基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置的制造方法
专利名称:基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及矿井巷道支护监测技术领域，特别是涉及一种基于Zigbee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，包括单片机，以及与单片机连接的两个激光测距模块、位移检测模块、供电模块、ZigBee无线通信模块、显示模块和按键模块，两个激光测距模块为用以分别检测顶板下沉量和两帮移近量的位移变化量并转换为电流信号，位移检测模块将激光测距模块转换的电流信号转换成电压信号并发送给单片机采样，单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值；本实用新型可实时、可靠地监测井下巷道的表面位移变化情况，并对可能发生的安全事故做出提前预警，而且加入了ZigBee无线通信模块，实现了装置与分站之间的无线数据传输。
【专利说明】
基于Z i gBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及矿井巷道支护监测技术领域，特别是涉及一种基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置。
【背景技术】
[0002]在煤矿的地下开采过程中，巷道变形是一个不容忽视的问题，其主要表现为巷道周围煤、岩体产生了移动、变形甚至破坏，当这种变形发展到一定程度时，有可能增加井下发生重大事故的几率。很显然，随时掌握巷道表面位移的情况是非常必要的。在巷道支护监测技术中，巷道表面位移的检测是一个非常重要的研究项目。这对煤炭的安全生产至关重要。
[0003]目前国内外在井下巷道表面位移的测量上，主要以人工测量为主，维护人员每隔一段时间用传统测量工具对不同地方的巷道表面位移进行测量，然后对测量数据进行简单的记录。这种方法效率不高，测量也不精确，而且测量结果无法自动上传井下光纤环网，很难实现检测结果的综合分析和利用。随着技术的进步，各种基于有线网络的自动化表面位移监测传感器相继出现，但有线网络存在成本高、安装和维护不方便、灵活性和扩展性差等不足，限制着其在煤矿领域的进一步发展。
[0004]在公告号为0吧047403431]，公告日为2015.11.04的专利文件中公开了一种超声波式多点位巷道表面位移监测装置，包括装设在巷道左帮的一个分体式接收换能器R和一个发射换能器T、装设在巷道中顶位置的两个分体式发射换能器T和一个收发一体换能器RT、装设在巷道右帮的两个分体式接收换能器R，形成上三角左帮测线、中线顶底测线、上三角右帮测线和上三角水平测线；各分体收发换能器或一体换能器以四芯电缆沿巷帮敷设至监测主机，监测主机通过RS485或无线ZigBee与远程上位计算机接通;监测主机内置有与超声波发射/接收换能器连接的RT配对锁存模块、超声波测距模块、显示报警模块、数据存储与无线采集模块、远程数据传动模块和供电模块，本实用新型利用超声波测距原理，监测稳定，但是监控方式过于复杂。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，该装置可实时、可靠地监测井下巷道的表面位移变化情况，并对可能发生的安全事故做出提前预警。
[0006]为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0007]基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:包括单片机，以及与单片机连接的两个激光测距模块、位移检测模块、供电模块、ZigBee无线通信模块、显示模块和按键模块，所述两个激光测距模块为用以分别检测顶板下沉量和两帮移近量的位移变化量并分别转换为电流信号，所述位移检测模块将所述激光测距模块转换的电流信号转换成电压信号并发送给所述单片机采样，所述单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值。
[0008]优选地，还包括监控分站和地面监控计算机，所述单片机分析计算巷道的表面位移值后，通过所述ZigBee无线通信模块传送给监控分站，所述监控分站通过RS485总线传输数据至地面监控计算机。
[0009]优选地，所述ZigBee无线通信模块选用Chipcon公司的CC2420射频收发器，所述单片机选用STC12C5A芯片，用以实现键盘读入、LCD显示、巷道表面位移的测量、以及所述CC2420射频收发器的控制。
[0010]优选地，所述激光测距模块将位移变化量转换为O?20mA电流信号。
