一種多功能安全監(jiān)控裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多功能安全監(jiān)控裝置，涉及物聯(lián)網(wǎng)通信技術中的煤礦安全領域。本發(fā)明結(jié)合SAW?RFID技術的特點及優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的基于電子標簽的RFID系統(tǒng)相比，它可以快速精確地讀取被測物體的ID信息和溫度等信息，并且能在高溫差、高濕度、強電磁干擾的環(huán)境下正常工作。多功能SAW標簽由6個不同中心頻率、壓電基片、敏感薄膜的小標簽組成，信號收發(fā)模塊采用輪詢方式，依次循環(huán)地與每個小標簽進行通信，在很短時間內(nèi)同時對ID、溫度、壓力、加速度、氣體濃度、濕度6種參量進行實時動態(tài)監(jiān)測，并在達到一定的危險值時，發(fā)出警告信號。真正地實現(xiàn)井下礦工人員定位、設備及工作環(huán)境多功能監(jiān)測，為煤礦安全生產(chǎn)提供了更可靠的保障。
【專利說明】一種多功能安全監(jiān)控裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)通信技術中的煤礦安全領域，尤其涉及一種人員定位和環(huán)境、設備監(jiān)測方法，適用于煤礦安全綜合監(jiān)管系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，煤炭的需求量也在逐年遞增。在煤炭工業(yè)為我國經(jīng)濟發(fā)展做出巨大貢獻的同時，頻繁發(fā)生的礦難事故也嚴重威脅到礦工的生命，據(jù)統(tǒng)計2012年煤礦的百萬噸死亡率為0.374，造成了極大的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。
[0003]目前我國煤礦的“六大系統(tǒng)”基本建設完畢，但在實際應用過程中，各系統(tǒng)之間都還是相互獨立運行，數(shù)據(jù)無法共享，煤礦安全監(jiān)管依然處于低水平、單一化的現(xiàn)狀，存在許多不足。針對煤礦領域的現(xiàn)狀及問題，已經(jīng)有人提出了基于RFID的煤礦井下人員定位系統(tǒng)(LI Zi, JIANG Hui Qiang ;“A Kind of Person Position System in Coal Mine Based onRFID”，MICROPROCESSORS, N0.3，JUNE2012),該系統(tǒng)利用RFID技術對電子標簽進行識別，實現(xiàn)對井下礦工的定位和考勤管理，但無法對設備信息及工作環(huán)境實時監(jiān)測，且電子標簽的使用受到周圍環(huán)境的限制。為了解決這個問題，本發(fā)明提出了一種多功能安全監(jiān)控裝置，對人員定位、環(huán)境參數(shù)(瓦斯?jié)舛取穸?、溫度?、設備指標(壓力、溫度、加速度等)等礦井安全數(shù)據(jù)進行動態(tài)實時監(jiān)管，實現(xiàn)常年有序、真實有效、信息網(wǎng)絡化的綜合管理管控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對以上現(xiàn)有技術中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種對井下礦工定位，實時監(jiān)測多種環(huán)境參數(shù)、煤礦設備的工作指標，并對這些安全數(shù)據(jù)進行傳輸、顯示及報警等處理多功能安全監(jiān)控裝置。本發(fā)明的技術方案如下:
[0005]—種多功能安全監(jiān)控裝置，其特征在于包括:多功能表面聲波傳感器SAW標簽、信號發(fā)送/接受模塊、信號處理模塊、電源時鐘模塊、顯示模塊、報警模塊、外設接口模塊及上位機；其中
