CN106569255A - 一种基于无线传输的煤矿采场震源监测定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小体积、可移植、高稳定性、可无线传输的煤矿采场震源定位监测系统，包括矿震监测中心、信息汇聚节点以及震源定位监测终端三个部分。矿震监测中心主要由信息服务器、监测显示屏、打印机、音频功放器等设备组成；信息汇聚节点主要是将多个震源定位监测终端传来的数据进行分析、整理、汇总，最后上传到矿震监测中心。震源定位监测终端对震动信号数据进行采集、计算、处理，得到震源位置坐标、震源发生时间以及相应震级等信息。本系统实现了对煤矿采场震源目标位置的分布情况实现实时连续监测，根据震源定位信息及时发现震源位置。

Description

一种基于无线传输的煤矿采场震源监测定位系统

技术领域

本发明涉及一种基于无线传输的煤矿采场震源监测定位系统，具体涉及震源定位监测终端设计、无线传感器网络设计、信息汇聚节点设计以及上位机监测软件设计。

背景技术

在煤矿深部开采区，由于采煤对岩石造成巨大破坏，导致一系列灾害事故如冲击地压、瓦斯泄露、突水及顶底板破裂坍塌等频繁发生，这些灾害最直接的原因便是由于岩石破坏而造成的微震现象。微震突发性强，震源的测量范围广，矿井环境复杂、危险系数高，人们无法亲临控制检测设备来监测震源位置。传统的微震监测装置采用震源定位测量，使用光缆或电缆传输数据，铺设距离远、网络覆盖范围小、成本高，将耗费大量人力、物力和财力。因此针对测量煤矿采区地下震源的目标位置需要一套小体积、低功耗、可移植的地下震源定位测试系统来完成对采区震源的连续监测、定位、控制以及处理，根据监测震动信号发生规律对震源进行定位和预测，及时快速发现震源位置，预防灾害事故，解决灾害隐患，保障煤矿工作人员人身安全以及减少设备物资损害。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种小体积、低功耗、高稳定性、可移植的煤矿采场震源定位监测系统及其相关硬件构架，实现对采场震源目标位置的分布情况实现实时连续监测，实现监测中心与震源监测定位终端快速而准确的传输数据，及时发现震源位置。

为了实现上述目的，一种基于无线传输的煤矿采场震源监测定位系统，主要可以分为矿震监测中心、信息汇聚节点以及震源定位监测终端三个部分。通信网关、信息汇聚节点以及矿震定位监测终端组成了本系统的无线传感器网络。矿震监测中心主要由上位机、打印机、音频功放器等设备组成，上位机主要包含信息服务器和监测显示屏，矿震监测中心接入煤矿通信网络；煤矿局域通信网络通过通信网关与定位监测系统的无线传感器网络相连接；信息汇聚节点主要是将多个震源定位监测终端传来的数据进行分析、整理、汇总，最后上传到矿震监测中心。震源定位监测终端分布于矿井上与矿井下，在放置时根据采场实际情况进行安置，并对每个定位监测终端位置进行记录和命名。井上和井下分别设置一个信息汇聚节点负责多个监测定位终端的无线数据传输与处理，实现对各终端控制区域下的震动信号数据的采集，并将采集到的数据进行计算处理，得到震源位置坐标、震源发生时间以及相应震级等信息。

所述矿震监测中心主要由上位机、打印机、音频功放器等设备组成，上位机主要包含信息服务器和监测显示屏，监测中心从煤矿通信网络接收来自震源定位监测终端发送的数据，通过数据库系统存储、分析和汇总数据，通过监测软件的可视化界面实时显示播报震源信息。上位机上安装矿震监测系统的组态软件，具有数据采集、参数配置、数据处理、数据显示、用户管理五大功能。

