CN109164389A - 煤矿动力灾害检测***及其数据采集方法和无线充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电与数据无线通讯技术领域，尤其涉及煤矿动力灾害检测***及其数据采集方法和无线充电方法，包括监测中心以及若干布设在地下的前端传感装置，监测中心通过移动终端获取前端传感装置采集到的数据；移动终端的直流电源与无线充电发射电路之间通过充电开关电路进行电力传输；充电开关电路在断开或闭合时产生对应的开关量信号并发送给终端控制器；无线通信接收模块与终端控制器的信号输入端连接；终端控制器根据开关量信号控制无线通信接收模块的工作状态；前端传感装置包括传感器与前端控制器，前端控制器的信号输出端连接有无线通信发送模块。本发明避免了电缆的布设，降低建设成本，提高数据采集的安全性。

Description

煤矿动力灾害检测***及其数据采集方法和无线充电方法

技术领域

本发明涉及无线充电与数据无线通讯技术领域，尤其涉及煤矿动力灾害检测***及其数据采集方法和无线充电方法。

背景技术

煤炭作为我国的基本能源和重要原料，如何安全高效地生产一直受到国民的广泛关注。矿井恶劣复杂的工作环境以及长时间超负荷的开采，导致设备故障频发，因此设备维护***在煤炭企业现代化生产中显得至关重要。设备状态监测***从设备运行状态信号中提取有效信息和参数，为设备维护***提供原始数据，以利于维修人员随时了解设备的运行状态，提高设备可靠性和利用率，同时避免维修不足和维修过剩。

传统煤矿设备监测***多采用有线网络，需要铺设大量电缆，存在布线复杂、扩展性差、易损坏等缺点，增大了产生***以及火灾的可能性，不利于煤矿井下复杂多变的环境。随着半导体技术、传感器技术、嵌入式技术以及通信技术的飞速发展，具有感知、计算、存储和通信能力的无线传感器网络的应用越来越广泛。无线传感器网络可以很好地弥补传统的监测***的上述不足之处，可实时监测并反馈煤矿设备位置和运行状态信息，便于维修人员对设备状态进行分析，及时发现设备故障并进行维修，还可验证地下工程设计的合理性，避免大的事故的发生，保证煤矿安全高效生产。

有鉴于此，如何利用现有技术设计一款适用于地下工程建设中既要支持无线充电又要支持数据传输，同时还可对采集的数据进行显示、读取的智能收发***，成为亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供煤矿动力灾害检测***解决现有技术中通过有线网络进行数据采集或者有线供电方式导致的布线复杂、存在安全隐患的技术问题；能够同时支持无线充电以及无线数据传输，避免了有线电缆的布设，大大降低建设成本，提高数据采集的安全性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

首先提供一种煤矿动力灾害检测***，包括监测中心以及若干布设在地下的前端传感装置，监测中心通过移动终端获取前端传感装置采集到的数据；

所述移动终端包括终端控制器、直流电源、无线充电发射电路、无线通信接收模块以及充电开关电路；直流电源与无线充电发射电路之间通过充电开关电路进行电力传输；充电开关电路能够在断开或闭合时产生对应的开关量信号并发送给终端控制器；无线通信接收模块与终端控制器的信号输入端连接；终端控制器能够根据开关量信号控制无线通信接收模块的工作状态；

前端传感装置包括传感器与前端控制器，前端控制器的信号输出端连接有无线通信发送模块；还包括可充电电池，所述可充电电池的电源输入端连接有无线充电接收电路。

优选的，终端控制器内配置有工作模式切换模块，控制无线通信接收模块的工作状态，以实现无线充电工作模式与无线数据采集工作模式的切换。

优选的，所述移动终端还包括壳体；所述无线通信接收模块以及无线充电发射器分别设置在壳体的两相对端，所述壳体内还设有位于无线通信接收模块以及无线充电发射器之间的信号屏蔽挡板。

