專利名稱：一種瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)，屬于電子技術(shù)和煤礦安全技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國是世界煤炭生產(chǎn)和消費大國，瓦斯災害始終是煤礦安全生產(chǎn)的大敵，也是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要矛盾，為預防爆炸事故發(fā)生，通過對煤礦重大瓦斯爆炸事故預防與監(jiān)控技術(shù)的研究，開發(fā)出新的煤礦瓦斯預測系統(tǒng)成為預防瓦斯事故的重要保障措施。目前絕大多數(shù)煤礦的瓦斯監(jiān)測儀通常采用干式、濕式氣敏元件、熱電阻瓦斯傳感器半導體氣敏元件等作為瓦斯檢測敏感元件，普遍存在響應(yīng)時間長、測量范圍有限、存在零點漂移及調(diào)零困難等缺點。礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器、監(jiān)測分站及地面監(jiān)測站等部分組成，傳感器、監(jiān)測分站之間通常都采用有線方式如光纜、電力線纜或信號線纜等傳輸信號，使得整個監(jiān)測系統(tǒng)的布線復雜，給安裝維護和檢修工作帶來不便，也不利于煤礦信息化技術(shù)的推廣和發(fā)展。采用固定方式通信，可能適用于礦井的某一段巷道環(huán)境，但整個礦井的通信效果差，存在可靠性差、造價高、方式單一等缺點。而采用無線通信方式，煤礦井下隧道無線傳播環(huán)境惡劣，電磁波在巷道中傳輸存在路徑損耗、陰影衰落和多徑衰落等現(xiàn)象，其中多徑衰落造成選擇性衰落現(xiàn)象對電磁波的傳播影響嚴重，巷道壁的截面形狀、粗糙度、傾斜度巖石成分等因素影響無線電波在巷道空間的傳輸，而煤礦巷道特性各不相同，真正適于傳輸?shù)念l段也是有限的。因此目前對巷道無線電波的傳播特性沒有統(tǒng)一的傳播模型。很多研究只是針對于特定的巷道得出的結(jié)論有隧道的固有傳播中，繞射效應(yīng)起著重要作用；對于平直而不受阻擋的隧道，頻率越高傳播越理想，但如果有拐角和叉道口存在，則最好的性能出現(xiàn)于70-150 MHz頻段；只要有拐角存在，且有效的傳播距離就很難超過250 m;在彎曲隧道中，頻率越高，越不利電磁波的傳輸。礦井生產(chǎn)對建立一個良好的無線通信系統(tǒng)有迫切的要求。國內(nèi)外都廣泛開展了瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的研究。固定的井下監(jiān)控系統(tǒng)比較多，如審定公告日為2009年07月08日、公開號為CN10147042的中國專利“基于光譜吸收的煤礦瓦斯多點在線檢測裝置”主要利用光纖氣體傳感器通過直接鋪設(shè)光纖把信息傳輸出去。針對傳統(tǒng)的固定通信方式，利用無限局域網(wǎng)、Zigbee無線藍牙、無線多跳Mesh網(wǎng)等無線網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)方式成為了研究的熱點。如審定公告日為2009年11月4日、公開號為CN201340651的中國專利“礦井下人員指紋識別與瓦斯動態(tài)檢測系統(tǒng)”，主要基于IEEE802. 15. 4協(xié)議為基礎(chǔ)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將指紋識別模塊和瓦斯檢測模塊的信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測站；為了簡化現(xiàn)有Zigbee技術(shù)的復雜性，審定公告日為2009年12月9日、公開號為CN201358816的中國專利“基于無線數(shù)據(jù)收發(fā)與信號轉(zhuǎn)換器的礦山安全檢測檢測系統(tǒng)”，采用了無線多跳Mesh 網(wǎng)略和低功耗遠距離Super_Zigbee數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。審定公告日為2009年09月16日、公開號為CN201311406的中國專利“實時顯示與遠程監(jiān)控的瓦斯檢測裝置”采用了紅外遙感技術(shù)對數(shù)據(jù)采集模塊獲得的信息進行傳輸?，F(xiàn)有的無線通信模塊的通信效果較差。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種通信效果較好的礦井下瓦斯?jié)舛鹊膶崟r檢測系統(tǒng)。