基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统的制作方法

本发明涉及井下选煤硐室围岩在线监测技术领域，具体涉及一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统。

背景技术：

煤炭是我国最主要的一次能源，伴随着煤矿开采排出的矸石通过井上选煤厂洗选，但是井上洗选增加了矸石的运费以及排矸费用，造成矿井的提升能力紧张和吨煤利润下降，同时，矸石排放占用土地，造成地面环境的污染，不利于居住环境的改善。而井下选煤可以直接解决上述问题，实现了原煤井下分选和充填一体化，减少原煤运输以及吨煤能耗。目前，井下选煤厂已经在我国得到了成功构建和运行，实现了绿色开采。

井下选煤厂可以在原煤升井前通过选煤设备将其中的矸石排出，直接用于井下喷浆或采空区回填材料，实现了原煤井下分选和充填一体化，不但减少了地面占地，又降低了对环境的污染，产生巨大的经济效益和社会效益。随着绿色开采理念的不断深入，井下选煤技术具有非常广阔的应用前景。矿井安全监控系统是矿山压力监测系统的核心之一，是煤矿安全生产监控系统的重要构成部分。它综合了各种传感器测量方法、无线和有线通信技术、数据通讯技术和数据处理技术，对煤矿井下围岩在矿山压力作用下反映在围岩上的位移以及位移速率上的表现进行了具体测量，并支持对测量数据的综合查询及对围岩状态的预测，为硐室围岩、硐室围岩的日常监测和维护提供基础数据；底臌、顶板下沉以及侧帮位移都是矿山地压的明显表现。

申请号为201210416966.4的发明公开了一种基于光纤光栅传感的井下选煤硐室底板在线监测装置及方法，在通讯光纤上连接四个光纤光栅传感器和一个光纤光栅温度传感器，四个光纤光栅传感器布置在设备周围的设备基础的四个角部，通讯光纤的接入端或引出端连接光纤光栅网络分析仪，光纤光栅网络分析仪与计算机连接。通过光纤光栅网络分析仪分析光纤光栅传感器波长改变量的大小，并将其转变为设备基础上各个测点处的应力变化，读取不同时刻下选煤硐室设备基础的应力分布状况，判断设备基础是否产生倾斜，实现对选煤硐室底板的监测。该装置可以实现对设备基础的倾斜监测，但是光纤光栅传感器的供电是个需要面对的问题，增加了施工的成本，导致现场布线易混乱，线路过于复杂。

申请号为201110369513.6的发明具体为一种煤矿井下围岩微震检测方法，解决了缺乏针对坚硬顶底板和坚硬煤层的地质条件下的微震监测方法的问题。煤矿井下围岩微震检测方法，包括的步骤有架设监测所用的设备、收集数据、汇总分析并实时监测、对异常的参数情况进行分析，对冲击矿压可能发生的时间和位置进行预警。本发明不仅可以解决煤矿开采中遇到的冲击矿压难题，确保矿井开采的顺利、安全进行，对于今后在开采过程中的冲击矿压防治工作也必将起到积极有效的指导作用。但是该发明也是需要布设大量线路，严重影响正常施工。

解决这一问题需要对井下硐室围岩进行无线监测，目前无线传感器网络（WSN）技术已在多个领域发挥了重要的作用，但无线传感器网络在煤矿井下的应用并不顺利，很多研究仍然停留在实验室阶段，其主要原因是能源供给问题，主要表现在以下两个方面：(1)无线传感器供电方式。使用电池可以对无线传感器供电，但电池的寿命有限，而使用传统的有线供电方式则失去了无线传感器的灵活性，且大大增加了成本；（2）无线传感器网络节点对能量的需求大。由于节点担负着数据采集和发送的任务，自身的功耗过大，所需能量也大，此时传感器节点有限的能源变得至关重要，当能量的需求脱离有线供电的时候，这一问题尤为突出。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是提供一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，实现对井下选煤设备硐室围岩的位移动态监测，并使用风力发电模块将硐室围岩内存在的微风能量转换为电能，解决了WSN节点的供电存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，包括依次相连的控制中心、通信基站、SINK节点和监测终端，所述监测终端包括位移传感器、能量供给单元、第一处理器单元和第一通信单元，所述能量供给单元包括风力发电模块和能量管理模块，所述位移传感器与所述第一处理器单元、第一通信单元依次连接，所述能量供给单元与所述位移传感器、第一处理器单元、第一通信单元连接。

进一步的，所述第一处理器单元包括单片机芯片。

进一步的，所述SINK节点包括第二处理器单元和第二通信单元，所述第一通信单元与所述第二通信单元通过无线的方式传递数据，所述第一通信单元和所述第二通信单元包括Zigbee模块，所述第二通信单元还包括第一RS485通讯接口。

