一種基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置。該裝置包括傳感器、微處理控制器、SD卡、報警指示燈、液晶顯示屏、無線路由器、4G網卡、網絡擴展板、移動電源、機殼以及開放的物聯網平臺。通過移動電源為機殼內的各設備供電。風機振動信號經傳感器采集后送與微處理器分析處理，并分別送入SD卡，液晶顯示器，現場PC機與物聯網平臺。該裝置具有便攜性，可靈活安置于風機現場，且充分利用微處理控制器的數據處理能力，對風機狀態做初步判斷，既可為現場工作人員提供故障診斷參考，同時又能傳輸數據至開放的網絡平臺，供專家與相關專業技術人員對風機狀態及故障做深層次分析，解決了只能在單一服務器上查詢和分析數據的問題。
【專利說明】
一種基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置，具體是一 種主要獲取礦井風機運轉中振動信號并傳輸至開放式物聯網平臺供下載分析使用的采集 及遠程傳輸裝置。
【背景技術】
[0002] 礦井風機是用于向井下輸送新鮮空氣，并將有毒有害氣體及粉塵從井下帶走，保 證井下工作順利進行及工作人員的人身安全。煤礦通風機作為通風系統中至關重要的機械 設備，其工作狀態正常與否嚴重影響著礦井通風質量。據統計，70%以上的煤礦事故是由于 通風設備出現故障致使通風不良，通風管理不善等原因造成的，而煤礦事故的發生不僅會 給企業帶來經濟損失，嚴重時更會危及工作人員的生命安全，產生惡劣的社會影響。我國故 障診斷技術近些年發展迅速，從開始的依靠工人的經驗，憑眼看、手摸、耳聽監視設備的運 行狀態，到依靠檢測儀表及相關軟硬件分析裝置，再到現在在線監測與故障診斷技術。但由 于大部分礦山機械所處環境復雜偏遠，致使風機現場的傳感器難以合理有效的布置與傳輸 信號，而且礦山普遍偏離市區，通常不能保證現場具有可靠通信的互聯網信號，使得專家與 相關技術人員不能即時獲得檢測到的傳感器信號，從而難以對風機的運行狀態做出準確及 時的判斷，難以使風機故障診斷系統發揮真正的作用。
【發明內容】
[0003] 本發明目的在于將現場檢測的風機振動傳感器信號通過微型處理器進行采集及 預處理，以簡化風機現場的傳感器布線工作及采集所需的采集卡及工業控制計算機等較大 型設備;通過3G無線網絡將傳感器信號發布至物聯網，解決了只能在現場計算機上查詢和 分析數據的問題，為專家和專業技術人員提供實時可靠的傳感器數據，以便于其準確及時 的對風機運行狀態做出判斷。
[0004] 為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案是：
[0005] -種基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置，包括傳感器、微處理 控制器、信號采集單元、無線路由器、無線網卡、網絡擴展板、SD卡、SD卡接口板、液晶顯示 屏、移動電源、機殼及開放的物聯網平臺。其中所述的傳感器負責將礦機風機的振動信號傳 輸至信號采集單元。所述信號采集單元接受傳感器信號，完成信號采集及預處理，并在微處 理器的控制下完成的數據的緩存、分析處理、狀態顯示、報警、遠程數據傳輸及本地存儲。
[0006] 所述傳感器為振動速度傳感器與鍵相信號傳感器，其中：振動傳感器獲取風機振 動模擬數據，選擇風機電機輸出端、風機轉子前端和后端作為振動監測點，每點分別設置橫 向和縱向監測點；鍵相信號傳感器采用霍爾式接近開關，將鍵相傳感器置于電機輸出軸部 位，以獲取風機轉動的鍵相信號，觸發采集程序。
[0007] 所述微處理控制器根據程序指令控制振動速度傳感器采集風機振動信號。所述信 號處理單元首先對傳感器采集數據進行預處理并將數據暫存于處理器閃存。然后將處理后 數據加標志位存儲于SD儲存卡內完成本地儲存。利用微處理控制器的數據處理能力，計算 分析風機振動信號的時域指標并在振動烈度指標超過預設值后報警，根據現場設備及需求 情況將傳感器數據通過USB接口傳輸至PC機完成本地儲存與分析。最后將處理后數據通過 HTTP請求方式傳輸至開放的物聯網數據平臺，完成數據網絡傳輸。
