CN206833216U - 基于物联网技术的嵌入式井下环境监测终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于物联网技术的嵌入式井下环境监控***，包括设置于井下且可自由移动的若干个移动监测终端，每个移动监测终端均用于监测井下作业区域的环境状况，且均通过无线网络与数据处理中心数据连接；每个移动监测终端均包括中央处理器，中央处理器分别连接有Zigbee模块、传感器模块、报警模块、GPRS模块、本安电源模块及扩展接口；每个Zigbee模块均用于在移动监测终端之间建立MESH网络以及实现移动监测终端与数据处理中心的无线连接；扩展接口用于扩展安装满足标准规范的传感器；本实用新型可实现监测***灵活性强、覆盖范围大、移动性强、可扩展性强的问题。

Description

基于物联网技术的嵌入式井下环境监测终端

【技术领域】

本实用新型属于互联网应用技术领域，具体涉及基于物联网技术的嵌入式井下环境监测终端。

【背景技术】

煤炭在我国能源工业中，分别占一次能源生产和消费总量的76％和69％。但由于我国一般采用地下开采，其生产环境恶劣，瓦斯突出、煤尘污染等安全隐患时刻威胁着井下工作人员的安全。据统计，我国大型煤矿中高瓦斯矿井约占44.4％，约91.35％的矿井有煤尘***危险，仅2010年全国瓦斯事故有72起。因此对煤矿进行安全监测非常重要，随着国家对煤矿安全重视程度的提高，作为煤矿安全六大***之一的监测监控被强制执行。

目前井下环境监测终端主要存在以下不足和缺陷：

(1)灵活性差。采用有线组网和固定传感器方式传输数据，布线复杂，硬件扩展性差，易产生故障，给维护管理工作带来很多困难。

(2)覆盖范围小。由于矿井井下情况特殊，环境复杂，监测终端在井下存在监测盲区，严重影响煤矿安全生产的监控能力。

为确保煤矿安全生产，提高劳动效率，对监测监控***的信号传输方式从稳定性、安全性、高效性提出了较高的要求。

在这种需求背景下，物联网逐渐成为健康管理煤矿设备的一种技术手段。物联网指通过射频识别、红外感应器、全球定位***等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网作为信息发展的新理念，将使信息获取方法和覆盖范围发生重大变化。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种基于物联网技术的嵌入式井下环境监测终端，以解决现有技术中监测***灵活性差、覆盖范围小、移动性差、可扩展性不足的问题。

本发明采用以下技术方案：基于物联网技术的嵌入式井下环境监控***，包括设置于井下且可自由移动的若干个移动监测终端，每个移动监测终端均用于监测井下作业区域的环境状况，且均通过无线网络与数据处理中心数据连接，数据处理中心用于接收并存储每个移动监测终端发出的环境状况信息，还用于将环境状况信息发送至井上数据监控中心；

每个移动监测终端均包括中央处理器，中央处理器分别连接有Zigbee模块、传感器模块、报警模块、GPRS模块、本安电源模块及扩展接口；每个Zigbee模块均用于在移动监测终端之间建立MESH网络以及实现移动监测终端与数据处理中心的无线连接；扩展接口用于扩展安装满足标准规范的传感器。

进一步地，传感器模块包括温度传感器、一氧化碳浓度传感器和瓦斯浓度传感器。

进一步地，报警模块包括用于发出警示音的蜂鸣器和用于发出警示光的LED灯。

进一步地，本安电源模块包括供电***、DC/DC转换电路、充放电保护电路和两级保护电路。

本实用新型和现有技术相比具有以下优点：

(1)实时性：本实用新型采用全天候24h实时动态监控井下异常情况，通过GPRS模块可以在第一时间向相关管理人员发送远程报警信息，使煤矿井下安全管理提升到一个全新的管理模式。

(2)可扩展性：本装置可将满足标准规范的传感器接入井下监控终端***中，实现了对不同安全监控类型及多个监控点的扩展，配置灵活，是一个可重组的具有高扩展性的井下监控装置。

(3)可移动性：本实用新型中的移动终端可在井下巷道内随机移动，自组网络，通过Zigbee无线MESH网络实现信息传输，提高了监控***的稳定性和可靠性，减少了预警信息的误报，提升了煤矿安全的快速监测和预警预报能力，为煤矿安全生产提供了强有力的保障，实现了对井下环境数据的实时动态全覆盖监测。

