专利名称：基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink节点及其系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于物联网技术领域，特别涉及一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink节点及其系统。
背景技术：
瓦斯灾害是煤矿中最严重的灾害之一。由于煤矿生产环境复杂，采掘工作面的变化移动和地质条件的不断改变，使得单一瓦斯传感器不能对煤矿瓦斯浓度的变化情况实施全方位监控，导致瓦斯监测监控存在盲区，另外由于瓦斯状态参数信息与巷道的风速、粉尘和温度等其他参数关联度较大，由此带来的各种干扰必定会对监测系统产生严重的影响， 使得监测数据具有模糊性、不确定性、不精确性，从而产生了极大的安全隐患。传统的采用固定Sink节点的无线传感器网络布置方式存在很多不足，而且不具备信息融合和故障诊断的功能，难以适应物联网感知技术的应用要求。
实用新型内容本实用新型为了解决现有技术中存在的问题，特别提出一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink节点及其系统，用以实现信息互补与协同感知，提高了信息的收集效率和系统的容错能力。本实用新型的详细技术方案如下一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink节点，包括微处理器模块、路由管理模块、存储器模块和数据接口模块，还包括分别与所述微处理器模块连接的故障诊断模块、信息融合模块和无线网络模块，以及分别与所述故障诊断模块和信息融合模块相连接的数据接口模块；所述数据接口模块，用于接收数据，并将所述数据输出至所述故障诊断模块及所述信息融合模块；所述故障诊断模块，用于实时解析所述数据，读取所述数据中各传感器的状态信息，根据预设信息判断各传感器的运行状态，将判断结果发送至所述微处理器模块；所述信息融合模块，用于分析所述数据，根据预设规则，判断所监测煤矿巷道当前的瓦斯安全等级，并将判断结果发送至所述微处理器模块；所述无线网络模块，用于根据所述微处理器模块的指令，接收监测数据，发出控制
信息及调度信息。较佳地，所述无线网络模块为ZigBee无线网络模块。较佳地，所述数据接口模块为无线数据接口模块。其中，所述预设信息及所述预设规则均存储于所述存储器内。一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink系统，包括分为若干簇的物联网感知域，其中每个簇均含有若干无线传感器和一个簇头节点，还包括Sink节点，其分别与各簇头节点连接，用于在每个采样周期中，分别接收各簇头节点上传的本簇内若干无线传感器的数据，经过分析、处理后，发出控制信息及调度信息；其中，所述智能移动Sink节点，包括微处理器模块、路由管理模块、存储器模块和数据接口模块，还包括分别与所述微处理器模块连接的故障诊断模块、信息融合模块和无线网络模块，以及分别与所述故障诊断模块和信息融合模块相连接的数据接口模块；所述数据接口模块，用于接收各传感器发出的监测数据，并将所述数据输出至所述故障诊断模块及所述信息融合模块；所述故障诊断模块，用于实时解析所述数据，读取所述数据中各传感器的状态信息，根据预设信息判断各传感器的运行状态，将判断结果发送至所述微处理器模块；所述信息融合模块，用于分析所述数据，根据预设规则，判断所监测煤矿巷道当前的瓦斯安全等级，并将判断结果发送至所述微处理器模块；所述无线网络模块，用于根据所述微处理器模块的指令，接收监测数据，发出控制
信息及调度信息。较佳地，还包括与所述智能移动Sink节点连接的显示模块，用于实时将所述控制信息、故障诊断信息及所述调度信息分类显示。较佳地，所述每个簇的若干无线传感器节点均围绕所述簇头节点呈星状布置。本实用新型通过智能移动Sink节点把信息融合、故障诊断和路由管理功能集于一身，从而把智能化的物联网感知技术应用于煤矿瓦斯监控，能够全方位地感知矿山灾害征兆，对瓦斯、温度、风量、风速等信号数据采样，提取它们的特征量，运用相应的信息融合技术，实现了信息互补与协同感知，并运用传感器故障诊断功能实时感知无线传感器节点的运行状态。本装置的开发能够充分发挥物联网感知技术在煤矿井下应用的优势，正确感知煤矿瓦斯灾害状况，感知节点设备的健康状态，为煤矿的安全监测应用物联网提供了一个很好的感知层解决方案，较大提升了对煤矿瓦斯的实时监测和预警预报能力，为提高煤矿生产效率和加大安全管理提供了一个全新的综合信息化平台。