矿震监测中心的上位机具有紧急报警功能，能设置通信网关的IP地址，矿震监测中心与震源定位监测终端之间通过信息汇聚节点广播消息。

音频功放器用于播报紧急震情信息，实现预警报警。

打印机可以打印矿震软件导出的矿震信息excel表格。

所述信息汇聚节点以微控制器单元STM32F103VET6为核心，外接无线收发模块CC2530、扩展485接口、以太网接口模块、编程接口模块、液晶显示屏、声光报警模块、时钟电路以及电源模块等。分别于井下和井上各设置一个信息汇聚节点，分别负责汇总井下和井上震源定位监测终端采集的震动信号。

STM32F103VET6的供电电压2.0V至3.6V，内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。

无线收发模块CC2530满足IEEE802.15.4网络标准协议，以8051单片机为内核。

以太网接口模块采用W5500控制器与STM32控制单元的SPI接口相接，用于煤矿通信网络与信息汇聚节点之间的通信。

液晶显示采用LCD12864的显示屏，采用串口方式进行数据传输，显示屏用于显示经过去噪、滤波、初至波提取之后震源信号数据。

声光报警模块采用LED指示灯和蜂蜜器发出震源震情超过阈值的报警预警信号。

汇聚节点的时钟电路，便于执行时间同步机制。

电源模块采用CR2025纽扣电池进行供电。

所述煤矿采场震源定位监测终端由CC2530为核心控制器，具有加速度传感器、数据采集器、WT588D语音模块、LCD液晶屏、CC2530无线收发模块、扩展PC104接口模块、扩展RS-232接口模块、GPS授时模块以及电源模块等。煤矿采场震源定位终端于煤矿采区井上和井下各有分布，它们通过加速度传感器对震源信号进行采集，再通过数据采集模块进行放大、滤波、采样、量化、编码转换成数字信号传入控制单元。CC2530控制单元将电信号转换成满足IEEE802.15.4 标准的无线信号发送到信息汇聚节点。

加速度传感器使用三分量力平衡式加速度传感器GT41-3，三分量力平衡加速度传感器相互垂直地安装了三个单分量传感器，可以同时测试南北方向（NS）、东西方向（EW）和上下方向（UD）的振动。它可以准确的测量各种低频振动信号以及大地脉动信号，使用温度范围为-25℃~+40℃。

数据采集器选用ART2153 型16 位32 通道数据采集卡作为震源监测定位终端的数据采集器，具有多路选择开关、前置放大器和A/D 转换三部分，采用PC104总线技术。

WT588D语音模块，当上位机监测到震源定位终端发生故障需要检修时，向终端发送指令，终端收到信息将会通过语音模块发出，便于检修人员快速确认震源定位监测终端的位置。

GPS授时模块采用NV-GPS OEM应用板，支持串口通讯协议，采用RS-232总线通信。

定位终端电源模块也采用CR2025纽扣电池供电。

本发明，所述矿震监测中心是整个监测系统的控制核心与运算核心，其监测中心具有数据采集、参数配置、数据处理、数据显示、用户管理和其他特殊功能；所述信息汇聚节点采用STM32F103VET6作为数据处理、汇总、传输的控制器，具有外接无线收发模块CC2530、扩展485接口、以太网接口模块、编程接口模块、液晶显示屏、声光报警模块、时钟电路以及电源模块等。信息汇聚节点1位于煤矿采区井上，信息汇聚节点2位于井下，它们分别负责将井上和井下的震源定位监测终端采集和发送过来的数据进行转换、处理、存储并发送到矿震监测中心。信息汇聚节点作为网络协调器来实现震源定位监测系统的组网，控制传感器网络的运行，控制广播消息，实现信息的就地显示与报警，并且可以测量信息的通信。它将震源定位监测终端采集的震源信息实时传到煤矿通信网络，最终传达到信息服务器完成相应设定。

所述煤矿采场震源定位监测终端由CC2530为核心控制器，具有加速度传感器、数据采集器、WT588D语音模块、LCD液晶屏、CC2530无线收发模块、扩展PC104接口模块、扩展RS-232接口模块、GPS授时模块以及电源模块等。它的作用主要是对煤矿采区发生的震动信号进行采集和监测，将采集的震动信号进行处理，并起到路由器的功能，转发其它矿震定位监测终端的数据，信息最终传到汇聚节点。监测终端采用PC104总线进行通讯，采用串行通讯进行同步授时。震源定位监测终端、信息汇聚节点以及通信网关组成了矿震定位监测系统的无线传感器网络。