為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)，包括位于井上的中心計算機控制模塊，中心計算機控制模塊分別連接顯示模塊、報警模塊以及網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)連接基站，基站連接接收天線，其特征在于，還包括位于井下的光纖檢測模塊，光纖檢測模塊連接認知無線通信發(fā)射模塊，認知無線通信發(fā)射模塊連接濃度顯示模塊和語音提示模塊。優(yōu)選地，所述的光纖檢測模塊包括光纖氣體傳感器，光纖氣體傳感器包括氣室，氣室的一端設(shè)有反射鏡，氣室的另一端設(shè)有射入光纖和射出光纖，氣室上還設(shè)有氣體入口和氣體出口，射入光纖連接半導體激光器，射出光纖連接光電轉(zhuǎn)換電路，光電轉(zhuǎn)換電路連接前置放大器，前置放大器連接鎖相器，鎖相器連接濾波器，濾波器連接A/D轉(zhuǎn)換器。優(yōu)選地，所述的認知無線通信發(fā)射模塊包括DSP模塊，DSP模塊的輸入端分別連接電源、光纖檢測模塊和ARM模塊，DSP模塊的輸出端分別連接濃度顯示模塊、語音提示模塊、 ARM模塊、FPGA模和上變頻器，F(xiàn)PGA模塊連接上變頻器。本實用新型在檢測瓦斯?jié)舛葧r具有檢測周期短，響應(yīng)迅速，低零點漂移的特點，在瓦斯?jié)舛刃盘柌杉螅粌H讓礦井下工作人員實時的看到瓦斯?jié)舛刃畔?，而且能夠克服礦井下某些巷道下惡劣的通信環(huán)境將信號實時的傳輸?shù)降孛鏅z測站，保持整個礦井的通信順暢。地面檢測站在捕獲到信號后，通過解調(diào)信號，獲取瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ龀鱿鄳?yīng)的響應(yīng)，以達到讓礦井下的工人及時撤到安全區(qū)域的目的。同時，通過地面檢測站可以防止違規(guī)開采的情況的發(fā)生。和現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)中無線通信模塊相比，認知模塊的傳輸距離和發(fā)射功率完全可以達到礦井的要求，從而整個礦井的通信暢通，而非某個巷道的通信暢通。

圖1為光纖氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為光纖檢測模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為認知無線通信發(fā)射模塊硬件結(jié)構(gòu)圖；圖5為認知無線通信發(fā)射模塊軟件流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例來具體說明本實用新型。 實施例如圖2所示，為瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，所述的瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)包括位于井上的中心計算機控制模塊，中心計算機控制模塊分別連接顯示模塊、報警模塊以及網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)連接基站，基站連接接收天線，還包括位于井下的光纖檢測模塊，光纖檢測模塊連接認知無線通信發(fā)射模塊，認知無線通信發(fā)射模塊連接濃度顯示模塊和語音提示模塊。光纖檢測模塊，認知無線通信發(fā)射模塊、聲光報警模塊、濃度顯示模塊、語音提示模塊位于礦井下面，并將上述幾個模塊集中在一起，既可以放在礦井作業(yè)工人的安全帽上，構(gòu)成移動式檢測終端。也可以將這幾個模塊放置在所要開采的各個巷道中，形成固定式的檢測終端?；?、網(wǎng)關(guān)、中心計算機控制模塊、顯示模塊、報警模塊位于礦井上部。首先光纖檢測模塊獲得的瓦斯?jié)舛刃畔魉偷秸J知無線通信發(fā)射模塊后，一方面認知無線通信模塊對瓦斯?jié)舛刃畔⑻幚砗?，通過天線發(fā)送出去，另一方面直接將信息通過D/A轉(zhuǎn)換直接傳送到濃度信息顯示模塊、語音提示模塊。語音提示模塊不僅在瓦斯?jié)舛瘸^門限值報警，而且能夠在危險情況下，語音提示有效的救助信息，幫助礦井下的新員工迅速逃生?；臼盏絹碜缘V井底部的認知無線通信發(fā)射模塊的信息，經(jīng)過集合分發(fā)通過網(wǎng)關(guān)傳送到地面監(jiān)控站的中心計算機控制模塊。這里網(wǎng)關(guān)負責協(xié)議的轉(zhuǎn)換，由礦井下的認知無線電通信網(wǎng)轉(zhuǎn)換到計算機網(wǎng)。中心計算機監(jiān)控模塊和基站之間采用光纖連接，加快信息的傳輸，讓地面監(jiān)控人員及時的了解礦井下的情況。