[0011]优选地，所述位移检测模块采用单电源LM358运放芯片，实现O?20mA电流信号向O?5V电压信号的转换。
[0012]本实用新型的有益效果:
[0013]本实用新型充分结合硬件、软件的优势，设计并实现了一种高精度、自动化巷道表面位移检测装置，为保障煤矿安全生产提供了一种新的技术手段，相比于现有技术:
[0014]I)由于引入了线性插值、标定、激光三角测距等软硬件设计方法，使得装置的测量精度得到极大的提高。
[0015]2)将ZigBee技术应用于装置的设计，实现了装置与分站之间的无线数据传输，解决了传统表面位移检测方法存在的测量效率低、节点扩展性差，无法实现测量结果自动上传、分析和处理的问题。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型的结构不意图；
[0017]图2为图1组成的巷道表面位移自动监测系统图；
[0018]图3为巷道表面位移监测断面布置图；
[0019]其中，1、3为激光测距模块，2、4为反射装置。
【具体实施方式】
[0020]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0021]目前国内外在井下巷道表面位移的测量上，主要以人工测量为主，维护人员每隔一段时间用传统测量工具对不同地方的巷道表面位移进行测量，然后对测量数据进行简单的记录。这种方法效率不高，测量也不精确，而且测量结果无法自动上传井下光纤环网，很难实现检测结果的综合分析和利用。随着技术的进步，各种基于有线网络的自动化表面位移监测传感器相继出现，但有线网络存在成本高、安装和维护不方便、灵活性和扩展性差等不足，限制着其在煤矿领域的进一步发展。
[0022]为了解决矿井巷道表面位移检测中遇到的测量精度低、拓扑结构固定、节点扩展性差、测量自动化程度低等问题，
【申请人】设计了一种基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，该监控装置可实时、可靠地监测井下巷道的表面位移变化情况，并对可能发生的安全事故做出提前预警。
[0023]具体如图1所示，基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，包括单片机，以及与单片机连接的无线通信模块(CC2420射频收发器)、供电模块、ZigBee无线通信模块、显示模块、按键模块、位移检测模块和激光测距模块，激光测距模块用于检测顶板下沉量和两帮移近量，并将位移变化量分别转换为电流信号，位移检测模块将所述激光测距模块转换的电流信号转换成电压信号并发送给单片机采样，单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值。
[0024]具体工作原理如下:
[0025]供电模块从井下现场取电AC127V，通过内部的供电电路，转换成+5V、+12V等控制电源供各模块使用；激光测距模块设置为两个，利用两个激光测距模块分别检测顶板下沉量和两帮移近量，位移检测模块将激光测距模块输出的O?20mA的电流信号转换为O?5V电压信号，供单片机采样;单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值;计算结果通过CC2420射频收发器(无线通信模块)传送给分站，并由分站通过RS485总线上传地面监控计算机，实现井下巷道表面位移情况的实时、可靠监测。
[0026]其中，单片机选用STCl2C5A芯片，实现键盘读入、IXD显示、巷道表面位移的测量、CC2420射频收发器的控制等功能；
[0027]巷道表面位移的测量采用先进的激光测距模块实现，该模块将位移变化转换为O?20mA电流信号，具有检测精度高、性能稳定可靠、结构紧凑、防水防尘、使用方便等优点；
[0028]位移检测模块采用单电源LM358运放芯片，实现O?20mA向O?5V的转换；
[0029]无线通信模块采用Chipcon公司的CC2420设计；
[0030]此外，装置还设计有按键、液晶显示、EEPROM存储等电路，用于完成标定和测量参数显不等功能。
[0031 ]另外，利用本实用新型所述的监控装置可以方便的组成各种巷道表面位移自动监测系统，系统结构如图2所示。
[0032]系统可分为地面监测平台和井下无线传感器网络单元两部分。其中，地面监测平台包括监控计算机，负责信号的分析，处理，汇总和统计，监测软件采用VC6.0高级语言设计;无线传感器网络由分布在巷道中的多个基于ZigBee的表面位移监控装置和监控分站组成，网络的拓扑结构采用树状网；监控装置完成巷道表面位移的检测，包括顶板下沉量和两帮移近量，并将测量数据以无线通信方式汇聚到监控分站;监控分站通过RS485总线的方式和光纤环网相连接。
