无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤矿安全监测领域，特别是多无线传感器信息融合的煤矿安全监测系 统。
【背景技术】
[0002] 煤炭资源是我国能源资源的重要组成部分，煤炭工业的持续、快速、健康发展是我 国社会主义经济建设顺利进行的重要保障。然而煤矿生产过程复杂，生产环境恶劣，受到 水、火、瓦斯、煤尘和冒顶等多种自然灾害因素的威胁，煤矿安全生产监测一直是制约煤矿 发展的一个关键性问题。
[0003] 目前，煤矿综合监控系统在井下主传输通道采用以光纤为主的工业以太网，设备 层采用以现场总线为主的网络结构，传感器采用有线的模拟信号或数字信号传输;基本已 监控了煤矿井下几乎所有的静态设备。但是，井下依然有部分移动设备的工况参数及周边 环境参数还没有完全纳入到系统监控之中，而这些信息对于平时的安全监测和灾后的救援 指挥都是非常重要的。无线接入技术的发展使煤矿井下动态监控已经是煤矿安全监控的发 展方向。
[0004] 因此，有必要结合煤矿生产条件和工艺特征，利用无线传感器网络、多传感器信息 融合技术构建煤矿安全监测系统，进行全方位的安全环境信息的监测，提前预防，降低事故 发生率。
[0005] 无线传感器网络中，众多传感器节点采集的数据将十分巨大，不加处理直接进行 传输将会给整个网络带来极大的负担，影响网络传输的效率和稳定，所以有必要通过数据 压缩算法进行处理，减少数据储存量，降低网络传输率。
【发明内容】
[0006] 本发明目的是设计一种无线传感器信息融合的煤矿安全监测终端，主要包括瓦 斯、C0、温度及湿度感知，利用利用时空压缩理论压缩处理传感器数据，实现煤矿生产的安 全环境信息实时监测。
[0007] 无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统，其特征在于，包括主控MCU，无线通信 模块、传感器模块、键盘显示模块、报警模块、系统电量监测模块，主控MCU对采集到的传感 器数据采用信息融合技术进行分析处理后，通过无线通信模块与部署在矿井巷道中的传感 器节点和基站进行无线通信，将巷道周围的环境信息上传监控中心。
[0008] 煤矿安全监测终端与部署在矿井巷道中的传感器节点之间采用ZigBee技术形成 无线传感器网络。
[0009] 所述的传感器模块包括瓦斯传感器、CO传感器、温度传感器及湿度传感器。
[0010] 所述的显示模块包括键盘模块和液晶显示器。
[0011]所述的报警模块包括声音和红光报警电路。
[0012]无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统采用时空压缩传感理论对融合处理瓦 斯传感器、CO传感器、温度传感器及湿度传感器数据，即对传感器数据先进行时空压缩后再 进行无线网络传输。
[0013] 本发明采用无线传感器技术，对多参数传感器信息进行融合，对煤矿生产的安全 ?目息感知具有实际意义。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统的结构框图。
[0015] 图2为本发明无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统的传感数据时空压缩感知 模型。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图来对本发明作进一步的说明。
[0017] 无线传感器信息融合的煤矿安全监测终端，包括主控MCU，无线通信模块、传感器 模块、键盘显示模块、报警模块、系统电量监测模块，主控MCU对采集到的传感器数据采用信 息融合技术进行分析处理后，通过无线通信模块与部署在矿井巷道中的传感器节点和基站 进行无线通信，将巷道周围的环境信息上传监控中心。所述的主控M⑶采用MSP430F149单片 机，MSP430F149单片机主要硬件性能指标有：闪速存储器容量为60KB+256B、RAM容量为2ΚΒ、 具有两个16位定时器、一个高速8通道12位A/D转换器、两个USART通用串行同步/异步通信 接口。所述的MSP430F149单片机外接无线通信模块、传感器模块、键盘显示模块、报警模块、 系统电量监测模块。
[0018] 所述的无线通信模块采用ZigBee技术，采用MSP430+CC2420的方案来搭建节点硬 件架构，采用IEEE802.15.4协议作为无线通信协议。微处理器主要控制CC2420完成以下操 作:通过4线SPI总线配置接口进行读取、写缓存数据、读取状态信息;使用FIF0、FIF0P状态 引脚连接接收和发送FIFO;连接到SR)引脚以提供时间信息;连接CCA引脚来清除通道。在本 系统中，MSP430F149具有硬件SPI接口，与CC2420的连接非常简单。其中CC2420的SO引脚连 接MSP430F149处理器的P5.2引脚，其SI引脚连接MSP430F149处理器的P5.1引脚，其SCLK引 脚连接MSP430F149处理器的P5.3引脚，其CSn引脚连接MSP430F149处理器的P5.0引脚，通过 这四个引脚便完成了和微处理器MSP430F149的SPI接口连接。