(4)具有矿用本质安全型直流电源：电源模块使用蓄能电池，两极过压过流保护***的本安设计，具有负载能力强，体积小，安全性高的特点。

【附图说明】

图1为本实用新型基于物联网技术的嵌入式井下环境监控***的结构示意图；

图2为本实用新型中本安电源模块的结构示意图。

其中：1移动监测终端.；2.数据处理中心；3.井上数据监控中心。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型公开了一种基于物联网技术的嵌入式井下环境监控***，如图1、图2所示，包括设置于井下且可自由移动的若干个移动监测终端1，每个移动监测终端1均用于监测井下作业区域的环境状况，每个移动监测终端1均通过无线网络与数据处理中心2数据连接；

每个移动监测终端1的安装位置不固定，有的安装在瓦斯等危险气体较容易涌出的位置，有的安装在井下工作人员所佩戴的矿灯上，有的安装在局部通风机等机械设备上，还有的安装于瓦斯涌出量变化较快的危险位置上。

每个移动监测终端1均包括中央处理器，中央处理器一般选用Samsung公司的Exynos-4412Cortex-A9四核嵌入式处理器，主频高达1.6GHz，该CPU采用最新的32nm HKMG工艺，性能强大，支持32k一级缓存，1MB二级缓存，增强的VFP浮点体系结构内存控制器是新一代的规格DDR3/LPDDR3 1600MHZ双端口，可提供12.8GB/S高带宽，高分辨率下的高清视频解码、3D图形显示、高分辨率图形信号等，支持多种格式视频硬解码，1080P，支持MEPG-4/H.263/H.264编解码，3D图形核心整合了ARM新一代的Mali-400,支持大量API，支持OpenG2.0,OpenVG 1.1和OpenCL 1.1Full Profile。

中央处理器分别连接有Zigbee模块、传感器模块、报警模块、GPRS模块、本安电源模块及扩展接口；

Zigbee模块：选用TI公司的CC2530F256芯片，该芯片是集Zigbee和RF4CE为一体的芯片，具有标准的增强型8051CPU，256kflash程序存储器，***自带编程闪存和8-KB RAM，具有2.4GHz IEEE802.15.4RF收发器，有多种运行模式，且运行模式之间转换时间短，尤其适应超低功耗要求的***；支持2v-3.6v供电区间，有3种电源管理模式：唤醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中断模式0.4ua。具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，能够满足煤矿井下网络节点的建立和环境数据传输的需求。

Zigbee模块用于在移动监测终端1之间建立MESH网络以及实现移动监测终端1与数据处理中心2的无线连接；移动监测终端1通过Zigbee无线传感网络进行级联，自组织形成MESH网络，实现对整个煤矿井下作业区域环境数据的实时采集和处理，最靠近数据处理中心2的移动监测终端1，通过Zigbee短程无线方式将MESH网络内的所有移动监测终端1采集到的环境数据传送给数据处理中心2，数据处理中心2接收到各个移动监测终端1采集的数据后统一处理、储存，并以有线方式发送给井上监控中心3。

GPRS模块：采用SIMCOM公司的SIM900A，其工作频率为GSM/GPRS 900/1800MHz，同时支持GPRS multi-slot class 10/8和GPRS mobile station class B，其GPRS class 10传输速率最大可达85.6kbps(下行)，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。模块尺寸为24*24*3mm，待机电流1.5mA。此外，SIM900A支持串行接口、SPI接口及SIM卡接口。供应电压范围3.2-4.8v，操作温度范围：-40～+85℃，同时GPRS模块通过向绑定的手机可发送报警信息，以便相关人员及时掌握井下环境状况。

扩展接口用于扩展安装满足标准规范的传感器；

传感模块主要由各类传感器组成，用于动态采集井下环境数据，如温湿度、一氧化碳浓度、及瓦斯浓度等，包括温度传感器、一氧化碳浓度传感器和瓦斯浓度传感器。

温湿度传感器：选用基于数字模块采集技术和温湿度传感技术的数字温湿度传感器，型号是DHT11，该传感器具有极高的可靠性和稳定性；它采用单线制串行接口，数据传输简单，反应速度快，抗干扰能力强，采用4针单排引脚封装，体积小，功耗低。测量范围为20-90％RH0-50℃，信号传输距离可达20米上。