[0033]光纤环网将无线传感器网络采集到的表面位移信息传送到地面监控计算机，监控计算机根据接收到的数据信息，对巷道表面位移变化情况进行实时监控，并对可能发生的安全事故做出提前预警。
[0034]具体布置方法，如图3所示。
[0035]以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:包括单片机，以及与单片机连接的两个激光测距模块、位移检测模块、供电模块、ZigBee无线通信模块、显示模块和按键模块，所述两个激光测距模块用于分别检测顶板下沉量和两帮移近量的位移变化量，并分别转换为电流信号，所述位移检测模块将所述激光测距模块转换的电流信号转换成电压信号并发送给所述单片机采样，所述单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值。2.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:还包括监控分站和地面监控计算机，所述单片机分析计算巷道的表面位移值后，通过所述ZigBee无线通信模块传送给监控分站，所述监控分站通过RS485总线传输数据至地面监控计算机。3.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:所述ZigBee无线通信模块选用Chipcon公司的CC2420射频收发器，所述单片机选用STC12C5A芯片，用以实现键盘读入、IXD显示、巷道表面位移的测量、以及所述CC2420射频收发器的控制。4.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:所述激光测距模块将所述位移变化量分别转换为O?20mA的电流信号。5.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:所述位移检测模块采用单电源LM358运放芯片，实现O?20mA电流信号向O?5V电压信号的转换。
【文档编号】G01B11/02GK205718850SQ201620330106
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】李学哲, 胡兴志, 罗建国, 秦文艺, 刘少海, 梁为, 张文, 张洪斌, 韩红利
【申请人】华北科技学院
【专利摘要】本实用新型涉及矿井巷道支护监测技术领域，特别是涉及一种基于Zigbee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，包括单片机，以及与单片机连接的两个激光测距模块、位移检测模块、供电模块、ZigBee无线通信模块、显示模块和按键模块，两个激光测距模块为用以分别检测顶板下沉量和两帮移近量的位移变化量并转换为电流信号，位移检测模块将激光测距模块转换的电流信号转换成电压信号并发送给单片机采样，单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值；本实用新型可实时、可靠地监测井下巷道的表面位移变化情况，并对可能发生的安全事故做出提前预警，而且加入了ZigBee无线通信模块，实现了装置与分站之间的无线数据传输。
【专利说明】
基于Z i gBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及矿井巷道支护监测技术领域，特别是涉及一种基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置。
【背景技术】
[0002]在煤矿的地下开采过程中，巷道变形是一个不容忽视的问题，其主要表现为巷道周围煤、岩体产生了移动、变形甚至破坏，当这种变形发展到一定程度时，有可能增加井下发生重大事故的几率。很显然，随时掌握巷道表面位移的情况是非常必要的。在巷道支护监测技术中，巷道表面位移的检测是一个非常重要的研究项目。这对煤炭的安全生产至关重要。
[0003]目前国内外在井下巷道表面位移的测量上，主要以人工测量为主，维护人员每隔一段时间用传统测量工具对不同地方的巷道表面位移进行测量，然后对测量数据进行简单的记录。这种方法效率不高，测量也不精确，而且测量结果无法自动上传井下光纤环网，很难实现检测结果的综合分析和利用。随着技术的进步，各种基于有线网络的自动化表面位移监测传感器相继出现，但有线网络存在成本高、安装和维护不方便、灵活性和扩展性差等不足，限制着其在煤矿领域的进一步发展。