中心計算機控制模塊除了有顯示模塊外，連接報警模塊非常有必要， 因為認為的疏忽會造成嚴重的后果，而報警模塊的加入，減少了人為因素的風險。如圖3所示，為光纖檢測模塊結(jié)構(gòu)示意圖，所述的光纖檢測模塊包括光纖氣體傳感器，如圖1所示，為光纖氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。光纖氣體傳感器包括氣室，氣室的一端設(shè)有反射鏡，氣室的另一端設(shè)有射入光纖和射出光纖，氣室上還設(shè)有氣體入口和氣體出口， 射入光纖連接半導體激光器，射出光纖連接光電轉(zhuǎn)換電路，光電轉(zhuǎn)換電路連接前置放大器， 前置放大器連接鎖相器，鎖相器連接濾波器，濾波器連接A/D轉(zhuǎn)換器。光纖氣體傳感器的原理是當某種物質(zhì)受到光束照射時，該物質(zhì)的分子就要吸收一部分能量并將其轉(zhuǎn)換為分子的震動和轉(zhuǎn)動能量。不同氣體分子結(jié)構(gòu)不同，對應(yīng)于不同的吸收光譜；同一種氣體不同濃度時，在同一吸收峰位置的吸收強度也不同。光通過被測氣體以后由于氣體的吸收會使光的強度發(fā)生衰減，輸出光強可用Beer - Lambert定律給出/= I^eaic式中，/為出射光強力入射光強，a為吸收系數(shù)，C為氣體濃度，I為光通過氣
體的長度。由此我們可以通過測量光強度的損耗計算氣體的濃度。吸收路徑的長度i對傳感器測量靈敏度的有很大的影響，盡可能的增加吸收路徑的長度，尤其是氣體濃度較大時， 更有利于提高傳感器測量的靈敏度。采用發(fā)射時氣室增加了吸收路徑的長度。半導體激光器選用分布反饋式半導體激光器，它是具有優(yōu)良選頻特性的單縱模激光器，而且能夠在更寬的工作溫度和工作電流范圍內(nèi)抑制在普通半導體激光器中常見的模式跳變，大大改善了噪音特性。另外光纖傳感中，外界環(huán)境因素對分布反饋式半導體激光器的激射光波長和譜線穩(wěn)定性的影響會導致傳感器的精度降低，因此采用相應(yīng)的溫控電路來保證光源的穩(wěn)定。溫控光路的基本思想是根據(jù)分布反饋式半導體激光器內(nèi)置的熱敏電阻的變化驅(qū)動制冷器工作，保證分布反饋式半導體激光器管芯的溫度保持不變，使得分布反饋式半導體激光器輸出功率穩(wěn)定。光纖氣體傳感器根據(jù)光強的變化得到瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ庑盘柍蔀榱送咚節(jié)舛刃畔⒌妮d體。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路(選用光電二極管)，光信號被轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。由于系統(tǒng)中要探測的光電流信號很微弱，前置放大器的增益必須很高。另外采用壓縮前置放大器的頻帶通帶的方法來降低噪聲，可以提高檢測時信號的動態(tài)范圍。鎖相器的作用是將光電轉(zhuǎn)換后的電信號里反映氣體濃度的二倍頻信號取出，以便于后續(xù)的信號處理。濾波器濾除不必要的頻率成分，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號。[0020]如圖4所示，為認知無線通信發(fā)射模塊硬件結(jié)構(gòu)圖，所述的認知無線通信發(fā)射模塊包括DSP模塊，DSP模塊的輸入端分別連接電源、光纖檢測模塊和ARM模塊，DSP模塊的輸出端分別連接濃度顯示模塊、語音提示模塊、ARM模塊、FPGA模和上變頻器，F(xiàn)PGA模塊連接上變頻器。DSP模塊選用TI公司的13TMS320VC5509A，主要負責與ARM模塊和FPGA模塊的數(shù)據(jù)交換以及上電后對板上的部分芯片進行初始化操作。ARM模塊選用ST公司的STR710FZ2， 它是基于工業(yè)標準ARM7TDMI內(nèi)核設(shè)計的，主要完成礦井下頻譜信息的感知、管理。FPGA模塊選用Altera公司的Cyclone〗系列，型號為EP2C50F484C8，負責對基帶信號進行調(diào)制。數(shù)字上變頻器(DDS)選用了 AD公司的AD9857，主要負責實現(xiàn)對FPGA輸出信號的數(shù)字上變頻和正交變換；電源模塊輸出整板所需要的各種電壓，主要使用的芯片是LT1117、LT1764EQ， 輸入為+5V和-5V電壓，輸出為數(shù)字電壓3. 3V、1. 2V、1. 6V、1. 8V，模擬電壓3. 3V。DSP模塊的一個串口連接光纖檢測模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器，一個串口連接濃度信息顯示模塊，一個語音串口連接語音提示模塊。