进一步的，所述通信基站包括通信计算机、第二RS485通讯接口和第一光纤调制解调器，所述通信计算机通过第二RS485通讯接口与所述SINK节点进行数据传输，所述通信计算机通过第一光纤调制解调器与所述控制中心进行通信。

进一步的，所述控制中心包括监控主机、第二光纤调制解调器、显示设备和数据库服务器。

进一步的，所述能量管理模块包括依次连接的交流-直流整流器、MPPT升压变压器、能量存储单元和直流-直流整流变压器，所述直流-直流整流变压器与所述第一处理器单元、第一通信单元和位移传感器连接，所述交流-直流整流器通过电流与电压检测电路和ADC电路连接，所述ADC电路还与第一处理器单元、第一通信单元和位移传感器连接，所述第一处理器单元通过PWM生成电路与所述MPPT升压变压器连接。

进一步的，所述风力发电模块包括垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机的一种或两种。

进一步的，所述垂直轴风力发电机设置在硐室围岩两帮，对应所述垂直轴风力发电机风能加强机构Ⅰ，所述风能加强机构Ⅰ包括硐室围岩两帮设置的棱台形的空心罩体Ⅰ，所述空心罩体Ⅰ出风口与所述垂直轴风力发电机一侧的叶片对齐。

进一步的，所述水平轴风力发电机设置在硐室围岩顶部，对应所述水平轴风力发电机设置风能加强机构Ⅱ，所述风能加强机构Ⅱ包括硐室围岩顶部设置的棱台形的空心罩体Ⅱ，所述空心罩体Ⅱ的出风口设置出风管道，所述出风管道内设置所述水平轴风力发电机。

本发明提供了一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，控制中心位于井上，通信基站、SINK节点和监测终端位于井下，监测终端是对井下选煤厂设备硐室内围岩位移情况进行监测，并将监测到的数据发送至SINK节点，因为井下硐室的数量是较多的，而井下的情况也较为复杂，所以采用SINK节点对一定区域内的监测终端进行数据接收以及命令控制，SINK节点与通信基站连接，通信基站与控制中心连接，最终将井下硐室内的监测信息汇总至控制中心，实现对井下硐室内围岩位移情况的远程监测。

监测终端的通过位移传感器对井下硐室内围岩位移情况进行监测，位移传感器可采用磁致伸缩位移传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值，由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此该传感器可以被应用到恶劣的工业环境中，不会受到井下选煤设备硐室的尘埃等干扰，监测效果更好。因为井下选煤厂需要通风，而通风所产生的风能在井下也是时刻存在的，通过利用井下的微风资源，通过风力发电模块把风能转化为机械能，机械能再转化为电能，可以提供不间歇的能量资源，为无线传感网络的能量来源提供了稳定可靠的基础，能够实现通过在井下WSN节点中扩展各种不同类型用途的传感器，在矿井安全监测中具有非常广阔的应用前景。通过风能的收集转换，每个监测终端可以独立于整个监测系统，不需要外接设备进行供电，且与SINK节点的通信依靠无线的方式，整个硐室内完全不需要进行布线来传递信息或者电能，对硐室的环境不造成任何影响。能量管理模块与风力发电模块连接，对风力转换来的交流电进行稳流稳压并进行存储，再对电压进行改变，为位移传感器、第一处理器单元、第一通信单元进行供电，保证设备运行稳定。

本发明可以实现对井下选煤设备硐室围岩的位移动态监测，并使用风力发电模块将硐室围岩内存在的微风能量转换为电能，解决了WSN节点的供电存在的问题，真正实现了井下选煤设备硐室无线监测，不用在硐室布置任何线路，避免了线路槽对硐室和通道稳定性的破坏，不对硐室环境造成影响，方便了硐室内的正常工作。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1是本发明基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统的系统结构图；

图2是本发明能量供给单元的系统结构图；

图3是本发明硐室围岩的结构示意图；

图4是本发明垂直轴风力发电机的结构示意图；

图5是本发明水平轴风力发电机的结构示意图；

图6是本发明位移传感器设置方位的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图6对本发明技术方案进一步展示，具体实施方式如下：

实施例一

如图1和图6所示：本实施例提供了一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，包括依次相连的控制中心1、通信基站2、SINK节点3和监测终端4，所述监测终端4包括位移传感器5、能量供给单元6、第一处理器单元7和第一通信单元8，所述能量供给单元6包括风力发电模块9和能量管理模块10，所述位移传感器5与所述第一处理器单元7、第一通信单元8依次连接，所述能量供给单元6与所述位移传感器5、第一处理器单元7、第一通信单元8连接。