优选的，所述前端传感装置还包括用于检测可充电电池电量的电量检测模块，电量检测模块的信号输出端与前端控制器的信号输入端连接。

优选的，所述前端传感装置还包括用于检测前端传感装置的温度传感器，温度传感器的信号输出端与前端控制器的信号输入端连接。

本发明还提供了一种采用上述煤矿动力灾害检测***的数据采集方法，以解决如何在井下停留时间最短的情况下完成数据的采集，具体方案如下：包括以下步骤：

步骤1：断开充电开关电路，使移动终端工作在无线数据采集工作模式；

步骤2：移动终端与前端传感装置建立数据连接，前端传感装置向移动终端发送包括可充电电池的当前电量以及待发送的传感数据的数据量大小的参考信息；

步骤3：移动终端接收步骤2中的参考信息，终端控制器根据参考信息计算前端传感装置发送完待发送的传感数据所需电量以及所需时间；

步骤4：若可充电电池的当前电量大于或等于前端传感装置发送完待发送的传感数据所需电量，则移动终端开始接收传感数据，直到接收完成；若可充电电池的当前电量小于接收完待发送的传感数据所需电量，则进行步骤5；

步骤5：计算将前端传感装置从当前电量充电到满足发送完待发送的传感数据所需电量的充电时间，并且闭合充电开关电路，移动终端切换到无线充电工作模式，为前端传感装置进行充电；

步骤6：充电时间结束后，断开充电开关电路，移动终端切换到无线数据采集工作模式，接收传感数据，直到接收完成。

其中，终端控制器内配置的工作模式切换模块，控制无线通信接收模块的工作状态的方法为：当充电开关电路闭合时，直流电源与无线充电发射电路之间通电，无线充电工作模式启动，充电开关电路发送第一开关量信号给终端控制器，终端控制器收到第一开关量信号后向无线通信接收模块发送停止接收数据的指令；

当充电开关电路断开时，直流电源与无线充电发射电路之间断路，充电开关电路发送第二开关量信号给终端控制器，终端控制器收到第二开关量信号后向无线通信接收模块发送开始接收数据的指令，无线数据采集工作模式启动。

本发明还提供了一种采用上述煤矿动力灾害检测***的无线充电方法，以解决如何控制充电温度来保障充电安全的技术问题，具体方案如下：无线充电工作模式为间断性充电，每充电T时间后切换到无线数据采集工作模式，按如下步骤进行：

步骤101：闭合充电开关电路，移动终端切换到无线充电工作模式，充电T时间后，断开充电开关电路，使移动终端工作在无线数据采集工作模式；

步骤102：移动终端与前端传感装置建立数据连接，前端传感装置向移动终端发送包括可充电电池的当前电量以及前端传感装置的当前温度；

步骤103：判断可充电电池的当前电量是否达到充电需求；若是，则结束充电；若否，则进入步骤104：

步骤104：若前端传感装置的当前温度大于安全温度阈值，则进行步骤105；若前端传感装置的当前温度不大于安全温度阈值，则进行步骤106；

步骤105：在前次充电功率的基础上进行降低作为当前次充电功率，并回到步骤101；

步骤106：以前次充电功率作为当前次充电功率，并回到步骤101。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的移动终端在需要采集数据时，可以由工作人员带入地下作业场地，采集完成后，再将移动终端带出地下作业场地，然后将移动终端采集到的数据通过有线或无线传输方式转发给监测中心，这样一方面避免的建设地面到地下的有线传输网络，另一方面，相比于前端传感装置与监测中心之间依赖无线传感网络直接传输数据，能够避免地下信号差、或者无线传感网络故障导致的数据传输失败。

2、本发明的移动终端与前端传感装置能够进行无线通信以进行数据传输，同时，移动终端还能为前端传感装置进行无线充电，这样就避免了有线电缆的布设，大大降低建设成本，提高数据采集的安全性。

3、本发明的工作模式切换程序，避免了无线充电工作模式与无线数据采集工作模式同时进行，从而避免无线充电时的电磁波信号对无线数据采集产生电磁干扰，从而保证数据采集的正常进行。本发明的工作模式切换采用软硬结合的方式，只需控制充电开关电路所采用开关的开闭即可实现切换，结构简单，能够节省硬件成本，切换控制方便，实现了一键控制。