震源信号采用牛顿迭代算法进行数据处理，采用数学建模计算初至波的相关性、时间差叠加、震动信号传播角度等数据，最终推算出震源信号的三维坐标位置、震源发生时间和震情级数。无线传感器网络中使用一种多跳自组织可休眠路由算法，节点按照约定的时间和周期完成组网、数据采集、传输、休眠、同步等操作，下行使用洪泛路由算法，向周围节点广播消息，快速扩散控制消息；上行传输使用定向扩散路由算法，向上行节点发送数据，确保精确传递数据消息；从而实现监测中心与震源定位监测终端的同步双向通信，实现对煤矿采区震源信号的实时连续地监测与预测，根据定位发生震动信号的区域的数据计算和处理，确定矿震高发区，提前做好安全措施，确保煤矿开采安全。

附图说明

图1为本发明煤矿采场震源监测定位系统的示意图。

图2为本发明煤矿采场震源监测定位系统信息汇聚节点的硬件构架图。

图3为本发明煤矿采场震源监测定位系统震源定位监测终端的硬件构架图。

图4为本发明煤矿采场震源监测定位系统的上位机软件的震情数据显示主界面图。

图5为本发明煤矿采场震源监测定位系统的上位机软件的系统配置界面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明煤矿采场震源监测系统的示意图；如图1所示，煤矿采场震源监测系统，划分为矿震监控中心、信息汇聚节点以及震源定位监测终端三个部分。矿震监测中心主要由信息服务器、监测显示屏、打印机、音频功放器等设备组成，矿震监控中心接入煤矿通信网络；通信网关、信息汇聚节点与震源定位监测终端组成了矿震定位监测系统的无线传感器网络；信息汇聚节点有两个，一个负责井上的数据传输，一个负责井下。煤矿采区井上和井下都设有多个震源定位监测终端，用于采集震动信号，并对其进行处理。

所述矿震监测中心的上位机安装有相应的组态软件，可实现与汇聚节点双向数据传输与消息广播，具有数据采集、参数配置、数据处理、数据显示、用户管理等功能，管理并控制着该矿震定位监测系统的工作模式及工作参数。其中“数据采集”主要是由矿震定位监测终端通过数据采集卡的接口函数完成震源数据的采集工作并进行滤波处理。“参数配置”主要是矿震定位监测系统中涉及的参数设置，包含矿震数据库配置、用户管理配置、信息服务器配置、监测终端参数设置、远程终端实时监测以及远程终端操作。“数据处理”是矿震监测定位系统的重要组成部分，它负责识别矿震信号数据和传感器坐标数据，对矿震信号初至波进行分析提取初至波时刻，利用牛顿迭代定理算法计算出震源位置。“数据显示”采用列表形式显示矿震定位终端名称、震情阈值、终端坐标、震源信息以及相关操作等信息。该界面还采用曲线图反映矿震震级的变化趋势，采用柱形统计图统计矿震每日、每月、每季度以及每年发生的次数，分析判断矿震发生的规律，采用建立神经网络模型计算对矿震发生进行预测。“用户管理”主要涉及上位机监测软件的登录权限设置等信息。

所述信息汇聚节点管理和控制震源定位监测终端，提供RS485通信接口，具有声光报警、信息处理、连接通信、数据显示的功能。该汇聚节点将通过显示屏用于显示经过去噪、滤波、初至波提取之后震源信号数据。当震源信号级数高于系统设定的震级阈值，接通电铃与指示灯进行声光报警。同时将该组震源信息继续传达到信息服务器进行处理，当信息服务器传来对应控制消息，则汇聚节点向震源定位监测终端传播控制消息。