[0006]所述多功能表面聲波傳感器SAW標簽包括單通道表面聲波傳感器SAW及雙通道表面聲波傳感器SAW ;所述單通道表面聲波傳感器SAW包括天線、叉指換能器、壓電基片及反射柵，當天線接收到信號發(fā)送/接受模塊發(fā)送來的詢問信號時，叉指換能器產(chǎn)生聲表面波，所述壓電基片使聲表面波發(fā)生頻偏，反射柵將發(fā)生頻偏的聲表面波反射回波信號給信號處理模塊進行解碼；
[0007]所述雙通道表面聲波傳感器SAW包括天線、叉指換能器、選擇性敏感薄膜、壓電基片、反射柵、方向耦合器及混頻器，當天線接收到信號發(fā)送/接受模塊發(fā)送來的詢問信號時，叉指換能器產(chǎn)生聲表面波，所述壓電基片使聲表面波發(fā)生頻偏，選擇性敏感薄膜對頻偏值進行測量，并經(jīng)過方向耦合器、混頻器的補償，反射柵將發(fā)生頻偏的聲表面波反射回波信號給信號處理模塊進行解碼；
[0008]所述電源時鐘模塊分別與信號發(fā)送/接受模塊、信號處理模塊相連接并供電；[0009]所述信號處理模塊將解碼后的信息通過顯示模塊顯示，當超過設定值時則通過報警模塊報警；
[0010]所述信號處理模塊通過外設接口模塊與上位機相連接。
[0011]進一步的，所述雙通道表面聲波傳感器SAW還具有低通濾波器LPF，所述低通濾波器LPF與混頻器相連接對補償后的回波信號進行濾波處理再發(fā)送給信號處理模塊。
[0012]進一步的，所述多功能表面聲波傳感器SAW標簽包括4個單通道表面聲波傳感器SAff及2個雙通道表面聲波傳感器SAW，其中4個單通道表面聲波傳感器SAW之間設置有隔離帶，2個雙通道表面聲波傳感器SAW也設置有隔離帶。
[0013]進一步的，所述單通道表面聲波傳感器SAW包括ID標簽、溫度標簽、壓力標簽、力口速度標簽；所述雙通道表面聲波傳感器SAW包括氣體濃度標簽、濕度標簽。
[0014]進一步的，所述信號發(fā)送/接受模塊采用輪詢方式對多功能表面聲波傳感器SAW標簽進行通信，
[0015]進一步的，所述信號處理模塊的接口還設置有外擴存儲模塊。
[0016]進一步的，所述信號處理模塊采用DSP處理器對多功能表面聲波傳感器SAW標簽反射回的回波信號進行處理，并采用FFT算法計算出頻偏Λ f。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下:
[0018]本發(fā)明主要由多功能SAW標簽、信號發(fā)送/接受模塊、信號處理模塊，以及電源時鐘,顯示報警等功能模塊。多功能SAW標簽內(nèi)部由6個不同中心頻率的小標簽組成，分別有單獨的天線與信號收發(fā)模塊進行通信，實現(xiàn)了 ID識別，氣體濃度、溫度、濕度、壓力和加速度的實時監(jiān)管，應用了頻分多址技術，同一時刻只有一個小標簽在工作，互不影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例涉及的SAW傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖2為本發(fā)明優(yōu)選實施例改進后的雙通道SAW傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖3為本發(fā)明優(yōu)選實施例多功能安全監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖給出一個非限定性的實施例對本發(fā)明作進一步的闡述。但是應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。
[0023]如圖1所示，傳統(tǒng)的SAW傳感器由天線、叉指換能器、壓電基片、反射柵組成，天線接受到信號收發(fā)模塊發(fā)射的詢問信號后，叉指換能器產(chǎn)生聲表面波，當被測物體的溫度、壓力等發(fā)生變化時，聲表面波發(fā)生頻偏，根據(jù)頻偏值可以計算出溫度、壓力等的變化值。反射柵按某種特定規(guī)律設計，反射回來回波信號攜帶有該物體的特定編碼，信號處理模塊再進行解碼處理，達到自動識別的目的。本發(fā)明中以不同物理成分的壓電單晶作為壓電基片，使其分別只對溫度、壓力等敏感，構(gòu)成不同功能的小標簽，到達測量溫度、壓力及加速度的目的。