[0008] 所述移動電源為機殼內的微處理控制器、無線路由器、網絡擴展板及機殼外的傳 感器供電。其中移動電源由兩部分組成，一部分為路由器供電，另一部分為微處理控制器、 網絡擴展板及機殼外的傳感器供電。
[0009] 所述機殼上設有兩個電源槽，一個SD儲存卡插槽，一個電源適配器接口，一個與PC 機連接的USB通訊接口，一個無線路由器充電口，與各傳感器連接的信息采集接口以及擴展 接口，各傳感器設置于機殼外部。
[0010] 所述無線路由器和網絡擴展板之間通過有線方式連接，使數據傳輸的穩定性更 強。信號采集單元通過采集接口與機殼外的傳感器連接，無線路由器內置4G S頂卡插槽，為 路由器提供Internet網絡連接。
[0011]所述開放的物聯網平臺，可在Internet網頁上進行傳感器數據的實時曲線顯示存 儲及歷史數據查詢與分析，實現物與物的信息交流，在傳輸過程中無需人為干預。所述的傳 感器數據包括采集的振動信號、采集時間、設備的ID及傳感器ID，所述的利用互聯網顯示終 端，所采用的技術為用統一資源定位符表示從互聯網上得到的資源位置和表示方法，定位 符中的協議采用超文本傳輸協議資源。所述的數據傳輸方式為采集時間和傳感器數據采用 標準HTTP協議支持的6種請求方法中的POST方法，即向服務器提交數據的方法完成提交操 作，設備ID和傳感器ID采用標準HTTP協議支持的PUT方法，通過指定資源的存放位置向服務 器提交數據。通過串口通訊將數據顯示于本地PC機上，存儲于數據庫中并通過調用數據庫 數據對歷史數據進行顯示和分析。通過SD卡接口板將采集到的傳感器數據儲存于SD的文件 內，可定期更換SD卡以取回傳感器數據進一步分析。用戶或專家可以通過任意一臺連接 Internet的計算機查看或獲取物聯網平臺上的傳感器實時數據以及歷史數據。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的硬件結構圖。
[0013]圖2為本發明的微處理控制器與網絡擴展板、振動傳感器的連接原理圖。
[0014]圖3為本發明的傳感器信號分壓電路原理圖。
[0015] 圖4為本發明的微處理控制器與SD卡接口板、報警指示燈的連接原理圖。
[0016] 圖5為本發明的微處理控制器與液晶顯示器的連接原理圖。
[0017]圖6為本發明的程序流程圖。
[0018]圖7為本發明的外形主視圖。
[0019] 圖8為本發明的外形左視圖。
[0020] 圖9為本發明的外形俯視圖。
【具體實施方式】
[0021] 為使本發明的上述目的、特征更易懂，下面通過【具體實施方式】和附圖對本發明做 詳細說明。
[0022]圖1是本發明一種基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置，包括微 處理控制器、振動傳感器、鍵相信號傳感器、SD卡及SD卡接口板、報警指示燈、液晶顯示屏、 網絡擴展板、無線路由器、無線網卡以及移動電源。其中：
[0023] 微處理控制器采用ATmega328微處理器，具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定 時器，14個數字I/O端口，6個模擬輸入端口，32KB Flash內存即可用來編程也可用做存儲易 失性數據。工作時微處理控制器可以通過USB數據線、9V干電池或專用的電源適配器供電。 微處理控制器可為各傳感器提供3.3V或5V直流電源并且可以通過USB數據線實現與PC機串 口通訊。
[0024] 其中振動傳感器包括6個，分別放置于風機電機輸出端、風機轉子前端和后端，用 于監測風機的振動情況，以判斷風機運行狀態。
[0025] 鍵相信號傳感器使用霍爾式接近開關嗎，放置于電機軸輸出端，以間接獲取風機 軸鍵相信號，用于控制信號采集程序整周期采集。