本发明提供了一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，控制中心位于井上，通信基站、SINK节点和监测终端位于井下，监测终端是对井下选煤厂设备硐室内围岩位移情况进行监测，并将监测到的数据发送至SINK节点，因为井下硐室的数量是较多的，而井下的情况也较为复杂，所以采用SINK节点对一定区域内的监测终端进行数据接收以及命令控制，SINK节点与通信基站连接，通信基站与控制中心连接，最终将井下硐室内的监测信息汇总至控制中心，实现对井下硐室内围岩位移情况的远程监测。

监测终端的通过位移传感器对井下硐室内围岩位移情况进行监测，位移传感器可采用磁致伸缩位移传感器，通过内部非接触式的测控技术精确地检测活动磁环的绝对位置来测量被检测产品的实际位移值，由于作为确定位置的活动磁环和敏感元件并无直接接触，因此该传感器可以被应用到恶劣的工业环境中，不会受到井下选煤设备硐室的尘埃等干扰，监测效果更好。位移传感器根据硐室监测位置的不同针对性放置，监测围岩变化时将传感器设置在硐室两帮上，监测顶部变化时设置在硐室顶部，以及监测底板位移变化时将传感器设置在设备底板上。因此优选每个监测终端包括四个位移传感器，位置是在硐室入口到金属设备边缘的近距离端，四个传感器处在同一个截面内，即四个位移传感器设置在金属设备靠近硐室入口端的边缘所处的竖截面内，依次设置在硐室围岩两帮、顶部和设备底座边缘，因为选煤设备的存在对井下选煤设备硐室内的电磁波的传播影响比较明显的，在从硐室入口处到金属设备侧边的进场区域内，电磁波传输较为稳定，随距离的增大而缓慢衰减。在金属设备的边缘部位，由于电磁波在遇到金属后产生反射导致电磁波场强反而有所增强，同时，由于金属设备的阻碍作用，使电磁波在沿着金属设备侧边一直到硐室末端的方向上衰减剧烈，可以保证监测终端传输无线信号的稳定性。

因为井下选煤厂需要通风，而通风所产生的风能在井下也是时刻存在的，通过利用井下的微风资源，通过风力发电模块把风能转化为机械能，机械能再转化为电能，可以提供不间歇的能量资源，为无线传感网络的能量来源提供了稳定可靠的基础，能够实现通过在井下WSN节点中扩展各种不同类型用途的传感器，在矿井安全监测中具有非常广阔的应用前景。通过风能的收集转换，每个监测终端可以独立于整个监测系统，不需要外接设备进行供电，且与SINK节点的通信依靠无线的方式，整个硐室内完全不需要进行布线来传递信息或者电能，对硐室的环境不造成任何影响。能量管理模块与风力发电模块连接，对风力转换来的交流电进行稳流稳压并进行存储，再对电压进行改变，为位移传感器、第一处理器单元、第一通信单元进行供电，保证设备运行稳定。

所述第一处理器单元7包括单片机芯片。采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能，能够对位移传感器监测到的位移信息进行处理并控制第一通信单元将监测信息发送至SINK节点，具有体积小运算快的优点，可以使得监测终端的体积很小，在安装时不会对硐室结构造成破坏。

所述SINK节点3包括第二处理器单元11和第二通信单元12，所述第一通信单元8与所述第二通信单元12通过无线的方式传递数据，所述第一通信单元8和所述第二通信单元12包括Zigbee模块13，所述第二通信单元12还包括第一RS485通讯接口14。SINK节点的第二处理单元是对多个监测终端的监测数据进行汇总，将数据用过第一RS485通讯接口发送至通信基站。第二处理单元可以采用可编程逻辑控制器，SINK节点对于体积大小没有要求，采用PLC控制器功能更加强大，可以保证对多个监测终端信息处理时的速度。SINK节点与监测终端的通信依靠Zigbee模块实现无线通信，该模块能够实现无线通信，且耗电量小、成本低、网络容量大，组网能力较强，利于实现本系统所构建的无线传感器网络。SINK节点与通信基站的连接依靠RS485通信接口，实现多点到一点的数据传输，确保数据在井下的正常传输。若通信基站与SINK节点的距离较远，可以使用RS485转光纤技术增加其通讯范围，来适应不同的井下情况。

所述通信基站2包括通信计算机15、第二RS485通讯接口16和第一光纤调制解调器17，所述通信计算机15通过第二RS485通讯接口16与所述SINK节点3进行数据传输，所述通信计算机15通过第一光纤调制解调器17与所述控制中心1进行通信。通信计算机可采用工业控制计算机，负责对井下所有监测终端的数据进行汇总并与井上的控制中心进行通信，其传输的数据量较大，因此采用光纤与控制中心进行通信，确保数据传输的准确和速度，顺利完成对指令传达和数据汇总、发送、传输的作用。