4、由于井下作业具有较大的危险性，因此缩短井下停留时间对保护人身安全具有重要意义。本发明的数据采集方法既保证了数据采集的完成，又最大限度缩短了井下停留时间，要保证完成数据采集就要求前端传感装置的剩余电量能够支撑到待发送数据的全部发送，因此不要求为前端传感装置完全充满电，从而能够通过缩短充电时间来缩短井下停留的总时间(包括充电时间和数据采集时间)。

5、由于井下环境往往还存在某些可燃性气体，而对前端传感装置进行充电会导致前端传感装置温度升高，存在较大的安全隐患，特别是无线充电会导致前端传感装置的无线充电接收器具有较高的发热量，因此为了保证充电过程的安全，设置温度传感器对前端传感装置进行温度监测，另外由于无线充电工作模式与无线数据采集工作模式不能同时进行，使得温度移动终端不能实时获取前端传感装置的温度进行充电功率的实时调整，为了解决该问题，针对本发明的无线监测***针对性设计了间断性无线充电模式，间断性的获取温度信息进行充电功率的调控。

6、本发明的充电功率调控无需建立数学模型，只需在前次充电功率的基础上进行逐步调整，十分方便简单，易于实现。

附图说明

图1是具体实施方式中移动终端的原理框图；

图2是具体实施方式中用于地下作业的无线监测***的数据流向图；

图3是具体实施方式中井下作业的工作示意图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

实施例1

如图1所示，煤矿动力灾害检测***，包括监测中心以及布设在地下的前端传感装置，监测中心通过移动终端获取前端传感装置采集到的数据；所述移动终端通过USB接口协议与监测中心的主机设备连接，以实现数据的传输；移动终端通过QI/WPC协议向前端传感装置发射电磁波；移动终端通过TransferJet协议与前端传感装置进行无线数据传输；

如图2所示，所述移动终端包括终端控制器、直流电源、无线充电发射电路、无线通信接收模块以及充电开关电路；直流电源与无线充电发射电路之间通过充电开关电路进行电力传输；充电开关电路能够在断开或闭合时产生对应的开关量信号并发送给控制器；无线通信接收模块与终端控制器的信号输入端连接；终端控制器能够根据开关量信号控制无线通信接收模块的工作状态；

所述前端传感装置包括传感器与前端控制器，前端控制器的信号输出端连接有无线通信发送模块；还包括可充电电池，所述可充电电池的电源输入端连接有无线充电接收电路。

本具体实施方式中，所述终端控制器与无线通信接收模块之间连接有用于控制数据接收优先级的中断控制器。这样，在多个前端传感装置同时向移动终端发送数据时，中断控制器能够根据数据的优选级，控制无线数据接收模块有序的进行数据接收。

本具体实施方式中，终端控制器内配置有工作模式切换程序，并按如下方式控制无线通信接收模块的工作状态，以实现无线充电工作模式与无线数据采集工作模式的切换：

当充电开关电路闭合时，直流电源与无线充电发射电路之间通电，无线充电工作模式启动，充电开关电路发送第一开关量信号给终端控制器，终端控制器收到第一开关量信号后向无线通信接收模块发送停止接收数据的指令；

当充电开关电路断开时，直流电源与无线充电发射电路之间断路，充电开关电路发送第二开关量信号给终端控制器，终端控制器收到第二开关量信号后向无线通信接收模块发送开始接收数据的指令，无线数据采集工作模式启动。

所述无线充电发射电路包括逆变电路以及无线充电发射器；逆变电路能够将直流电源的直流电逆变为交流电，并输出交流电给无线充电发射器；无线充电发射器能够将电能转化为向外辐射的电磁波。

所述移动终端还包括壳体；所述无线通信接收模块以及无线充电发射器分别设置在壳体的两相对端，所述壳体内还设有位于无线通信接收模块以及无线充电发射器之间的信号屏蔽挡板。

所述无线充电接收电路包括无线充电接收器以及整流电路；所述无线充电接收器能够接收电磁波并感应出交流电输出给整流电路；整流电路能够将交流电转化为直流电，从而为可充电电池供电。

