专利名称：基于物联网的矿井氧气浓度监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及矿山生产过程中使用的安全监测系统，特别涉及ー种矿井氧气浓度监测系统。
背景技术：
煤矿有毒性气体对矿エ的生命安全是致命的伤害。煤矿井下的各个生产环节都可能产生有毒性气体，如钻眼、炸药爆破、掘进机掘进、采煤机割煤、装煤、采煤支护放顶、巷道支护、装载运输转载及卸载提升等。有毒性气体危害不仅能使煤矿工人得尘肺病，而且易引发爆炸，造成重大安全事故。我国煤矿普遍具有毒性气体危险。以上所述足见矿井有毒性气体的危害性之大，同时也说明了氧气监测与防治的重要性。因此，矿井氧气的防治问题日 益受到广泛关注，世界各国在对矿井氧气的监测方面都做了大量的研究工作，研究开发了一系列的检测仪器及系统。目前，国内普遍采用人工、间断性、单地点检测氧气浓度的方式，或者采用一般有线连接传感器检测方式。这种方式测得的矿井氧气浓度数据仅反应了测尘时间段内的氧气状况，并不能全面、准确的反映煤矿井下空间的总体氧气情况，而且井下环境中有线传感器检测系统的布置工作非常繁琐，灵活性不足且扩展性差，系统部署和维护成本高等缺点，当某ー结点出现故障，会使局部区域失去监测能力。通过无线传感器网络zigbee可以方便在煤矿井下进行快速的传感器部署。针对以上现状，研究开发适合我国煤矿井下特点的基于无线传感器网络的矿井氧气浓度监测系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够使用户在任何时间、地点和任何环境条件下，获取大量详实而可靠的氧气浓度信息，有效的避免矿井有毒气体泄漏的发生的基于物联网的矿井氧气浓度监测系统。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案本发明设计了ー种基于物联网的矿井氧气浓度监测系统，包括传感器检测模块、路由器节点传输模块、数据汇集模块和上位机模块，其中
所述传感器检测模块检测矿井内的氧气浓度信息，并将所述信息传输至路由器节点传输模块；
所述路由器节点传输模块将接收到的信息传输至数据汇集模块处理；
所述数据汇集模块将处理后的信息传输至上位机模块，
所述上位机模块对接收到的信息进行处理并作出判断、显示及报警。作为本发明的ー种优化结构所述传感器检测模块包括氧气浓度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器；
所述氧气浓度传感器采集氧气浓度信息，并将氧气浓度信息进行Α/D转换后传输至末级微控制器；
所述末级微控制器对接收到的信息进行判断处理，并通过末级ZigBee收发器传输至路由器节点传输模块。作为本发明的ー种优化结构所述路由器节点传输模块包括始发位置路由器节点、中继位置路由器节点、设置于始发位置路由器节点的第一ニ级微控制器和第一三级ZigBee收发器、设置于中继位置路由器节点的第二ニ级微控制器和第二三级ZigBee收发器；
所述始发位置路由器节点通过第一三级ZigBee收发器接收传感器检测模块传输的信息，并传输至第一ニ级微控制器进行处理，并将处理后的信息通过第一三级ZigBee收发器传输至中继位置路由器节点；
所述中继位置路由器节点通过第二三级ZigBee收发器接收始发位置路由器节点的信息，并传输至第二ニ级微控制器进行处理，并将处理后的信息通过第二三级ZigBee收发器 传输至数据汇集模块。作为本发明的ー种优化结构所述数据汇集模块包括一级微控制器与ニ级ZigBee收发器；
所述ニ级ZigBee收发器接收路由器节点传输模块传输的信息，并将信息传输至ー级微控制器进行处理，筛除无用数据信息，同时对保留数据信息进行功率放大；
所述ー级微控制器控制ニ级ZigBee收发器将处理后的信息传输至上位机模块。作为本发明的ー种优化结构所述上位机模块包含ー级ZigBee收发器；
所述ー级ZigBee收发器接收数据汇集模块传输的信息。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果
1.本发明采用无线传感器网络技术，氧气采样检测点可以广泛的布置在不同作业点，灵活改变监测布局，从而实时获取精确的氧气浓度检测数据；
2.本发明不需要任何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点；
3.本发明能够使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的氧气浓度信息。
图I为本发明所设计的基于无线传感器网络的矿井氧气浓度监测系统的原理框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进ー步的详细说明
如图I所示，本发明设计了ー种基于物联网的矿井氧气浓度监测系统，包括传感器检测模块、路由器节点传输模块、数据汇集模块和上位机模块，其中
所述传感器检测模块检测矿井内的氧气浓度信息，并将所述信息传输至路由器节点传输模块；
所述路由器节点传输模块将接收到的信息传输至数据汇集模块处理；