图1为本实用新型实施例智能移动Sink节点示意图；图2为本实用新型实施例智能移动Sink节点电路连接示意图；图3为本实用新型实施例智能移动Sink节点的系统连接示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。参照图1，一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink节点，包括微处理器模块、路由管理模块、存储器模块和数据接口模块，还包括分别与所述微处理器模块连接的故障诊断模块、信息融合模块和无线网络模块，以及分别与所述故障诊断模块和信息融合模块相连接的数据接口模块；所述数据接口模块，用于接收数据，并将所述数据输出至所述故障诊断模块及所述信息融合模块；其中，所述数据接口模块是负责接收从无线网络模块中传输进来的各簇传感器节点的监测数据。所述故障诊断模块，用于实时解析所述数据，读取所述数据中各传感器的状态信息，根据预设信息判断各传感器的运行状态，将判断结果发送至所述微处理器模块；所述信息融合模块，用于分析所述数据，根据预设规则，判断所监测煤矿巷道当前的瓦斯安全等级，并将判断结果发送至所述微处理器模块；所述无线网络模块，用于根据所述微处理器模块的指令，接收监测数据，发出控制
信息及调度信息。其中，所述无线网络模块为ZigBee无线网络模块。较佳地，所述预设信息及所述预设规则均存储于所述存储器模块内。参照图2，下面通过一个较佳的例子来对本实用新型的智能移动Sink节点具体电路实现方式进一步详细说明。所述智能移动Sink节点中的微处理器模块选用基于ARM9内核的S3C2440A，它是 SamSung公司推出的16/32位RISC微处理器，芯片内部集成一个IXD控制器和AD转换接口，具有外部存储器控制器，4通道DMA控制器，三通道UART，两通道SPI，带有MMU虚拟存储器单元，可采用串行通信方式和外围电路进行连接。采用μ Clinux操作系统作为系统软件。μ Clinux操作系统高效稳定，支持多线程任务同时执行，可以同时运行多个功能模块， 即本申请中所述故障诊断模块、所述信息融合模块和所述路由管理模块均内置于该微处理器中。S3C2440A系统本身没有大容量存储器，把扩展64MB的SDRAM作为RAM，选用1片 HY57V561620芯片，SDRAM芯片通过地址总线、数据总线、若干控制线与S3C2440A芯片相连， HY57V561620芯片的控制线CS、/WE、/RAS、/CAS和CKE引脚分别与S3C2440A芯片的nGCS6、 nWBE、nSRAS、nSCAS和SCKE引脚对应连接。该芯片用于缓存数据，加快微处理器模块的运行速度。存储器模块选择Samsung公司生产的K9F1208高性能存储芯片，该芯片的存储容量为8x64Mb，工作电压为3. 3V，16位数据宽度，采用TS0P48封装。K9F1208的I/O 口既可以接收和发送数据，也可以接受地址信息和控制命令，主要用于存储各种预设信息及预设规则，CLE有效时，锁存在I/O 口上的是控制命令字；在ALE有效时，锁存在I/O 口上的是地址；TO或RE有效时，锁存的是数据。NAND Flash主要用于保存系统引导文件、操作系统、底层驱动程序等大部分软件。它的控制线/CE、CLE、ALE、/WE和/RE引脚分别与S3C2440A芯片的nFCE、CLE、ALE、nFWE和nFRE引脚对应连接。无线网络模块选用CC2420，它是Chipcon公司推出一款支持2. 4GHz IEEE802. 15. 4/ZigBee协议，能够提供健壮的信号调制和无线收发模块，可以确保短距离通信的有效性和可靠性。CCM20芯片需要很少的外围元件即可完成硬件系统的设计，外围电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器，可优化天线性能。