所述前端传感装置还包括用于检测可充电电池电量的电量检测模块，电量检测模块的信号输出端与前端控制器的信号输入端连接。

煤矿动力灾害检测***的工作模式，以矿井作业为例，如图3所示，图中第一种前端传感装置2、第二种前端传感装置3均埋设在巷道内，工作人员携带移动终端1下到矿井内，定时给第一种前端传感装置2、第二种前端传感装置3进行无线充电：启动充电开关电路，便能对第一种前端传感装置2、第二种前端传感装置3进行无线充电；充电完成后，断开充电开关电路，便能自动切换到无线数据采集模式，简化了用户的操作过程，实现了两种工作模式的简单快捷切换。

充电开关电路所采用的开关可以是按钮开关、触控开关等，在采用触控开关时，移动终端需要配置对应的显示屏，触控开关设置在显示屏上，显示屏还能设置工作模式显示、数据传输进度显示、充电进度显示等。

为了同时满足工作模式的手动切换与自动切换，还在充电开关电路中采用一个手动开关(如上述的按钮开关、触控开关)与一个电控开关串联，如电磁继电器，手动开关为常开式，电控开关为常闭式，这样第一开关量信号为手动开关与电控开关同时闭合的信号，第二开关量信号为手动开关与电控开关其中之一断开的信号。

采用本具体方式中的煤矿动力灾害检测***的数据采集方法，包括以下步骤：

步骤1：断开充电开关电路，使移动终端工作在无线数据采集工作模式；

步骤2：移动终端与前端传感装置建立数据连接，前端传感装置向移动终端发送包括可充电电池的当前电量以及待发送的传感数据的数据量大小的参考信息；

步骤3：移动终端接收步骤2中的参考信息，终端控制器根据参考信息计算前端传感装置发送完待发送的传感数据所需电量以及所需时间；

步骤4：若可充电电池的当前电量大于或等于前端传感装置发送完待发送的传感数据所需电量，则移动终端开始接收传感数据，直到接收完成；若可充电电池的当前电量小于接收完待发送的传感数据所需电量，则进行步骤5；

步骤5：计算将前端传感装置从当前电量充电到满足发送完待发送的传感数据所需电量的充电时间，并且闭合充电开关电路，移动终端切换到无线充电工作模式(持续充电，直到充电完成，中间无间断)，为前端传感装置进行充电；

步骤6：充电时间结束后，断开充电开关电路，移动终端切换到无线数据采集工作模式，接收传感数据，直到接收完成。

实施例2

本具体实施方式与具体实施方式1所不同之处在于：所述前端传感装置还包括用于检测前端传感装置的温度传感器，温度传感器的信号输出端与前端控制器的信号输入端连接。

采用本具体实施方式的用于地下作业的无线监测***的数据采集方法与具体实施方式1中的数据采集方法的不同之处在于，步骤5中无线充电工作模式为间断性充电，每充电T时间后切换到无线数据采集工作模式，按如下步骤进行：

步骤101：闭合充电开关电路，移动终端切换到无线充电工作模式，充电T时间后，断开充电开关电路，使移动终端工作在无线数据采集工作模式；

步骤102：移动终端与前端传感装置建立数据连接，前端传感装置向移动终端发送包括可充电电池的当前电量以及前端传感装置的当前温度；

步骤103：判断可充电电池的当前电量是否达到充电需求；若是，则结束充电；若否，则进入步骤104：

步骤104：若前端传感装置的当前温度大于安全温度阈值，则进行步骤105；若前端传感装置的当前温度不大于安全温度阈值，则进行步骤106；

步骤105：在前次充电功率的基础上进行降低作为当前次充电功率，并回到步骤101；

步骤106：以前次充电功率作为当前次充电功率，并回到步骤101。

本具体实施方式中的数据采集方法由于结合了间断性充电模式，充分考虑了充电过程的发热问题，使得需要充电的数据采集过程更加安全。

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，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.煤矿动力灾害检测***，其特征在于，包括监测中心以及若干布设在地下的前端传感装置，监测中心通过移动终端获取前端传感装置采集到的数据；

所述移动终端包括终端控制器、直流电源、无线充电发射电路、无线通信接收模块以及充电开关电路；直流电源与无线充电发射电路之间通过充电开关电路进行电力传输；充电开关电路能够在断开或闭合时产生对应的开关量信号并发送给终端控制器；无线通信接收模块与终端控制器的信号输入端连接；终端控制器能够根据开关量信号控制无线通信接收模块的工作状态；