[0026] SD卡及其接口板用于實時儲存傳感器信號。SD安全數碼卡，是一種基于半導體快 閃記憶器的記憶設備，并廣泛應用于便捷式裝置，具有大容量、體積小、高性能、安全等特 點，可保證傳感器信號數據完整無損的保存下來，且便于專家或相關技術人員取回分析。 [0027]液晶顯示屏用于顯示風機振動狀態，采集后的振動信號經微處理控制器數據處理 單元計算分析后，計算其時域指標如烈度、裕度、歪度、峭度等，將其顯示于液晶顯示屏上， 供現場人員監控風機運行狀態。
[0028] 報警指示燈包括風機報警燈與SD卡報警燈。其中，在風機振動烈度值超過預設危 險值后，點亮風機報警燈，以提醒工作人員及時處理故障；SD卡報警燈監測SD卡的儲存狀 態，當SD卡內儲存空間裝滿時，點亮該指示燈，提醒工作人員及時更換SD卡，以保證風機振 動數據完整保存。
[0029] 無線路由器、無線網卡、網絡擴展板組合使用，用于實現網絡通信。應用無線網卡 和無線路由器組建無線網絡，解決了礦井風機布線困難、網絡不發達等問題。同時，考慮到 傳輸速度及傳輸穩定性問題，選用網絡擴展板作為連接自建網絡與Internet之間的橋梁， 通過有線連接的方式將網絡擴展板與路由器相連，最終把傳感器采集信息打包發送到開放 的物聯網平臺，實現數據的網絡發布。
[0030] 電源由兩部分組成。其中，一部分為可重復充放電的為路由器供電的移動電源，另 一部分是為傳感器、微處理控制器以及網絡擴展板供電的9V干電池。
[0031] 圖2 -圖5為本發明的原理圖，包括微處理控制器、網絡擴展板、SD卡接口板、液晶 顯示器、振動傳感器、鍵相信號傳感器和報警指示燈。其中：
[0032]圖2為微處理控制器與網絡擴展板、振動傳感器的連接原理圖。按照引腳對應關系 將網絡擴展板插入到微處理控制器上，各傳感器的電源Vcc引腳與網絡擴展板5V引腳相連， GND引腳與網絡擴展板的GND引腳相連，振動傳感器1~6分別與微處理控制器的模擬輸入引 腳A0~A5相連。由于微處理控制器的模擬輸入引腳只能識別0~5V電壓，所以在振動傳感器 信號輸出端與微處理控制器模擬輸入引腳之間加入分壓電路U1，將振動信號傳感器輸出的 正負交替電壓轉換為模擬輸入引腳能夠識別的電壓范圍。
[0033]圖3為圖2中的U1，其輸入端INP與傳感器信號輸出端相連，輸出端OUT與微處理控 制器模擬輸入引腳相連，其輸入輸出關系如下式：
[0034]
[0035 ]可以將-5~+5 V的輸入信號轉換為1.7 6~2.7 5 V之間的輸出信號，可以使模擬輸出 引腳接受到完整的傳感器信號。
[0036]圖4為微處理控制器與SD卡接口板、報警指示燈的連接原理圖。其中SD卡接口板、 報警指示燈通過網絡接口板上引腳與微處理控制器相連。SD卡與微處理控制器使用SPI協 議進行數據傳輸，其CS引腳、DI引腳、D0引腳、CLK引腳、GND引腳、Acc引腳分別與網絡擴展板 上的D10(SS)引腳、Dll(MOSI)引腳、D12(MIS0)引腳、D13(SCK)引腳、GND引腳、+3.3V引腳相 連。SD卡報警燈與D7引腳相連，風機報警燈與D6引腳相連。鍵相信號傳感器與D8引腳相連。 [0037]圖5為微處理控制器與液晶顯示器的連接原理圖。IXD顯示器與微處理控制器之間 采用SPI傳輸協議，與SD卡同為微處理控制器的傳輸從設備，通過片選信號選擇通信設備。 IXD的D4~D7引腳與微處理控制器的D5~D2引腳相連以傳輸數據。同時，接入了一個電位 器，向IXD顯示器的V0輸出一個可調電壓，用于控制屏幕的顯示對比度。