CCM20模块具有灵敏度高， 功耗低，可调节系统功耗，控制方便等特点。利用该模块实现智能移动Sink节点与物联网簇头节点及井下执行器间的数据传送以及路由维护功能。S3C2440A 通过 SPI 口读出和写入数据到 CC2420，通过 GPG6、EINT9、GPG8、GPGO, GPB9检测帧状态和激活CCM20模块，而GPBlO用于复位CCM20模块。S3C2440A的EINT9 检测CCM20的FIFOP中断，当CCM20接收到新的有效的数据帧后，通过该引脚请求主控制器处理。RESETS是用于复位CCM20芯片。VREG_EN是CCM20的电压使能引脚，通过该引脚可减少系统功耗。SFD引脚是CCM20接收到一个帧界定符后的指示信号，可以用来指示已经接收到了一个帧的帧界定符或者已经发送了一个帧的帧界定符。CCA是用来检测信道状态的，这方便主控制器检测信道状态。SCLK，nCS, Si，SO是SPI的4个引脚，主控制器通过SPI与CCM20通信。对于S3C2420的SPI最高工作高达25MHZ，CC2420的最高工作频率为10MHZ。这里我们设置为5MHZ。此外，智能移动Sink节点还连接IXD显示模块，用于输出显示由S3C2440A对各个节点诊断处理后识别出的有故障的传感器节点编号以及调度控制信息，S3CM40A所包含的LCD控制器可支持多种LCD屏接口，能实现对多种类型LCD屏的控制。根据该设计的需求，选择NS320M0B单色液晶屏构成IXD显示模块。S3C2440A的IXD控制器外部接口使用 VFRAME, VLINE, VCLK, VM、VDO VD3 等信号与它连接。电源系统的质量关系到整个系统的稳定性。在这个装置中，所需要的电源有5V、 3. 3V、1. 8V三种，电源管理模块中选用LMl 117电压转换芯片就可以满足系统需要。在强大的硬件系统支撑下，设计实现了功能完备的能够完成分布式信息融合、故障诊断和路由管理特色的系统功能模块，具有处理速度快，系统稳定等特点，实现了软硬件的有机统一。该智能移动Sink节点装置在瓦斯监测物联网中发挥着非常重要的作用，为煤矿的安全监测应用物联网提供了一个很好的感知层解决方案。参照图3，一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink系统，图中所示巷道为一个物联网感知域，且分为若干簇，即簇1、簇2、簇3……簇N。其中每个簇均含有若干无线传感器和一个簇头节点，例如簇1中含有若干个无线传感器301和一个簇头节点 302 ；智能移动Sink节点303分别与各簇头节点连接，用于在每个采样周期中，分别接收各簇头节点上传的本簇内若干无线传感器的数据，经过分析、处理后，发出控制信息及调度信息至WSN高性能网关304，以便将各种信息转发。需要说明的是，所述无线传感器可以为相同种类的无线传感器，也可以为不同种类的传感器，例如在簇1可以分别安装温度、瓦斯浓度、湿度等不同的传感器。其中，所述智能移动Sink节点303，包括微处理器模块、路由管理模块、存储器模块和数据接口模块，还包括分别与所述微处理器模块连接的故障诊断模块、信息融合模块和无线网络模块，以及分别与所述故障诊断模块和信息融合模块相连接的数据接口模块；所述数据接口模块，用于接收各传感器发出的数据，并将所述数据输出至所述故障诊断模块及所述信息融合模块；所述故障诊断模块，用于实时解析所述数据，读取所述数据中各传感器的状态信息，根据预设信息判断各传感器的运行状态，将判断结果发送至所述微处理器模块；所述信息融合模块，用于分析所述数据，根据预设规则，判断所监测煤矿巷道当前的瓦斯安全等级，并将判断结果发送至所述微处理器模块；所述无线网络模块，用于根据所述微处理器模块的指令，接收监测数据，发出控制
