一种基于wsn的煤矿采空区自然发火火源点定位系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统，包括：信息处理服务器、通信网络、通信网关、位于工作面两侧顺槽的信息汇聚节点以及位于采空区的无线测温节点；所述无线测温节点采集温度信号，通过无线传输到所述信息汇聚节点，所述信息汇聚节点将接收到的温度信号传输到通信网关，通信网关再传输到通信网络，最后通信网络将信号传输到信息处理服务器，适用于煤矿采空区自然发火区发火点的定位。该系统对于制定采空区防灭火措施,实现煤矿安全高效生产和可持续发展具有重大的现实意义。
【专利说明】—种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种煤矿采空区自然发火火源点定位系统，尤其涉及一种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统。
[0002]
【背景技术】[0003]随着无线通信技术的快速发展，无线定位技术也在飞速的发展。基于无线传感器网络的定位服务在人们的工作生活中的作用越来越大，这就加速了无线传感器网络定位的发展，无线传感器网络可以用于目标定位中。无线传感器网络在煤矿监测的应用中的主要目标之一就是指出它所监测的事件发生的地点。因此，在对环境、人员等进行监测时，能够及时获知突发事件发生的位置是其重要的。
[0004]煤炭自燃高温火源(≤100°C)区域的探测一直是煤矿安全生产中的重大难题之一。国内外许多学者和煤炭生产、科研单位对此都十分重视，近若干年来对相关课题开展了大量的研究。但由于这一问题的复杂性，至今仍没有得到很好的解决。其主要原因有二:一是探测技术手段和途径不成熟，所采用的各种技术手段主要采用的是间接测量技术，都无法直接确定高温火源点区域及其内部温度；二是井下条件复杂，给直接温度测量如热电偶法、分布式光纤测温法的使用带来严重影响，如采空区塌落常将监测电缆、光纤砸断、造成监测中断，从而给探测井下火源位置带来很多困难。
[0005]煤炭自燃产生的有害气体不仅严重危害井下人员的健康，而且容易诱发瓦斯、煤尘爆炸事故，并造成严重的资源浪费，因此研制采空区自然发火火源点定位系统是煤矿安全生产的迫切需要。
[0006]
【发明内容】
[0007]鉴于上述状况，本发明提供了一种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统，实现对煤矿采空区自然区温度实时监测和自然发火点的定位，为煤矿采空区防灭火提供准确信息。
[0008]本发明的技术方案:
一种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统，包括:信息处理服务器、通信网络、通信网关、位于工作面两侧顺槽的信息汇聚节点以及位于采空区的无线测温节点；所述无线测温节点采集温度信号，通过无线传输到所述信息汇聚节点，所述信息汇聚节点将接收到的温度信号传输到通信网关，通信网关在传输到通信网络，最后通信网络将信号传输到信息处理服务器。
[0009]在一实施例中，所述信息汇聚节点包括:CC2530单片机、编程接口、无线收发天线电路、485接口电路、以太网接口电路、时钟电路、电源电路、声光报警电路以及液晶显示电路，其中所述编程接口、无线收发天线电路、485接口电路、以太网接口电路、时钟电路、电源电路、声光报警电路以及液晶显示电路连接于所述CC2530单片机。
[0010]在一实施例中，所述CC2530单片机的引脚5、6、7、20、35、36、37与编程接口的引脚8、5、6、7、3、4、10分别顺序对应连接，CC2530单片机的引脚25、26与无线收发器连接，CC2530单片机的引脚14、15、16、17与485接口转换芯片MAX485的引脚2、3、4、1分别顺序对应连接，485转换芯片MAX485的引脚6、7与485接口的引脚1、2分别顺序对应连接，CC2530单片机的引脚22、23、32、33与时钟电路连接，CC2530单片机的引脚10、21、24、39与电源电路，CC2530单片机的引脚18与声光报警电路连接，CC2530单片机的引脚8、5、38、20、19、12与液晶显示电路的引脚23、13、15、25、27和驱动电路分别顺序对应连接。