[0019] 所述的传感器模块包括瓦斯传感器、CO传感器、温度传感器及湿度传感器。所述的 瓦斯传感器采用MJC4/3.OL载体催化元件，其输出信号与瓦斯浓度呈正比，经过放大后送 入单片机的AD通道进行AD转换，得到瓦斯浓度值。
[0020] 所述的CO传感器采用MQ-7,其输出信号经过放大后送入单片机的AD通道进行AD转 换，得到CO浓度值。
[0021] 所述的温度传感器及湿度传感器采用SHT21S，SHT21S的数据由SDA线输出。温度和 湿度的测量可通过拉高或拉低SCL来切换，当SCL为高电平时进行湿度的测量;SCL为低电平 时进行温度的测量。SHT21S全量程标定，两线数字接口，可与单片机MSP430F149的IIC接口 直接相连。
[0022]所述的键盘显示模块包括键盘模块和128*64点阵的液晶显示器。
[0023]所述的报警模块包括声音和红光闪烁报警电路。
[0024]所述的电源模块采用本安电源，负责给主控M⑶，无线通信模块、传感器模块、键盘 显示模块、报警模块、系统电量监测模块提供电源。
[0025]所述的电能测试模块通过单片机MSP430F149的AD通道采样电能采集电路实时监 测系统供电情况。
[0026]利用时空压缩传感理论处理多传感器数据流程如下：
[0027] 在所监测的区域内取N个传感器组成一个簇，选择簇头节点nh, Sink节点传给簇头 随机种子sm，对簇头节点利用伪随机函数生成观测矩阵
[0028] 簇头节点和本监测区域内的节点进行无线通信，形成感知数据向量Xn = (Xi， X2, ...，Xn)，用小波变换压缩传感算法得到测量值向量
然后簇头节点nh将压缩 传感后数据Xm传输给Sink节点。
[0029] Sink节点也生成相同的观测矩阵0 = R(SmfHi)，由无线传感器拓扑得到小波基Ψ 变换矩阵，利用时空压缩解码算法
计算出传感节点的原来监测数据的小波表 示形式θ'最后由
重构原始感知数据。
【主权项】
1. 无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统，其特征在于，包括主控MCU，无线通信模 块、传感器模块、键盘显示模块、报警模块、系统电量监测模块，主控MCU对采集到的传感器 数据采用信息融合技术进行分析处理后，通过无线通信模块与部署在矿井巷道中的传感器 节点和基站进行无线通信，将巷道周围的环境信息上传监控中心。2. 根据权利1所要求的无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统，其特征在于，煤矿安 全监测终端与部署在矿井巷道中的传感器节点之间采用ZigBee技术形成无线传感器网络。3. 根据权利1所要求的无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统，其特征在于，所述的 传感器模块包括瓦斯传感器、C0传感器、温度传感器及湿度传感器。4. 根据权利1所要求的无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统，其特征在于，所述的 显示模块包括键盘模块和液晶显示器。5. 根据权利1所要求的无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统，其特征在于，所述的 报警模块包括声音和红光报警电路。6. 根据权利1所要求的无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统，其特征在于，采用时 空压缩传感理论对融合处理瓦斯传感器、C0传感器、温度传感器及湿度传感器数据，即对传 感器数据先进行时空压缩后再进行无线网络传输。
【专利摘要】本发明公开了一种无线传感器信息融合的煤矿安全监测系统，以低功耗单片机为控制核心，采用瓦斯传感器、CO传感器、温度传感器及湿度传感器获取煤矿生产环境的相关信息，单片机对采集到的传感器数据利用时空压缩传感理论进行处理后，通过无线发送模块采用无线通信协议与周围部署的无线传感器网络节点通信，最终将相关信息上传监控中心，实现煤矿生产环境的实时安全监测，本发明采用无线传感器技术，对多参数传感器信息进行有效融合，对煤矿生产的安全信息感知具有实际意义。
【IPC分类】G08C17/02, E21F17/18
【公开号】CN105464704
【申请号】CN201511007843
【发明人】赵苍荣, 陈阳, 孙钰, 武月, 唐真真, 章孜弥
【申请人】安徽理工大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月28日