[0038] 圖6是本發明的程序流程圖。首先運行初始程序，成功建立網絡連接和SD卡連接 后，檢查SD卡可用存儲空間，若SD卡已滿，則點亮SD卡報警燈并停止采集。若SD卡狀態良好， 則控制傳感器采集信號，并根據傳感器信號計算風機振動時域特征，若時域特征超出警戒 值則點亮風機報警燈以提醒現場人員。另一方面發送數據至Internet網絡平臺并存儲數據 至SD卡，同時，若裝置連接PC機串口，則將數據同步發送至PC機儲存分析。Internet方面，通 過HTTP請求方式將數據發送到開放的物聯網平臺。采集時間和傳感器數據采用標準HTTP協 議支持的6種請求方法中的POST方法，即向服務器提交數據的方法完成提交操作，設備ID和 傳感器ID采用標準HTTP協議支持的PUT方法，通過指定資源的存放位置向服務器提交數據。 設備ID和傳感器ID由物聯網平臺提供，在物聯網平臺創建設備及傳感器時生成。SD卡方面， 將傳感器數據加采集時間及傳感器標志位儲存與SD卡的txt文件內，供技術人員取回分析。 串口方面，數據包由傳感器標志位和數據內容組成，根據傳感器標志位確定采集傳感器確 保上位機接收數據時不發生錯誤。
[0039] 圖7、圖8、圖9分半為本發明外形的主視圖、左視圖、俯視圖。外殼采用工程塑料制 作不僅滿足機械強度要求而且對無線信號的屏蔽作用很小，其中：
[0040] 標號1分別為發明外殼的殼體，在主視圖圖7上，設有液晶顯示屏3、SD卡報警燈4、 風機報警燈5與主控板接口 2,其中振動傳感器1~6分別與A0~A5相連、鍵相信號傳感器與 D8接口相連、其他未畫出的接口分別已連接振動傳感器、報警燈、液晶顯示屏或本系統占 用，未在殼體上設置，所設接口都采用杜邦線接口，方便傳感器信號線插拔連接。左視圖圖8 上設有9V電池插槽6、處理器網線接口 7、串口通信連接接口 8、處理器電源接口 9與4G路由器 10，10中由上至下分別為USB接口、路由器充電口與網線接口，用于網絡連接的4G S頂卡插 于路由器內。俯視圖圖9上設有殼體門及門鎖11。裝置長度為120毫米，高度為60毫米，寬度 為100毫米。
【主權項】
1. 一種基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置，其特征是：由振動傳感 器、鍵相信號傳感器、信號采集單元、微處理控制器、無線路由器、無線網卡、網絡擴展板、SD 卡及SD卡接口板、液晶顯示器、移動電源與機殼組成該裝置，其中振動信號傳感器與鍵相信 號傳感器連接至微處理控制器，并將采集到的信號通過網絡上傳至物聯網平臺。2. 根據權利要求1所述的基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置，其特 征是:振動傳感器分別放置于風機電機輸出端、風機轉子前端和后端的橫向監測點和縱向 監測點，經信號調理電路將6路振動傳感器信號轉變為1.99~2.52V電流信號，分別送入AO ~A5模擬輸入引腳。3. 根據權利要求1所述的基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置，其特 征是:外殼采用工程塑料制作以保證其機械強度與無線信號的屏蔽要求。4. 根據權利要求1所述的基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置，其包 括：塑料外殼（1)、主控板接口（2)、液晶顯示屏(3)、SD卡報警燈(4)、風機報警燈(5)、電池 插槽（6)、網線接口（7)、串口通信接口（8)、電源接口（9)、4G路由器（10)、殼體門及門鎖 (11)： 一所述主控板接口（ 2 )位于塑料外殼（1)正面； 一所述液晶顯示屏(3)、SD卡報警燈(4)、風機報警燈(5)鑲嵌在塑料外殼（1)的正面，便 于現場人員查看風機及裝置工作狀態； 一所述電池插槽(6)、網線接口（7)、串口通信接口（8)、電源接口（9)、4G路由器(10)，其 中4G路由器(10 )所露出的接口至少包括一個充電口及一個網線接口； 一所述殼體門及門鎖(11)位于塑料外殼（1)上面。5. 根據權利要求1所述的基于嵌入式的礦井風機振動信號采集及遠程傳輸裝置，其特 征是:裝置外形長度為120毫米，高度為60毫米，寬度為100毫米。
【文檔編號】F04D27/00GK205478472SQ201520895433
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年11月11日
【發明人】玄兆燕, 王凱良
【申請人】華北理工大學