[0024]改進后的雙通道SAW傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。在雙通道SAW傳感器結(jié)構(gòu)中，一個通道的SAW傳播路徑被選擇性敏感薄膜覆蓋用于測量，另一通道未覆蓋薄膜而用于參考。兩個振蕩率經(jīng)差頻輸出，從而得到了對環(huán)境因素補償后的頻移響應。本發(fā)明中分別使用了對氣體濃度(瓦斯)、濕度敏感的敏感薄膜，構(gòu)成測試氣體濃度、濕度的小標簽，到達測量氣體濃度及濕度的目的。
[0025]如圖3所示，多功能SAW標簽根據(jù)測試量的區(qū)別可分為6個小模塊，記為小標簽
1、2、3、4、5、6，分別用來監(jiān)測ID、溫度、壓力、加速度、氣體濃度、濕度，中心頻率分別設定為910、912、914、915、917、918MHz。每個小標簽之間是隔離帶，使其互不影響。小標簽5、6采用圖2所示的雙通道結(jié)構(gòu)，小標簽5用的是對某種氣體敏感薄膜，小標簽6用的是對濕度敏感薄膜。其他4個小標簽采用圖1所示的基本結(jié)構(gòu)，用石英等壓電單晶作為壓電基片，由于每種壓電單晶的結(jié)構(gòu)成分有所差別，使其分別對溫度、壓力、加速度等物理參量敏感。信號發(fā)射模塊每隔50ms就向多功能SAW標簽放送一定頻率的射頻信號。在t=0ms時刻發(fā)送910MHz的射頻詢問信號，多功能標簽在可識別的范圍(約5?IOm)內(nèi)時，有且只有小標簽I (中心頻率和射頻信號頻率相同)可以通過天線接受到該詢問信號，接受模塊再從多功能標簽返回的回波信號中解碼出ID信息，每個人員攜帶的標簽中的ID都不一樣，從而通過ID識別達到了人員定位的目的。接著在t=50ms時刻發(fā)送912MHz的詢問信號，同理只有小標簽2能識別到該詢問信號，當被測物體的溫度發(fā)生變化時，聲表面波發(fā)生頻偏，信號處理模塊從回波信號中通過基于FFT算法計算頻偏值，根據(jù)擾動理論，表面擾動對聲表面波的傳播速度產(chǎn)生影響，得到波速或與波速相關的物理量(相位、頻率等)的改變量，就可以得知被測物體的改變量，可表示為Λ t( Λ P,...，Λ a) = λ.Δ f (λ中所有的變量都是已知確定值和可測變量)，所以根據(jù)頻偏值就可算出溫度變化值。同理可知，在t=100、t=150ms、t=200ms、t=250ms、t=300ms時刻，小標簽3、4、5、6分別接收到發(fā)射模塊發(fā)送過來的與各自中心頻率相等的詢問信號，根據(jù)頻偏值可以得到壓力、加速度、氣體濃度、濕度的變化值，需要指出的是小標簽5、6的回波信號就是頻偏值，信號處理模塊不需要利用FFT算法來計算頻偏。因此，在300ms內(nèi)信號收發(fā)模塊完成了一次與多功能SAW標簽的通信，對ID、溫度、壓力、加速度、氣體濃度、濕度進行實時監(jiān)測。在下個300ms內(nèi)重復了之前的工作過程，采用輪
詢方式，依次循環(huán)地與每個小標簽進行通信。這樣，每隔300ms對小標簽I (2......6)進
行了一次詢問，動態(tài)更新了 ID (溫度.....濕度)，由于時間非常短，看起來就像同時對各個
小標簽進行詢問，實時動態(tài)地監(jiān)測了 ID、溫度等。信號處理模塊主要控制信號收發(fā)模塊進行完成射頻信號的發(fā)送，以及對接收的回波信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、解碼、傳送等處理。顯示模塊實時動態(tài)地顯示ID、溫度、壓力、加速度、氣體濃度、濕度6種監(jiān)測值。通過串口、網(wǎng)口等外設接口模塊，實時把數(shù)據(jù)上傳到上位機，同時上位機也可以對信號處理模塊進行相關的控制，當溫度、氣體濃度等被測環(huán)境變量達到一定的危險值時，發(fā)出警告信號。電源/時鐘模塊為信號收發(fā)和處理兩大模塊提供穩(wěn)定電源和工作時鐘。