所述控制中心1包括监控主机18、第二光纤调制解调器19、显示设备20和数据库服务器21。监控主机采用工业控制计算机，通过第二光纤调制解调器接收通信基站传来的位移数据并将控制指令发送至通信基站，显示设备对井下监测终端监测到的硐室位移信息进行显示，数据库服务器对监测信息进行存储。

实施例二

如图1和图2所示：本实施例还提供了一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，包括依次相连的控制中心1、通信基站2、SINK节点3和监测终端4，所述监测终端4包括位移传感器5、能量供给单元6、第一处理器单元7和第一通信单元8，所述能量供给单元6包括风力发电模块9和能量管理模块10，所述位移传感器5与所述第一处理器单元7、第一通信单元8依次连接，所述能量供给单元6与所述位移传感器5、第一处理器单元7、第一通信单元8连接。

所述能量管理模块10包括依次连接的交流-直流整流器22、MPPT升压变压器23、能量存储单元24和直流-直流整流变压器25，所述直流-直流整流变压器25与所述第一处理器单元7、第一通信单元8和位移传感器5连接，所述交流-直流整流器22通过电流与电压检测电路26和ADC电路27连接，所述ADC电路27还与第一处理器单元7、第一通信单元8和位移传感器5连接，所述第一处理器单元7通过PWM生成电路28与所述MPPT升压变压器23连接。

风力发电模块转换来的交流电通过交流-直流整流器和MPPT升压变压器整流并存储至能量存储单元，能量存储单元可以采用锂电池或者超级电容，由于风能采集系统转化效率非常低，收集到的能量较小，MPPT升压变压器最大功率点追踪（MPPT）技术提高微风能量的采集。直流-直流整流变压器通过对能量存储单元输出的电压进行调整，使其符合第一通信单元、第一处理器单元和位移传感器的使用电压。电流与电压检测电路一方面直接通过ADC电路给第一通信单元、第一处理器单元和位移传感器供电，另一方面检测交流-直流整流器整流后的电流与电压情况，并将数值通过模数转换发送至第一处理器单元，第一处理器单元通过PWM生成电路发送PWM波形控制MPPT升压变压器实现最大功率采集，提高风能的转换效率。

实施例三

如图1、图3、图4和图5所示：本实施例还提供了一种基于矿井微风能量收集的井下选煤硐室围岩无线监测系统，包括依次相连的控制中心1、通信基站2、SINK节点3和监测终端4，所述监测终端4包括位移传感器5、能量供给单元6、第一处理器单元7和第一通信单元8，所述能量供给单元6包括风力发电模块9和能量管理模块10，所述位移传感器5与所述第一处理器单元7、第一通信单元8依次连接，所述能量供给单元6与所述位移传感器5、第一处理器单元7、第一通信单元8连接。

所述风力发电模块9包括垂直轴风力发电机29和水平轴风力发电机30的一种或两种。现场风力的采集是通过硐室围岩内流通的微风实现，其风速在1～8m/s，转换来的电能足够监测终端使用。为了保证硐室围岩的宽敞，发电机在硐室围岩的一个截面内占据的面积不能过大，即获取的风能面积较小，因此在微风能量充足的通道内采用其中的一种发电，在微风能量不充足的地方采用两种进行发电，根据两种发电机的形状安置在硐室围岩的顶部或两帮，不影响正常工作以及人员通行。

所述垂直轴风力发电机29设置在硐室围岩31两帮，对应所述垂直轴风力发电机29风能加强机构Ⅰ32，所述风能加强机构Ⅰ32包括硐室围岩31两帮设置的棱台形的空心罩体Ⅰ33，所述空心罩体Ⅰ33的出风口Ⅰ34与所述垂直轴风力发电机29一侧的叶片35对齐。垂直轴风力发电机采用两个截面为半圆环形的叶片和中心的旋转轴支撑，叶片通过风力驱动带动旋转轴转动，空心罩体Ⅰ开口处的面积大于出风口的面积，可以对大面积的风能进行收集，并将风能送至垂直轴风力发电机的一侧叶片，对发电机进行驱动，对风能采集较为充足，且转换效率更高，整个装置设置在硐室围岩两帮，不会对通道的空间造成影响。

所述水平轴风力发电机30设置在硐室围岩31顶部，对应所述水平轴风力发电机30设置风能加强机构Ⅱ36，所述风能加强机构Ⅱ36包括硐室围岩31顶部设置的棱台形的空心罩体Ⅱ37，所述空心罩体Ⅱ37的出风口Ⅱ38设置出风管道39，所述出风管道39内设置所述水平轴风力发电机30。该空心罩体Ⅱ横放在硐室围岩顶部，将顶部的风能收集并送入出风管道内，实现对较大面积的风能利用，然后驱动水平轴风力发电机，提高同等风力条件下的发电量，保证电能的供应。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。