[0011]在一实施例中，所述无线测温节点包括CC2530单片机、编程接口、无线收发器、模拟开关、测温传感器DS18B20、时钟电路、半导体制冷器、耐高温电池以及温度控制器，其中所述编程接口、无线收发器、模拟开关、测温传感器DS18B20、时钟电路、半导体制冷器、耐高温电池以及温度控制器连接于所述CC2530单片机。
[0012]在一实施例中，所述CC2530单片机的引脚5、6、7、20、35、36、37与编程接口的引脚8、5、6、7、3、4、10分别顺序对应连接，CC2530单片机的引脚25、26与无线收发器连接，CC2530单片机的引脚11与模拟开关的TS5A23166芯片引脚6连接，CC2530单片机的引脚6与测温传感器DS18B20的引脚2分别顺序对应连接，模拟开关的TS5A23166芯片引脚2测温传感器DS18B20的引脚3连接，CC2530单片机的引脚32、33、22、23与时钟电路连接，温度控制器的LM26CM5-TPA芯片引脚1、5与半导体制冷器TEC1-12706的引脚1、2分别对应顺序连接，温度控制器的LM26CM5-TPA(U59)芯片引脚I接电源正极、半导体制冷器TEC1-12706(U57)的引脚I接电源正极、U59的引脚5与U57的引脚2连接。耐高温电池(U58)的正极与U5的电源输入端正极相连，负极与U5地相连。
[0013]本发明的有益效果:
本发明的技术方案直接监测采空区温度场，抗毁能力强、不会因若干节点失效影响中断监测，可以准确定位火源点位置。与以往的间接温度测量方法比它具有直接测量、反应速度快、定位准的特点；与分布式光纤为代表的其他直接测量法相比具有布署方便，抗毁能力强的特点。该系统对于制定采空区防灭火措施，实现煤矿安全高效生产和可持续发展具有重大的现实意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统在煤矿采空区的部署方式示意图。
[0015]图2为基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统的系统结构示意图。
[0016]图3为信息汇聚节点U4电路组成模块示意图。
[0017]图4为测温节点U5电路组成模块示意图。
[0018]图5为一实施例中U41和U51的具体电路示意图。
[0019]图6为一实施例中U42和U52的具体电路示意图。
[0020]图7为一实施例中U43和U53的具体电路示意图。
[0021]图8为一实施例中U54的具体电路示意图。
[0022]图9为一实施例中U55的具体电路示意图。[0023]图10为一实施例中U46和U56的具体电路示意图。
[0024]图11为一实施例中U57和U59的具体电路示意图。
[0025]图12为一实施例中U44的具体电路示意图。
[0026]图13为一实施例中U48的具体电路示意图。
[0027]图14为一实施例中U49的具体电路示意图。
【具体实施方式】
[0028]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0029]需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
[0030]如图1所示，在采空区每间隔一定距离10-20Μ(距离大小可根据情况做相应调整)，部署测温节点U5 —个，其中在采空区中测温节点至少为I个；在两侧顺槽个部署一个信息汇聚节点U4，负责无线传感器网络的组网和温度信息的采集。设置两个汇聚节点的目的，一是提高信息采集速度；二是减少通信转发跳数，节约无线节点能源；三是利用双汇聚节点，提高系统运行可靠性。考虑到工作面工作环境的复杂性，在顺槽布置的电缆作为传输介质，方便维护，在采区变电所或采面外的永久巷道中设置通信网关，沟通矿上通信骨干网和监测网。`
[0031]图2是系统总体结构图，从图中可以看出系统是由位于地面的服务器U1、通信网络U2、通信网关U3及位于工作面两侧顺槽的信息汇聚节点U4、位于采空区之中的无线测温节点U5组成。且系统可以同时监测多个采空区温度情况。实现多个采空区发火点同时定位。