[0004]在公告号为0吧047403431]，公告日为2015.11.04的专利文件中公开了一种超声波式多点位巷道表面位移监测装置，包括装设在巷道左帮的一个分体式接收换能器R和一个发射换能器T、装设在巷道中顶位置的两个分体式发射换能器T和一个收发一体换能器RT、装设在巷道右帮的两个分体式接收换能器R，形成上三角左帮测线、中线顶底测线、上三角右帮测线和上三角水平测线；各分体收发换能器或一体换能器以四芯电缆沿巷帮敷设至监测主机，监测主机通过RS485或无线ZigBee与远程上位计算机接通;监测主机内置有与超声波发射/接收换能器连接的RT配对锁存模块、超声波测距模块、显示报警模块、数据存储与无线采集模块、远程数据传动模块和供电模块，本实用新型利用超声波测距原理，监测稳定，但是监控方式过于复杂。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，该装置可实时、可靠地监测井下巷道的表面位移变化情况，并对可能发生的安全事故做出提前预警。
[0006]为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0007]基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:包括单片机，以及与单片机连接的两个激光测距模块、位移检测模块、供电模块、ZigBee无线通信模块、显示模块和按键模块，所述两个激光测距模块为用以分别检测顶板下沉量和两帮移近量的位移变化量并分别转换为电流信号，所述位移检测模块将所述激光测距模块转换的电流信号转换成电压信号并发送给所述单片机采样，所述单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值。
[0008]优选地，还包括监控分站和地面监控计算机，所述单片机分析计算巷道的表面位移值后，通过所述ZigBee无线通信模块传送给监控分站，所述监控分站通过RS485总线传输数据至地面监控计算机。
[0009]优选地，所述ZigBee无线通信模块选用Chipcon公司的CC2420射频收发器，所述单片机选用STC12C5A芯片，用以实现键盘读入、LCD显示、巷道表面位移的测量、以及所述CC2420射频收发器的控制。
[0010]优选地，所述激光测距模块将位移变化量转换为O?20mA电流信号。
[0011]优选地，所述位移检测模块采用单电源LM358运放芯片，实现O?20mA电流信号向O?5V电压信号的转换。
[0012]本实用新型的有益效果:
[0013]本实用新型充分结合硬件、软件的优势，设计并实现了一种高精度、自动化巷道表面位移检测装置，为保障煤矿安全生产提供了一种新的技术手段，相比于现有技术:
[0014]I)由于引入了线性插值、标定、激光三角测距等软硬件设计方法，使得装置的测量精度得到极大的提高。
[0015]2)将ZigBee技术应用于装置的设计，实现了装置与分站之间的无线数据传输，解决了传统表面位移检测方法存在的测量效率低、节点扩展性差，无法实现测量结果自动上传、分析和处理的问题。
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型的结构不意图；
[0017]图2为图1组成的巷道表面位移自动监测系统图；
[0018]图3为巷道表面位移监测断面布置图；
[0019]其中，1、3为激光测距模块，2、4为反射装置。
【具体实施方式】
[0020]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0021]目前国内外在井下巷道表面位移的测量上，主要以人工测量为主，维护人员每隔一段时间用传统测量工具对不同地方的巷道表面位移进行测量，然后对测量数据进行简单的记录。这种方法效率不高，测量也不精确，而且测量结果无法自动上传井下光纤环网，很难实现检测结果的综合分析和利用。随着技术的进步，各种基于有线网络的自动化表面位移监测传感器相继出现，但有线网络存在成本高、安装和维护不方便、灵活性和扩展性差等不足，限制着其在煤矿领域的进一步发展。
[0022]为了解决矿井巷道表面位移检测中遇到的测量精度低、拓扑结构固定、节点扩展性差、测量自动化程度低等问题，
【申请人】设计了一种基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，该监控装置可实时、可靠地监测井下巷道的表面位移变化情况，并对可能发生的安全事故做出提前预警。
[0023]具体如图1所示，基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，包括单片机，以及与单片机连接的无线通信模块(CC2420射频收发器)、供电模块、ZigBee无线通信模块、显示模块、按键模块、位移检测模块和激光测距模块，激光测距模块用于检测顶板下沉量和两帮移近量，并将位移变化量分别转换为电流信号，位移检测模块将所述激光测距模块转换的电流信号转换成电压信号并发送给单片机采样，单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值。