所述煤矿采场震源定位监测终端由CC2530为核心控制器，具有加速度传感器、数据采集器、GPS授时模块等。它起到路由器的功能，转发其它监测终端的数据，传到汇聚节点，同时具备休眠和功耗控制功能。加速度传感器使用三分量力平衡式加速度传感器GT41-3，数据采集器选用ART2153 型16 位32 通道数据采集卡，采用PC104总线技术。GPS授时模块采用NV-GPS OEM应用板，支持串口通讯协议，采用RS-232总线通信。震源定位终端于煤矿采区井上和井下各有分布，它们通过加速度传感器对震源信号进行采集，再通过数据采集模块进行放大、滤波、采样、量化、编码转换成数字信号传入控制单元。

图2为本发明煤矿采场震源监测定位系统信息汇聚节点的硬件构架图；如图2所示，所述信息汇聚节点以微控制器单元STM32F103VET6为核心，外接无线收发模块CC2530、扩展485接口、以太网接口模块、编程接口模块、液晶显示屏、声光报警模块、时钟电路以及电源模块等。分别于井下和井上各设置一个信息汇聚节点，分别负责汇总井下和井上震源定位监测终端采集的震动信号。

汇聚节点由上位机进行通信设定参数，若未相连则设置默认值。汇聚节点初始化后等待震源定位监测终端传送数据，当数据传送过来，建立路由启动无线网络发送组网消息。发送成功后继续进入等待，等待时间不超过最大值，超过即本次传送结束。进入休眠状态，直到下次传送数据到来。

图3为本发明煤矿采场震源监测定位系统震源定位监测终端的硬件构架图；如图3所示，所述震源定位监测终端由CC2530为核心控制器，具有加速度传感器、数据采集器、WT588D语音模块、LCD液晶屏、CC2530无线收发模块、扩展PC104接口模块、扩展RS-232接口模块、GPS授时模块以及电源模块等。震源定位终端于煤矿采区井上和井下各有分布，它们通过加速度传感器对震源信号进行采集，再通过数据采集模块进行放大、滤波、采样、量化、编码转换成数字信号传入控制单元。CC2530控制单元将电信号转换成满足IEEE802.15.4标准的无线信号发送到汇聚节点。

煤矿采场震源定位监测终端通过编程接口进行程序烧写，烧写程序之后对各个部门模块进行初始化，进行无线网络参数的配置。采集到的震源数据通过接口函数进行放大、滤波、去噪等处理，把模拟信号转换成数字信号送入控制器单元。

图4为本发明煤矿采场震源监测定位系统的上位机软件的震情数据显示主界面图。如图4所示，设计上位机软件的界面包含震情实时显示、数据处理、系统配置、数据管理和其他功能，可任意切换主菜单显示，系统可设置管理登录权限。该界面中“震情实时显示”界面以列表形式显示震源定位监测终端号、终端震级阈值、终端坐标位置、震源信息、震动信号以及相关操作等信息，该系统仿真时各终端的震级阈值通过定位终端的坐标位置进行计算得到，将得到的各定位终端实时震源数据与主机设定的各定位终端阈值进行对比，高于设定值则认为是可引发事故的矿震波，并在列表的震源信息栏显示出震源坐标、震源发生时间、震级等信息。通过“数据处理”功能是通过震源定位数学模型的建模计算，采用牛顿迭代定理算法计算最终得到的三维震源坐标、震情持续时间以及震情波形。采用曲线图反映矿震震级的变化趋势，采用柱形统计图统计矿震每日、每月、每季度以及每年发生的次数，分析判断矿震发生的规律，及时对矿震发生进行预测。

图5为本发明煤矿采场震源监测定位系统的上位机软件的系统配置界面图；在“系统配置”界面下可以进行矿震数据库配置、用户管理配置、信息服务器设置、监测终端参数设置，还可以控制远程终端操作，对远程终端的运行状态进行实时监测。远程定位监测终端参数设置包含采集参数的设置和通信参数的设置。通过上位机软件的控制，我们可以实时掌握煤矿采区的矿震变化，及时确定危险地点，保障采矿安全。