[0032]图3是信息汇聚节点的电路结构图，该节点功能，一是作为网络协调器实现测温节点的组网，二是测量信息的就地显示与报警，三是测量信息的通信；它由CC2530单片机U41，编程接口 U42，无线收发器U43，485接口电路U44，时钟电路U46，电源电路U47，声光报警电路U48，液晶显示电路U49组成。如图5所示，信息汇聚节点U4包括单片机CC2530，CC2530的引脚10、21、24、31、39、31并联，连接3.3V电源和电感LI串联并且同时连接电容Cl、C2、C3、C4、C7并联接地，引脚27、28、29串联，接连接3.3V电源和电感LI并联并且同时连接电容C5、C6并联接地，单片机CC2530的引脚40连接电容C16，C16接地，引脚30连接电阻R1，电阻Rl接地，引脚25、26连接有一个天线适配电路；如图6所示，CC2530单片机U41引脚5、6、7、20、35、36、37与编程接口 U42的引脚8、5、6、7、3、4、10分别顺序对应连接；引脚32、33连接一个晶振电路，引脚22、23连接一个晶振电路；如图7所示，El为无线收发天线，引脚40连接电容C16，C16接地，引脚30连接电阻Rl，电阻Rl接地；如图12所示，CC2530单片机U41485转换芯片MAX485的引脚1、4、3、2分别顺序对应连接，485转换芯片MAX485的引脚7、8分别连接Jl的引脚1、2 ;如图13所示，CC2530单片机U41引脚18连接声光报警模块；如图14所示，CC2530单片机U41引脚5、8、12、19、20、38连接IXD显示模块；
图4为系统无线温度测量节点电路结构图，整个电路分为两个主要部分:第一为测量部分，完成的主要功能为节点外部位置温度的检测和测量信息的无线传输，该部分由CC2530单片机U51，编程接口 U52，无线收发器U53，模拟开关U54，DS18B20测温传感器U55，时钟电路U56组成；其工作原理为当节点内部工作环境温度控制部分。该部分由半导体制冷器U57，温度控制器U58组成，当节点内部工作温度超过设定温度时半导体制冷器开始工作保证节点内部温度不超过其正常工作范围测温节点U5包括单片机CC2530，如图5所示，单片机CC2530的引脚10、21、24、31、39、41串联，连接3.3V电源和电感LI串联并且同时连接电容Cl、C2、C3、C4、C7并联接地，引脚27、28、29串联，接连接3.3V电源和电感LI串联并且同时连接电容C5、C6并联接地，单片机CC2530的引脚40连接电容C16，C16接地，引脚30连接电阻R1，电阻Rl接地;如图6所示，单片机CC2530的引脚5、6、7、20、35、36、37与编程接口的引脚8、5、6、7、3、4、10分别顺序对应连接；如图7所示，单片机CC2530的引脚25、26连接有一个天线适配电路，El为无线收发天线；如图8所示，单片机CC2530的引脚11、6与模拟开关TS5A23166芯片引脚6和串联电阻R36后的引脚5分别顺序对应连接，模拟开关TS5A23166芯片引脚1、5并联连接3.3V电源，引脚4接地;如图9所示，单片机CC2530的引脚6接测温传感器DS18B20的引脚2，U55温传感器DS18B20的引脚I接地。U55测温传感器DS18B20的引脚3与U54模拟开关TS5A2316的引脚2连接；如图10所示，单片机CC2530的引脚32、33连接一个晶振电路，引脚22、23连接一个晶振电路，晶振U43和U53与单片机的引脚22、23和32、33分别顺序对应连接后，分别顺序对应连接电容C17、C18和C19、C20，电容C17、C18和C19、C20接地；如图11所示，温度控制器U59的LM26CM5-TPA芯片引脚I接电源正极、U57半导体制冷器TEC1-12706的引脚I接电源正极、U59的引脚5与U57的引脚2连接；如图12所示，单片机CC2530的引脚14、15、16、17与转换芯片MAX485的引脚
2、3、4、1分别顺序对应连接；第二为电源部分，由耐高温电池U58组成，U58选用耐温超过120度的电池，如日本松下BR2477A等，耐高温电池正极与U5的VCC_RF节点相连。耐高温电池的负极与CC2530芯片的引脚41相连。
[0033]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的【技术领域】的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0034]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统，其特征在于，包括:信息处理服务器(Ul)、通信网络(U2)、通信网关(U3)、位于工作面两侧顺槽的信息汇聚节点(U4)以及位于采空区的无线测温节点(U5);所述无线测温节点(U5)采集温度信号，通过无线传输到所述信息汇聚节点(U4)，所述信息汇聚节点(U4)将接收到的温度信号传输到通信网关(U3)，通信网关(U3)再传输到通信网络(U2)，最后通信网络(U2)将信号传输到信息处理服务器(Ul)。