在本系統(tǒng)中，主要的功能由DSP模塊、ARM模塊和FPGA模塊實現(xiàn)，DSP模塊的主要功能分為三個方面，首先，在上電時對系統(tǒng)上的相關(guān)芯片進行初始化操作，如串口、數(shù)字上變頻器。其次，對光纖檢測模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)進行處理，包括交織，組幀等工作，將數(shù)據(jù)處理成適合在信道上傳輸?shù)男问胶蟀l(fā)送給FPGA進行調(diào)制。另外DSP模塊還需要和ARM模塊進行交互，完成基于認知無線電的通信控制。ARM模塊的主要作用是尋找頻譜空洞，提供頻譜信息和發(fā)現(xiàn)干擾能夠合理退避。FPGA模塊主要完成對礦井下信息的調(diào)制工作。如圖5所示，為認知無線通信發(fā)射模塊軟件流程圖。首先，DSP模塊會初始化各個芯片，同時電源對各個芯片也開始上電，出現(xiàn)通信需求。ARM模塊通過對頻譜進行探測，與 DSP模塊進行信息交互。若存在可用頻譜，DSP模塊對瓦斯?jié)舛刃畔⑦M行編碼，經(jīng)FPGA模塊調(diào)制和數(shù)字上變頻器發(fā)射出去。若不存在可用頻譜，通信會終止，連接認知通信發(fā)射模塊的語音提示模塊會發(fā)出語音提示。當通信建立的過程中遇到干擾，會重新返回ARM模塊，ARM 模塊會繼續(xù)搜索可用頻譜，以達到通信的目的。認知無線通信發(fā)射模塊一方面將瓦斯?jié)舛刃畔⒔?jīng)過編碼調(diào)制后發(fā)送到地面上基站中，另一方面會將信息傳輸?shù)綕舛刃畔@示模塊， 根據(jù)不同的情況觸發(fā)濃度顯示模塊和語音提示模塊。地面上的基站經(jīng)過網(wǎng)關(guān)處理由光纜實時的傳輸?shù)降孛鏅z測站。地面檢測站的中心計算機控制模塊根據(jù)從井下傳送過來的瓦斯?jié)舛刃畔⒆龀鱿鄳?yīng)的動作，比如瓦斯?jié)舛冗^高時發(fā)出警報提示，開采時瓦斯?jié)舛韧蝗惶兊膱缶崾镜取?br> 權(quán)利要求1.一種瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)，包括位于井上的中心計算機控制模塊，中心計算機控制模塊分別連接顯示模塊、報警模塊以及網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)連接基站，基站連接接收天線，其特征在于，還包括位于井下的光纖檢測模塊，光纖檢測模塊連接認知無線通信發(fā)射模塊，認知無線通信發(fā)射模塊連接濃度顯示模塊和語音提示模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的光纖檢測模塊包括光纖氣體傳感器，光纖氣體傳感器包括氣室(1 )，氣室(1)的一端設(shè)有反射鏡(6)，氣室 (1)的另一端設(shè)有射入光纖(4)和射出光纖(5)，氣室(1)上還設(shè)有氣體入口(2)和氣體出口(3)，射入光纖(4)連接半導體激光器，射出光纖(5)連接光電轉(zhuǎn)換電路，光電轉(zhuǎn)換電路連接前置放大器，前置放大器連接鎖相器，鎖相器連接濾波器，濾波器連接A/D轉(zhuǎn)換器。
3.如權(quán)利要求1所述的瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的認知無線通信發(fā)射模塊包括DSP模塊，DSP模塊的輸入端分別連接電源、光纖檢測模塊和ARM模塊，DSP模塊的輸出端分別連接濃度顯示模塊、語音提示模塊、ARM模塊、FPGA模和上變頻器，F(xiàn)PGA模塊連接上變頻器。
專利摘要本實用新型涉及一種瓦斯?jié)舛葘崟r檢測系統(tǒng)，包括位于井上的中心計算機控制模塊，中心計算機控制模塊分別連接顯示模塊、報警模塊以及網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)連接基站，基站連接接收天線，其特征在于，還包括位于井下的光纖檢測模塊，光纖檢測模塊連接認知無線通信發(fā)射模塊，認知無線通信發(fā)射模塊連接濃度顯示模塊和語音提示模塊。本實用新型應(yīng)用了認知無線通信發(fā)射模塊，突破了有線傳輸模式維護不便和成本高的缺點。和現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)中無線通信模塊相比，認知模塊的傳輸距離和發(fā)射功率完全可以達到礦井的要求，從而整個礦井的通信暢通，而非某個巷道的通信暢通。
文檔編號G01N21/39GK202047867SQ20112009233
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者仇潤鶴, 呂朝, 安朝輝, 錢坤, 陳放 申請人:東華大學