所述数据汇集模块将处理后的信息传输至上位机模块，所述上位机模块对接收到的信息进行处理并作出判断、显示及报警。作为本发明的ー种优化结构所述传感器检测模块包括氧气浓度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器；
所述氧气浓度传感器采集氧气浓度信息，并将氧气浓度信息进行Α/D转换后传输至末级微控制器；
所述末级微控制器对接收到的信息进行判断处理，并通过末级ZigBee收发器传输至路由器节点传输模块。 在具体的实施例中，传感器检测模块包括若干个传感器检测节点群，传感器检测节点群布置在井下监测范围内不同区域，传感器检测节点群的数量可根据井下关键区域的需要进行选定，每个传感器检测节点群设置有若干个基本传感器节点，各基本传感器节点包括氧气浓度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器，末级ZigBee收发器平时处于休眠状态，氧气浓度传感器间断地采集氧气浓度信息，并将采集信号进行Α/D转换后，通过末级微控制器进行判断处理，一旦判断得知某个基本传感器节点所在区域的氧气浓度超过标准值，则通过中断机制将末级ZigBee收发器唤醒，并开始向下述路由节点群发送数据，发送数据包含氧气浓度信息与该基本传感器节点即发送数据的基本传感器节点所在区域的地址信息。作为本发明的ー种优化结构所述路由器节点传输模块包括始发位置路由器节点、中继位置路由器节点、设置于始发位置路由器节点的第一ニ级微控制器和第一三级ZigBee收发器、设置于中继位置路由器节点的第二ニ级微控制器和第二三级ZigBee收发器；
所述始发位置路由器节点通过第一三级ZigBee收发器接收传感器检测模块传输的信息，并传输至第一ニ级微控制器进行处理，并将处理后的信息通过第一三级ZigBee收发器传输至中继位置路由器节点；
所述中继位置路由器节点通过第二三级ZigBee收发器接收始发位置路由器节点的信息，并传输至第二ニ级微控制器进行处理，并将处理后的信息通过第二三级ZigBee收发器传输至数据汇集模块。在具体的实施例中，路由器节点群用于接收及转发数据信号，路由器节点群包括处于始发位置的路由器节点与处于中继位置的路由器节点，ー个处于始发位置的路由器节点对应ー个传感器检测节点群，路由器节2包括ニ级微控制器与三级ZigBee收发器，路由器节点也包括ニ级微控制器与三级ZigBee收发器，各路由器节点平时处于休眠状态，当有来自基本传感器节点处或下述汇集节点处的数据信号时，即被完全唤醒进入正常工作模式，井根据路由算法进行信号传输。一种优选的方式为上述处于始发位置的路由器节点，在其对应的ー个传感器检测节点群中若有多个基本传感器节点同时向该路由器节点发送数据信号，则由该路由器节点首先求取各个基本传感器节点发送数值(如浓度值)的平均数值(如平均浓度值)后，然后连同所在区域即发送数据的基本传感器节点所在区域的地址信息一起发往下ー处于中继位置的路由器节点。作为本发明的ー种优化结构所述数据汇集模块包括一级微控制器与ニ级ZigBee收发器；所述ニ级ZigBee收发器接收路由器节点传输模块传输的信息，并将信息传输至ー级微控制器进行处理，筛除无用数据信息，同时对保留数据信息进行功率放大； 所述ー级微控制器控制ニ级ZigBee收发器将处理后的信息传输至上位机模块。在具体的实施例中，汇集节点主要用于接收来自路由器节点群处数据信号，汇集结点包括一级微控制器与ニ级ZigBee收发器或总线驱动模块，由一级微控制器对接收到数据信号进行筛选，筛除无用数据信号，同时对保留数据信号进行功率放大。作为本发明的ー种优化结构所述上位机模块包含ー级ZigBee收发器；
所述ー级ZigBee收发器接收数据汇集模块传输的信息。在具体的实施例中，上位机系统主要用于接收来自汇集节点处数据信号，上位机系统包括平板电脑或智能手机设备、ー级ZigBee收发器或总线驱动模块，上微机系统对接收到的数据进行最后的处理，据此作出判断、显示及报警；一种较为优选的方式为上述上位机系统还能根据判断结果作出相应的控制信号，通过汇集节点与路由器节点群回传给相应的基本传感器节点，上述基本传感器节点可与控制机构连为一体，驱动小功率电气元件如晶闸管、控制小型继电器等，以执行某种动作，如喷水，报警等。上述末级ZigBee收发器与三级ZigBee收发器各设置有独立的电源模块。在具体的实施例中，所述末级微控制器主要包括Α/D和D/Α转换模块和数据处理模块，这些模块的选取需要考虑系统要求的精度，时效性等因素，一般8位A/D, D/Α模块和8位单片机就能满足要求，如果考虑以后的扩展，如添加显示、语音通信等，则要选择性能较高的单片机。末级微控制器与末级ZigBee收发器互相配合完成浓度信息等数据信号的传输。关于上述路由器节点群。各路由节点由ニ级ZigBee收发器和8位单片机构成，采用5号干电池供电。主要完成路径搜索、转发分组、自组织新加节点的功能。上述基本传感器节点与处于始发位置的路由器节点之间，以及处于始发位置的路由器节点与处于中继位置的路由器节点之间，采用无线射频电磁波传输方式进行通信，拓扑结构采用树形结构。