一氧化碳浓度传感器：选用一氧化碳气体检测专用传感器MQ-7，该传感器是一种半导体气体传感器，采用高低温循环检测方式低温(1.5V加热)检测一氧化碳浓度，灵敏度高，性能稳定；采用树脂封装，工作温度:20℃±2℃，环境相对湿度65％±5％RH，检测浓度:10-1000ppm，工作电压：5.0V±0.1V，VH(高)5.0V±0.1V，VH(低)1.5V±0.1V。

瓦斯浓度传感器：采用半导体传感器MQ-4，该传感器采用导电率较低的气敏材料二氧化锡，对甲烷有很高的灵敏度，使用寿命长，性能稳定，工作温度:20℃±2℃，环境相对湿度65％±5％RH，检测浓度：300-10000ppm，工作电压：5.0V±0.1V，VH(高)5.0V±0.1V，VH(低)1.5V±0.1V。

报警模块：由BUZZER蜂鸣器和LED灯组成，井下环境正常时，蜂鸣器不响且LED灯保持不亮，当有异常发生时，蜂鸣器发出报警声音，同时LED不断闪烁。

本安电源模块主要为移动监测终端1提供能量，是矿用本质安全型电源，主要由供电***，DC/DC转换电路、充放电保护电路和本安电路组成，其中，供电***采用5节锂离子电池组，提供19.5V电压输入。

充放电保护电路选用R5432V501BA芯片，该芯片是基于高耐压CMOS工艺的、用于Li离子/Li聚合物可充电电池的电池保护IC，可实现对3、4、5节电池的过充电、过放电、放电过电流、短路过电流以及充电过电流状态的检测和保护，具有断线检测、电池均衡功能。过充电检测精度±25mV(25℃)，过充电检测精度±25m过充电检测电压范围3.6V-4.5V，过放电检测电压范围2.0V-3.0V。

两极保护电路主芯片选择凌力而特公司的LTC4368，主要完成对电源的过流过压保护，该芯片2.5v-60v的工作电压具有高达100v的过压保护，提供双向电子断路器(ECB)可热插拔电源输入，可调欠压闭锁功能在低输入电压条件下禁止执行操作，从而避免电池的深度放电，反向电源保护功能可把负载与***时极性弄错的电池相隔离，器件电流消耗在正常操作时仅为80μA，在停机模式时则为5μA，这延长了电池运行和待用时间。10引脚MSOP和3mmx3mm DFN封装。

DC/DC转换电路采用上海芯龙XL7005A，该芯片是一款高效的降压型电源管理芯片，固定15KHz的开关频率，5v-80v宽输入电压范围，输出电压1.25v-20v可调。具有出色的与调整滤，可提供最高0.4A的输出电流，内置限流功能，输出保护短路功能。内置的固定频率振荡器和频率补偿电路可简化电路设计。电路采用SOP8-EP封装。

数据处理中心2用于接收并存储每个移动监测终端1发出的环境状况信息，还用于将环境状况信息发送至井上数据监控中心3。

Claims (4)

1.基于物联网技术的嵌入式井下环境监控***，其特征在于，包括设置于井下且可自由移动的若干个移动监测终端(1)，每个所述移动监测终端(1)均用于监测井下作业区域的环境状况，且均通过无线网络与数据处理中心(2)数据连接，所述数据处理中心(2)用于接收并存储每个所述移动监测终端(1)发出的环境状况信息，还用于将所述环境状况信息发送至井上数据监控中心(3)；

每个所述移动监测终端(1)均包括中央处理器，所述中央处理器分别连接有Zigbee模块、传感器模块、报警模块、GPRS模块、本安电源模块及扩展接口；每个所述Zigbee模块均用于在移动监测终端(1)之间建立MESH网络以及实现移动监测终端(1)与数据处理中心(2)的无线连接；所述扩展接口用于扩展安装其它传感器。

2.如权利要求1所述的基于物联网技术的嵌入式井下环境监控***，其特征在于，所述传感器模块包括温度传感器、一氧化碳浓度传感器和瓦斯浓度传感器。

3.如权利要求1所述的基于物联网技术的嵌入式井下环境监控***，其特征在于，所述报警模块包括用于发出警示音的蜂鸣器和用于发出警示光的LED灯。

4.如权利要求1-3任一所述的基于物联网技术的嵌入式井下环境监控***，其特征在于，所述本安电源模块包括供电***、DC/DC转换电路、充放电保护电路和两级保护电路。