[发明专利]基于风致振动压电能量自供能的矿井WSN安全监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及矿井无线监测技术领域，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。

背景技术

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的发明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的发明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。

发明内容

本发明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，本发明采用的技术方案为：

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。