基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，包括依次相连的控制中心、通信基站、SINK节点和监测终端，所述监测终端包括传感器单元、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致振动发电模块和能量管理模块。本发明专利技术采用无线传感技术，不需要铺设大量的供电线路和通信线路，节省了大量的资金投入和人力投入，结构简单，信息采集面较广，能够对矿井各项环境以及结构参数进行实时监测，便于掌握矿井的各项数据，保证矿井生产的安全性，且通过对矿井内风能转换为电能实现自供能，解决了无线传感技术中电能供应的难题，真正实现了矿井无线监测，具有很好的推广价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及矿井无线监测
，具体涉及一种基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统。
技术介绍
矿井安全监控系统是矿山环境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，对煤矿矿井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，对矿井巷道环境进行实时监测，并支持对测量数据的综合查询及对围岩状态的预测，为巷道围岩、巷道围岩的日常监测和维护提供基础数据；为矿井巷道各种环境提供监测数据，便于对矿井选煤厂各项信息进行掌控，提高矿井的安全度，但是仍然有些需要完善的地方。申请号为201310310034.6的专利技术提供一种矿井环境监测预警系统，包括监测单元、通讯单元和布置于矿井各个位置的警示单元；所述监测单元布置于矿井各个位置，用于检测矿井环境，并根据检测结果判断矿井是否安全，若否，则发出报警信号；所述通讯单元用于传递所述报警信号；所述警示单元布置于矿井各个位置，用于接收所述报警信号，并根据该报警信号发出人体可感知的信号进行报警；若一处监测单元发出报警信号，则该报警信号被所述通讯单元传送到矿井各个位置，触发远程警示单元报警；进而实现全井报警，提高矿井避险和救援的及时性、全面性、可靠性。但是为了保障设备的运行，需要在矿井巷道布设大量的供电和数据传输线路，严重影响结构稳定性或人员通过性，并且需要大量的投入。申请号为201410430741.3的专利技术公开了一种基于物联网的煤矿矿井环境信息监控系统，它是由煤矿矿井环境信息监控中心和数台煤矿矿井环境信息监控器组成，所述的煤矿矿井环境信息监控中心包括中央控制器、Zigbee无线网络协调器和预警器，所述的煤矿矿井环境信息监控器包括瓦斯浓度测量仪、CO浓度测量仪、粉尘浓度测量仪、温度测量仪、湿度测量仪、ARM微控制器、Zigbee通信模块、电源和报警器。该基于物联网的煤矿矿井环境信息监控系统，具有结构简单、覆盖范围广、智能化、信息采集全面、实时性好等优点，能对瓦斯等可燃性气体实时准确监测，并能对煤矿矿井瓦斯、火灾等危险源和隐患进行预警，但是仍需要面对电能供应以及线路复杂的问题。解决这一问题需要对矿井巷道围岩进行无线监测，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矿井的应用并不顺利，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。随着新能源技术的广泛深入，国内外对风能收集技术在已经进行了大量的研究。对于某些特殊环境如煤矿矿井，针对微型风力发电系统能够收集风能并进行能量转换，广泛应用于远程无线传感器节点，保证长时间运行于恶劣环境下的无线传感器网络正常工作，不仅节省大量的电缆，还能减少因电缆故障引起的传感器停机的几率。但是目前的风力发电系统采用的是风力发电机设备，微风驱动能量不足，且设备体积较大，叶片旋转发电容易伤人。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是提供一种基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，采用无线传感技术，不需要铺设大量的供电线路和通信线路，节省了大量的资金投入和人力投入，结构简单，信息采集面较广，能够对矿井各项环境以及结构参数进行实时监测，便于掌握矿井运行中的各项数据，保证矿井生产的安全性。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，包括依次相连的控制中心、通信基站、SINK节点和监测终端，所述监测终端包括传感器单元、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致振动发电模块和能量管理模块，所述传感器单元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传感器单元、第一处理器单元、第一通信单元连接。进一步的，所述能量管理模块包括整流器、蓄电池和DC/DC电源模块。进一步的，所述风致振动发电模块包括底座，所述底座上设置压电材料制得的悬臂梁，所述悬臂梁的前端设置挡风板。进一步的，所述风致振动发电模块设置在巷道的两帮，对应所述风致振动发电模块在所述巷道的两帮设置风能加强机构，所述风能加强机构包括棱台形的空心罩体，所述空心罩体上设置出风口，所述出风口与所述挡风板相配合。进一步的，所述巷道的两帮对应所述风致振动发电模块设置护罩，所述护罩内表面设置吸音海绵。进一步的，所述风致振动发电模块设置在所述巷道内的振动设备上，所述挡风板采用弧形板。进一步的，所述第一处理器单元包括单片机芯片，所述传感器单元包括温湿度传感器、位移传感器、甲烷传感器和风速传感器。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。本专利技术提供了一种基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，控制中心位于井上，通信基站、SINK节点和监测终端位于井下，监测终端是对矿井巷道（巷道指设备硐室、井筒、巷道等区域）内环境进行监测，包括通风的风力、温湿度、瓦斯浓度、底板与围岩位移数据等进行监测，并将监测到的数据发送至SINK节点，因为矿井巷道的数量是较多的，而矿井的情况也较为复杂，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，最终将矿井巷道内的监测信息汇总至控制中心，实现对矿井巷道内环境的远程监测。监测终端的通过传感器单元对矿井巷道内环境参数进行监测，传感器单元可采用多种类型传感器，实现对需要监测数据的实时监测，便于控制中心时刻掌握矿井情况。风致振动发电模块是通过压电材料支撑的悬臂被风力驱动，产生振动或摆动来发电，结构简单，对微弱风力的利用效率较高，适合矿井的风能采集。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，整个巷道内完全不需要进行布线来传递信息或者电能，对巷道的环境不造成任何影响。能量管理模块与风致振动发电模块连接，对机械能量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，为传感器单元、第一处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，其特征在于：包括依次相连的控制中心、通信基站、SINK节点和监测终端，所述监测终端包括传感器单元、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致振动发电模块和能量管理模块，所述传感器单元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传感器单元、第一处理器单元、第一通信单元连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，其特征在于：包括依次相连的控制中心、通信基站、SINK节点和监测终端，所述监测终端包括传感器单元、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致振动发电模块和能量管理模块，所述传感器单元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传感器单元、第一处理器单元、第一通信单元连接。
2.如权利要求1所述的基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，其特征在于：所述能量管理模块包括整流器、蓄电池和DC/DC电源模块。
3.如权利要求1所述的基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，其特征在于：所述风致振动发电模块包括底座，所述底座上设置压电材料制得的悬臂梁，所述悬臂梁的前端设置挡风板。
4.如权利要求3所述的基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，其特征在于：所述风致振动发电模块设置在巷道的两帮，对应所述风致振动发电模块在所述巷道的两帮设置风能加强机构，所述风能加强机构包括棱台形的空心罩体，所述空心罩体上设置出风口，所述出风口与所述挡风板相配合。
5.如权利要求4所述的基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统，其特征在于：所述巷道的两帮对应所述风致振动发电模块设置护罩，所述护罩内表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新刚，郑扬冰，薛晓，刘妍，董浩斌，徐志强，
申请(专利权)人：南阳师范学院，
类型：发明
国别省市：河南;41