前端传感装置包括传感器与前端控制器，前端控制器的信号输出端连接有无线通信发送模块；还包括可充电电池，所述可充电电池的电源输入端连接有无线充电接收电路。

2.根据权利要求1所述的煤矿动力灾害检测***，其特征在于，所述移动终端还包括壳体；所述无线通信接收模块以及无线充电发射器分别设置在壳体的两相对端，所述壳体内还设有位于无线通信接收模块以及无线充电发射器之间的信号屏蔽挡板。

3.根据权利要求1所述的煤矿动力灾害检测***，其特征在于，所述前端传感装置还包括用于检测可充电电池电量的电量检测模块，电量检测模块的信号输出端与前端控制器的信号输入端连接。

4.根据权利要求1所述的煤矿动力灾害检测***，其特征在于，所述前端传感装置还包括用于检测前端传感装置的温度传感器，温度传感器的信号输出端与前端控制器的信号输入端连接。

5.根据权利要求1所述的煤矿动力灾害检测***，其特征在于，所述的终端控制器内配置有工作模式切换模块，控制无线通信接收模块的工作状态，以实现无线充电工作模式与无线数据采集工作模式的切换。

6.根据权利要求1到5任一项所述的煤矿动力灾害检测***的数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：断开充电开关电路，使移动终端工作在无线数据采集工作模式；

步骤2：移动终端与前端传感装置建立数据连接，前端传感装置向移动终端发送包括可充电电池的当前电量以及待发送的传感数据的数据量大小的参考信息；

步骤3：移动终端接收步骤2中的参考信息，终端控制器根据参考信息计算前端传感装置发送完待发送的传感数据所需电量以及所需时间；

步骤4：若可充电电池的当前电量大于或等于前端传感装置发送完待发送的传感数据所需电量，则移动终端开始接收传感数据，直到接收完成；若可充电电池的当前电量小于接收完待发送的传感数据所需电量，则进行步骤5；

步骤5：计算将前端传感装置从当前电量充电到满足发送完待发送的传感数据所需电量的充电时间，并且闭合充电开关电路，移动终端切换到无线充电工作模式，为前端传感装置进行充电；

步骤6：充电时间结束后，断开充电开关电路，移动终端切换到无线数据采集工作模式，接收传感数据，直到接收完成。

7.根据权利要求6所述的煤矿动力灾害检测***的数据采集方法，其特征在于，移动终端按如下方式控制无线通信接收模块的工作状态，以实现无线充电工作模式与无线数据采集工作模式的切换：

当充电开关电路闭合时，直流电源与无线充电发射电路之间通电，无线充电工作模式启动，充电开关电路发送第一开关量信号给终端控制器，终端控制器收到第一开关量信号后向无线通信接收模块发送停止接收数据的指令；

当充电开关电路断开时，直流电源与无线充电发射电路之间断路，充电开关电路发送第二开关量信号给终端控制器，终端控制器收到第二开关量信号后向无线通信接收模块发送开始接收数据的指令，无线数据采集工作模式启动。

8.根据权利要求1到5任一项所述的煤矿动力灾害检测***的无线充电方法，其特征在于，包括以下步骤：无线充电工作模式为间断性充电，每充电T时间后切换到无线数据采集工作模式，按如下步骤进行：

步骤101：闭合充电开关电路，移动终端切换到无线充电工作模式，充电T时间后，断开充电开关电路，使移动终端工作在无线数据采集工作模式；

步骤102：移动终端与前端传感装置建立数据连接，前端传感装置向移动终端发送包括可充电电池的当前电量以及前端传感装置的当前温度；

步骤103：判断可充电电池的当前电量是否达到充电需求；若是，则结束充电；若否，则进入步骤104：

步骤104：若前端传感装置的当前温度大于安全温度阈值，则进行步骤105；若前端传感装置的当前温度不大于安全温度阈值，则进行步骤106；

步骤105：在前次充电功率的基础上进行降低作为当前次充电功率，并回到步骤101；

步骤106：以前次充电功率作为当前次充电功率，并回到步骤101。