外擴存儲模塊擴展了程序和數(shù)據(jù)存儲空間，緩解了信號處理模塊的壓力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0026]以上這些實施例應理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明多功能安全監(jiān)控裝置權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多功能安全監(jiān)控裝置，其特征在于包括:多功能表面聲波傳感器SAW標簽(I)、信號發(fā)送/接受模塊(2)、信號處理模塊(3)、電源時鐘模塊(4)、顯示模塊(5)、報警模塊(6)、外設接口模塊(7)及上位機⑶；其中 所述多功能表面聲波傳感器SAW標簽(I)包括單通道表面聲波傳感器SAW(1-1)及雙通道表面聲波傳感器SAW(1-2);所述單通道表面聲波傳感器SAW(1-1)包括天線、叉指換能器、壓電基片及反射柵，當天線接收到信號發(fā)送/接受模塊(2)發(fā)送來的詢問信號時，叉指換能器產(chǎn)生聲表面波，所述壓電基片使聲表面波發(fā)生頻偏，反射柵將發(fā)生頻偏的聲表面波反射回波信號給信號處理模塊(3)進行解碼； 所述雙通道表面聲波傳感器SAW(1-2)包括天線、叉指換能器、選擇性敏感薄膜、壓電基片、反射柵、方向耦合器及混頻器，當天線接收到信號發(fā)送/接受模塊(2)發(fā)送來的詢問信號時，叉指換能器產(chǎn)生聲表面波，所述壓電基片使聲表面波發(fā)生頻偏，選擇性敏感薄膜對頻偏值進行測量，并經(jīng)過方向耦合器、混頻器的補償，反射柵將發(fā)生頻偏的聲表面波反射回波信號給信號處理模塊(3)進行解碼； 所述電源時鐘模塊(4)分別與信號發(fā)送/接受模塊(2)、信號處理模塊(3)相連接并供電； 所述信號處理模塊(3)將解碼后的信息通過顯示模塊(5)顯示，當超過設定值時則通過報警模塊報警(6)； 所述信號處理模塊(3)通過外設接口模塊(7)與上位機(8)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能安全監(jiān)控裝置，其特征在于:所述雙通道表面聲波傳感器SAW(l-2)還具有低通濾波器LPF，所述低通濾波器LPF與混頻器相連接對補償后的回波信號進行濾波處理再發(fā)送給信號處理模塊(3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能安全監(jiān)控裝置，其特征在于:所述多功能表面聲波傳感器SAW標簽(I)包括4個單通道表面聲波傳感器SAW(1-1)及2個雙通道表面聲波傳感器SAW(l-2)，其中4個單通道表面聲波傳感器SAW(1-1)之間設置有隔離帶，2個雙通道表面聲波傳感器SAW(l-2)也設置有隔離帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能安全監(jiān)控裝置，其特征在于:所述單通道表面聲波傳感器SAW(1-1)包括ID標簽、溫度標簽、壓力標簽、加速度標簽；所述雙通道表面聲波傳感器SAff(1-2)包括氣體濃度標簽、濕度標簽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的多功能安全監(jiān)控裝置，其特征在于:所述信號發(fā)送/接受模塊(2)采用輪詢方式對多功能表面聲波傳感器SAW標簽(I)進行通信。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能安全監(jiān)控裝置，其特征在于:所述信號處理模塊(3)的接口還設置有外擴存儲模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能安全監(jiān)控裝置，其特征在于:所述信號處理模塊(3)采用DSP處理器對多功能表面聲波傳感器SAW標簽(I)反射回的回波信號進行處理，并采用FFT算法計算出頻偏Af。
【文檔編號】G01D5/48GK103512600SQ201310489310
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月18日
【發(fā)明者】黃 俊, 吳福海, 冷芋均, 朱江龍 申請人:重慶郵電大學