信息及调度信息。其中，还包括与所述Sink节点连接的显示模块，用于实时将所述控制信息、故障诊断信息及所述调度信息分类显示，其中可以采用图2中的NS320M0B单色液晶屏构成所述显示模块，在此不再赘述。[0050]较佳地，所述每个簇的若干传感器节点均围绕所述簇头节点呈星状布置，这样簇头节点可以更好、更准确的接收每簇内的数据信息。采用本实用新型的技术方案，降低了由于多跳无线传输造成的数据错误或丢包， 减轻了簇内的信息处理量；减少了冗余信息，节约了大量的通信带宽和宝贵的能量资源，实现了信息互补与协同感知，提高了信息的收集效率和系统的容错能力；且具有易于控制，能量消耗低等优点。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink节点，包括微处理器模块、路由管理模块、存储器模块和数据接口模块，其特征在于，还包括分别与所述微处理器模块连接的故障诊断模块、信息融合模块和无线网络模块，以及分别与所述故障诊断模块和信息融合模块相连接的数据接口模块；所述数据接口模块，用于接收数据，并将所述数据输出至所述故障诊断模块及所述信息融合模块；所述故障诊断模块，用于实时解析所述数据，读取所述数据中各传感器的状态信息，根据预设信息判断各传感器的运行状态，将判断结果发送至所述微处理器模块；所述信息融合模块，用于分析所述数据，根据预设规则，判断所监测煤矿巷道当前的瓦斯安全等级，并将判断结果发送至所述微处理器模块；所述无线网络模块，用于根据所述微处理器模块的指令，接收监测数据，发出控制信息及调度信息。
2.根据权利要求1所述的智能移动Sink节点，其特征在于，所述无线网络模块为 ZigBee无线网络模块。
3.根据权利要求1所述的智能移动Sink节点，其特征在于，所述数据接口模块为无线数据接口模块。
4.根据权利要求1至3任一所述的智能移动Sink节点，其特征在于，所述预设信息及所述预设规则均存储于所述存储器内。
5.一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink系统，包括分为若干簇的物联网感知域，其中每个簇均含有若干无线传感器和一个簇头节点，其特征在于还包括=Sink 节点，分别与各簇头节点连接，用于在每个采样周期中，分别接收各簇头节点上传的本簇内若干无线传感器的数据，经过分析、处理后，发出控制信息及调度信息；其中，所述智能移动Sink节点，包括微处理器模块、路由管理模块、存储器模块和数据接口模块，还包括分别与所述微处理器模块连接的故障诊断模块、信息融合模块和无线网络模块，以及分别与所述故障诊断模块和信息融合模块相连接的数据接口模块；所述数据接口模块，用于接收各传感器发出的监测数据，并将所述数据输出至所述故障诊断模块及所述信息融合模块；所述故障诊断模块，用于实时解析所述数据，读取所述数据中各传感器的状态信息，根据预设信息判断各传感器的运行状态，将判断结果发送至所述微处理器模块；所述信息融合模块，用于分析所述数据，根据预设规则，判断所监测煤矿巷道当前的瓦斯安全等级，并将判断结果发送至所述微处理器模块；所述无线网络模块，用于根据所述微处理器模块的指令，接收监测数据，发出控制信息及调度信息。
6.根据权利要求5所述的智能移动Sink系统，其特征在于，还包括与所述智能移动 Sink节点连接的显示模块，用于实时将所述控制信息、故障诊断信息及所述调度信息分类显不。
7.根据权利要求5或6所述的智能移动Sink系统，其特征在于，所述每个簇的若干无线传感器节点均围绕所述簇头节点呈星状布置。
专利摘要本实用新型属于物联网技术领域，为一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink节点及其系统。特别公开了一种基于物联网用于煤矿瓦斯监测的智能移动Sink节点，其包括微处理器模块、路由管理模块、存储器模块和数据接口模块，还包括分别与所述微处理器模块连接的故障诊断模块、信息融合模块和无线网络模块，以及分别与所述故障诊断模块和信息融合模块相连接的数据接口模块。通过智能移动Sink节点把信息融合、故障诊断和路由管理功能集于一身，能够正确感知煤矿瓦斯灾害状况，感知无线传感器节点的健康状态，减轻了簇内的信息处理量，实现了信息互补与协同感知，提高了信息的收集效率和系统的容错能力，为煤矿安全监测应用物联网提供了一个很好的感知层解决方案。
文档编号E21F17/18GK201991567SQ20112006787
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者孟祥瑞, 王军号 申请人:王军号