2.根据权利要求1所述的一种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统，其特征在于，所述信息汇聚节点(U4)包括:CC2530单片机(U41)、编程接口(U42)、无线收发天线电路(U43)、485接口电路(U44)、以太网接口电路(U45)、时钟电路(U46)、电源电路(U47)、声光报警电路(U48)以及液晶显示电路(U49)，其中所述编程接口(U42)、无线收发天线电路(U43)、485接口电路(U44)、以太网接口电路(U45)、时钟电路(U46)、电源电路(U47)、声光报警电路(U48)以及液晶显示电路(U49)连接于所述CC2530单片机(U41)。
3.根据权利要求2所述的一种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统，其特征在于，所述CC2530单片机(U41)的引脚5、6、7、20、35、36、37与编程接口(U42)的引脚8、5、6、7、3、4、10分别顺序对应连接，CC2530单片机(U41)的引脚25、26与无线收发器(U43)连接，CC2530单片机(U41)的引脚14、15、16、17与485接口(况4)转换芯片獻乂485的引脚2、3、4、1分别顺序对应连接，485转换芯片MAX485的引脚6、7与485接口(U44)的引脚1、2分别顺序对应连接，CC2530单片机(U41)的引脚22、23、32、33与时钟电路(U46)连接，CC2530单片机(U41)的引脚10、21、24、39与电源电路(U47)，CC2530单片机(U41)的引脚18与声光报警电路(U48)连接，CC2530单片机(U41)的引脚8、5、38、20、19、12与液晶显示电路(U49)的引脚23、13、15、25、27和驱动电路分别顺序对应连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统，其特征在于，所述无线测温节点(U5)包括CC2530单片机(U51)、编程接口(U52)、无线收发器(U53)、模拟开关(U54)、测温传感器DS18B20(U55)、时钟电路(U56)、半导体制冷器(U57)、耐高温电池(U58)以及温度控制器(U59)，其中所述编程接口(U52)、无线收发器(U53)、模拟开关(U54)、测温传感器DS18B20(U55)、时钟电路(U56)、半导体制冷器(U57)、耐高温电池(U58)以及温度控制器(U59)连接于所述CC2530单片机(U51)。
5.根据权利要求4所述的一种基于WSN的煤矿采空区自然发火火源点定位系统，其特征在于，所述CC2530单片机(U51)的引脚5、6、7、20、35、36、37与编程接口(U52)的引脚8、5、6、7、3、4、10分别顺序对应连接；CC2530单片机(U51)的引脚25,26与无线收发器(U53)连接；CC2530单片机(U51)的引脚11与模拟开关(U54)的TS5A23166芯片引脚6连接；CC2530单片机(U51)的引脚6与测温传感器DS18B20 (U55)的引脚2连接，模拟开关(U54)的TS5A23166芯片引脚2与测温传感器DS18B20 (U55)的引脚3连接；CC2530单片机(U51)的引脚32、33、22、23与时钟电路(U56)连接;温度控制器(U59)的LM26CIM5-TPA芯片引脚1、5与半导体制冷器TEC1-12706 (U57)的引脚1、2分别对应顺序连接，温度控制器的LM26CIM5-TPA(U59)芯片引脚I接电源正极、半导体制冷器TEC1-12706 (U57)的引脚I接电源正极、LM26CM5-TPA (U59)的引脚5与TEC1-12706 (U57)的引脚2连接；耐高温电池(U58)的正极与(U5)的电源输入端正极相连，负极与(U5)地相连。
【文档编号】H04W4/02GK103458364SQ201310403163
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】华钢, 蒋超, 王永星, 顾博闻, 王书芹 申请人:中国矿业大学