路由器节点采用单片机控制器(如AT89C51CC01)作为协调和寻找路由的核心部件，路由节点的数量视矿井规模和节点数量而定，原则是使路由表不至于太大而影响寻找路由的速度，保证信息实时传输。路由器节点采用的AT89C51CC01为8位微控制器，自身具有CAN控制器，集成有10位ADC，IK XRAM和硬件看门狗WDT;采用静态模式；具有二倍速功能；三个定时/计数器，14个中断源/4级中断优先级。路由节点不必具有检测功能，只需要完成寻找路由和转发分组的功能，所以不需要传感器部件。关于上述汇集节点。汇集节点应具有更高的数据处理能力，可采用性能较高的处理器ー ARM单片机，主要完成数据前端处理和中继站式的功率放大功能。因为节点数量较大，发来的数据信息较多，故汇集节点应具备基本的数据筛选功能，筛除无用信息。汇集节点可在井外设立，发射功率可相应变大以便可以发送信号到远程终端，或者是地面部分选择使用总线方式进行通信。汇集节点可进行数据的预处理等工作，避免上位机工作过于繁忙，如果上位机处理能力足够大那么汇集节点只是转发数据也可。关于上位机系统。接收从汇集节点发送来的射频信号，主要进行数据的最后处理，进行判断，显示，报警等操作。还可以通过汇集节点发送信号到井下基本节点进行井下控制。可选择平板电脑，智能手机，网页作为上位机系统的核心，根据实际情况选择。上位机系统发出的控制信号的传输可看作是检测信号的逆过程，传输机理相同，只是方向相反而已。通过井下基本传感器节点与控制机构的配合完成相应的控制动作。上述各传感器检测节点群还可设置有若干个备用传感器节点，正常情况下由基本 传感器节点进行检测，一旦有某个基本传感器节点失效，与之最相邻的ー个备用传感器节点被唤醒替代该基本传感器。
权利要求
1.一种基于物联网的矿井氧气浓度监测系统，其特征在于包括传感器检测模块、路由器节点传输模块、数据汇集模块和上位机模块，其中 所述传感器检测模块检测矿井内的氧气浓度信息，并将所述信息传输至路由器节点传输模块； 所述路由器节点传输模块将接收到的信息传输至数据汇集模块处理； 所述数据汇集模块将处理后的信息传输至上位机模块， 所述上位机模块对接收到的信息进行处理并作出判断、显示及报警。
2.根据权利要求I所述的基于物联网的矿井氧气浓度监测系统，其特征在于所述传 感器检测模块包括氧气浓度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器； 所述氧气浓度传感器采集氧气浓度信息，并将氧气浓度信息进行A/D转换后传输至末级微控制器； 所述末级微控制器对接收到的信息进行判断处理，并通过末级ZigBee收发器传输至路由器节点传输模块。
3.根据权利要求I所述的基于物联网的矿井氧气浓度监测系统，其特征在于所述路由器节点传输模块包括始发位置路由器节点、中继位置路由器节点、设置于始发位置路由器节点的第一二级微控制器和第一三级ZigBee收发器、设置于中继位置路由器节点的第二二级微控制器和第二三级ZigBee收发器； 所述始发位置路由器节点通过第一三级ZigBee收发器接收传感器检测模块传输的信息，并传输至第一二级微控制器进行处理，并将处理后的信息通过第一三级ZigBee收发器传输至中继位置路由器节点； 所述中继位置路由器节点通过第二三级ZigBee收发器接收始发位置路由器节点的信息，并传输至第二二级微控制器进行处理，并将处理后的信息通过第二三级ZigBee收发器传输至数据汇集模块。
4.根据权利要求I所述的基于物联网的矿井氧气浓度监测系统，其特征在于所述数据汇集模块包括一级微控制器与二级ZigBee收发器； 所述二级ZigBee收发器接收路由器节点传输模块传输的信息，并将信息传输至一级微控制器进行处理，筛除无用数据信息，同时对保留数据信息进行功率放大； 所述一级微控制器控制二级ZigBee收发器将处理后的信息传输至上位机模块。
5.根据权利要求I所述的基于物联网的矿井氧气浓度监测系统，其特征在于所述上位机模块包含一级ZigBee收发器； 所述一级ZigBee收发器接收数据汇集模块传输的信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于物联网的矿井氧气浓度监测系统，其中包括传感器检测模块、路由器节点传输模块、数据汇集模块和上位机模块，所述传感器检测模块用于检测矿井内的氧气浓度信息，并将所述信息传输至路由传输模块；所述路由传输模块用于将接收到的信息传输至数据汇集模块处理；所述数据汇集模块将处理后的信息传输至上位机模块，所述上位机模块用于对接收到的信息进行处理并作出判断、显示及报警。本发明所设计的基于物联网的矿井氧气浓度监测系统能够使用户在任何时间、地点和任何环境条件下，获取大量详实而可靠的氧气浓度信息，有效的避免矿井有毒气体泄漏的发生。
文档编号E21F17/18GK102661173SQ201210100980
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月9日 优先权日2012年4月9日
发明者石南, 陈勇, 高尚 申请人:南京龙渊微电子科技有限公司