具體為在一段時間內(nèi)(如104us)進行基帶IQ功率積分得到信號強度值S的瞬時值Si，即Si=Sum (T2+Q~2);然后在約I秒內(nèi)對η個(本實施例中取η為8192) Si進行平均得到信號強度的平均值Stt，即Stt=SumSiAi,同時給出I秒內(nèi)Si的最大值和Si大于某一門限K (K為η個Si的算術平均值)時的比率，即Si大于K的個數(shù)/η)。位置坐標監(jiān)測模塊根據(jù)根據(jù)獲取的信號強度的最小均方差，與信號強度和位置坐標映射表中匹配的位置坐標為節(jié)點的當前位置坐標。當基站的位置監(jiān)測模塊當判斷當前位置坐標超過設定閾值(根據(jù)實際的應用環(huán)境，本實施例中設定閾值為節(jié)點相距基站直線距離5m)，則所述位置坐標監(jiān)測模塊向控制器輸出信號，啟動告警模塊，即位置坐標監(jiān)測模塊向控制器輸出告警信號，啟動告警模塊向地面監(jiān)控中心發(fā)出報警，實現(xiàn)對規(guī)避安全監(jiān)控的違規(guī)操作的有效監(jiān)督。本實用新型并不局限于前述的具體實施方式
。本實用新型擴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)點發(fā)送的信號強度檢測所述節(jié)點相對所述基站的當前位置坐標，當判斷當前位置坐標超過設定閾值，則所述位置坐標監(jiān)測模塊向控制器輸出信號，啟動告警|吳塊。
2.如權利要求1所述的用于煤礦井下的無線傳感器基站，其特征在于，所述位置坐標監(jiān)測模塊還包括記錄有節(jié)點信號強度和位置坐標映射表的數(shù)據(jù)庫單元，所述位置坐標監(jiān)測模塊獲取到節(jié)點的當前信號強度，控制數(shù)據(jù)庫單元輸出對應的位置坐標信息。
3.如權利要求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CAN總線收發(fā)模塊。
5.如權利要求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)點發(fā)送的信號強度檢測所述節(jié)點相對所述基站的當前位置坐標，當判斷當前位置坐標超過設定閾值，則所述位置坐標監(jiān)測模塊向控制器輸出信號，啟動告警模塊向地面監(jiān)控中心發(fā)出報警。
7.如權利要求6所述的用于煤礦井下的安全監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，設置所述無線傳感器的無線通信模塊為Zigbee模塊。
8.如權利要求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，設置所述無線傳感器基站的放置高度為2米。
專利摘要本實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)點發(fā)送的信號強度檢測所述節(jié)點相對所述基站的當前位置坐標，當判斷當前位置坐標超過設定閾值，則所述位置坐標監(jiān)測模塊向控制器輸出信號，啟動告警模塊?；诒緦嵱眯滦偷挠糜诿旱V井的無線傳感器基站，本實用新型還公開了一種用于煤礦井的安全監(jiān)控系統(tǒng)。本實用新型以低成本實現(xiàn)了對煤礦井中的無線傳感器節(jié)點的位置監(jiān)測，防止了將傳感器節(jié)點放置在安全的環(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