[0024]具体工作原理如下:
[0025]供电模块从井下现场取电AC127V，通过内部的供电电路，转换成+5V、+12V等控制电源供各模块使用；激光测距模块设置为两个，利用两个激光测距模块分别检测顶板下沉量和两帮移近量，位移检测模块将激光测距模块输出的O?20mA的电流信号转换为O?5V电压信号，供单片机采样;单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值;计算结果通过CC2420射频收发器(无线通信模块)传送给分站，并由分站通过RS485总线上传地面监控计算机，实现井下巷道表面位移情况的实时、可靠监测。
[0026]其中，单片机选用STCl2C5A芯片，实现键盘读入、IXD显示、巷道表面位移的测量、CC2420射频收发器的控制等功能；
[0027]巷道表面位移的测量采用先进的激光测距模块实现，该模块将位移变化转换为O?20mA电流信号，具有检测精度高、性能稳定可靠、结构紧凑、防水防尘、使用方便等优点；
[0028]位移检测模块采用单电源LM358运放芯片，实现O?20mA向O?5V的转换；
[0029]无线通信模块采用Chipcon公司的CC2420设计；
[0030]此外，装置还设计有按键、液晶显示、EEPROM存储等电路，用于完成标定和测量参数显不等功能。
[0031 ]另外，利用本实用新型所述的监控装置可以方便的组成各种巷道表面位移自动监测系统，系统结构如图2所示。
[0032]系统可分为地面监测平台和井下无线传感器网络单元两部分。其中，地面监测平台包括监控计算机，负责信号的分析，处理，汇总和统计，监测软件采用VC6.0高级语言设计;无线传感器网络由分布在巷道中的多个基于ZigBee的表面位移监控装置和监控分站组成，网络的拓扑结构采用树状网；监控装置完成巷道表面位移的检测，包括顶板下沉量和两帮移近量，并将测量数据以无线通信方式汇聚到监控分站;监控分站通过RS485总线的方式和光纤环网相连接。
[0033]光纤环网将无线传感器网络采集到的表面位移信息传送到地面监控计算机，监控计算机根据接收到的数据信息，对巷道表面位移变化情况进行实时监控，并对可能发生的安全事故做出提前预警。
[0034]具体布置方法，如图3所示。
[0035]以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:包括单片机，以及与单片机连接的两个激光测距模块、位移检测模块、供电模块、ZigBee无线通信模块、显示模块和按键模块，所述两个激光测距模块用于分别检测顶板下沉量和两帮移近量的位移变化量，并分别转换为电流信号，所述位移检测模块将所述激光测距模块转换的电流信号转换成电压信号并发送给所述单片机采样，所述单片机根据采样的电压值，分析计算巷道的表面位移值。2.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:还包括监控分站和地面监控计算机，所述单片机分析计算巷道的表面位移值后，通过所述ZigBee无线通信模块传送给监控分站，所述监控分站通过RS485总线传输数据至地面监控计算机。3.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:所述ZigBee无线通信模块选用Chipcon公司的CC2420射频收发器，所述单片机选用STC12C5A芯片，用以实现键盘读入、IXD显示、巷道表面位移的测量、以及所述CC2420射频收发器的控制。4.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:所述激光测距模块将所述位移变化量分别转换为O?20mA的电流信号。5.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的高精度巷道表面位移实时监控装置，其特征在于:所述位移检测模块采用单电源LM358运放芯片，实现O?20mA电流信号向O?5V电压信号的转换。
【文档编号】G01B11/02GK205718850SQ201620330106
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】李学哲, 胡兴志, 罗建国, 秦文艺, 刘少海, 梁为, 张文, 张洪斌, 韩红利
【申请人】华北科技学院
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