综上，本系统及其相关硬件架构采用无线传感网络构架在硬件上可以减少安装部署的体积，成本低、易于维护，且具有可移植性。本系统将井上和井下数据分开汇总，方便数据处理和快速传输。软件上采用的一种多跳自组织可休眠路由算法可以降低功耗，实现时间同步，由此本系统可以很方便的实现对煤矿采场的矿震信号进行实时连续监测，预测灾害事故，从而及时发现煤矿开采隐患，保障煤矿生产安全。

Claims (9)

1.一种基于无线传输的煤矿采场震源定位监测系统，包括矿震监测中心、信息汇聚节点以及震源定位监测终端三个部分；通信网关、信息汇聚节点以及矿震定位监测终端组成了本系统的无线传感器网络；矿震监测中心主要由上位机、打印机、音频功放器等设备组成，上位机包含信息服务器、监测显示屏组成，矿震监测中心接入煤矿通信网络；信息汇聚节点主要是将多个震源定位监测终端传来的数据进行分析、整理、汇总，最后上传到矿震监测中心；震源定位监测终端分布于矿井上与矿井下，实现对各终端控制区域下的震动信号数据的采集，并将采集到的数据进行计算处理，得到震源位置坐标、震源发生时间以及相应震级等信息；井上和井下分别设置一个信息汇聚节点负责多个监测定位终端的无线数据传输与处理；

所述信息汇聚节点以微控制器单元STM32F103VET6为核心，外接无线收发模块CC2530、扩展485接口、以太网接口模块、编程接口模块、液晶显示屏、声光报警模块、时钟电路以及电源模块等；

所述震源定位监测终端由CC2530为核心控制器，具有加速度传感器、数据采集器、WT588D语音模块、LCD液晶屏、CC2530无线收发模块、扩展PC104接口模块、扩展RS-232接口模块、GPS授时模块以及电源模块等。

2.根据权利要求1所述的煤矿采场震源定位监测系统，其特征在于：所述矿震监测中心的上位机安装有相应的组态软件，可实现与汇聚节点双向数据传输与消息广播，具有数据采集、参数配置、数据处理、数据显示、用户管理等功能，管理并控制着该矿震定位监测系统的工作模式及工作参数。

3.根据权利要求1所述的煤矿采场震源定位监测系统，其特征在于：上位机能设置通信网关的IP地址，矿震监测中心与震源定位监测终端之间通过信息汇聚节点广播消息。

4.根据权利要求1所述的煤矿采场震源定位监测系统，其特征在于：所述信息汇聚节点以微控制器单元STM32F103VET6为核心，外接无线收发模块CC2530、扩展485接口、以太网接口模块、编程接口模块、液晶显示屏、声光报警模块、时钟电路以及电源模块等。

5.根据权利要求4所述的信息汇聚节点，其特征在于：外接无线收发模块CC2530，满足IEEE802.15.4网络标准协议，以8051单片机为内核。

6.根据权利要求4所述的信息汇聚节点，其特征在于：扩展以太网接口模块采用W5500控制器与STM32控制单元的SPI接口相接，用于煤矿通信网络与信息汇聚节点之间的通信。

7.根据权利要求1所述的煤矿采场震源定位监测系统，其特征在于：所述震源定位监测终端由CC2530为核心控制器，具有加速度传感器、数据采集器、WT588D语音模块、LCD液晶屏、CC2530无线收发模块、扩展PC104接口模块、扩展RS-232接口模块、GPS授时模块以及电源模块等。

8.根据权利要求7所述的煤矿采场震源定位监测终端，其特征在于：加速度传感器使用三分量力平衡式加速度传感器GT41-3，三分量力平衡加速度传感器相互垂直地安装了三个单分量传感器，可以同时测试南北方向（NS）、东西方向（EW）和上下方向（UD）的振动。

9.根据权利要求7所述的煤矿采场震源定位监测终端，其特征在于：GPS授时模块采用；NV-GPS OEM应用板，支持串口通讯协议，采用RS-232总线通信；终端电源模块也采用CR2025纽扣电池供电。