一種煤礦主風機遠程實時監測系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種煤礦主風機遠程實時監測系統，包括數據采集層、數據傳輸層和智能監測分析層：數據采集層負責對風機運行時各種數據的采集；數據傳輸層，由終端節點與協調器節點構成星型網絡，協調器負責建立網絡，終端節點在搜尋到已建立好的網絡后，就申請加入到網絡中，從而將數據采集的數據傳送給智能監測分析層；智能監測分析層，監測主機通過以太網連接協調器節點，智能監測分析層負責收集風機的各種運行數據。本實用新型可實現煤礦通風及運行狀態信息的實時采集、遠程監測，可實現煤礦風機設備的有效管理和安全維護，對我國煤炭行業的自動化和信息化有深遠的意義。
【專利說明】
一種煤礦主風機遠程實時監測系統
技術領域
[0001]本實用新型用于煤礦通風機遠程監測，具體涉及一種煤礦主風機遠程實時監測系統，實現了煤礦通風機運行狀態信息的實時采集、無線傳輸、存儲、顯示、報警、管理等功能。
【背景技術】
[0002]安全是煤炭企業要面對的首要問題，通風機作為煤礦企業的重要設備，為礦井提供新鮮空氣，保證煤礦的生產安全和工人生命安全，通風機的穩定、可靠運行是煤礦各項工作順利開展的必要保證。為了實現煤礦風機設備的有效管理和安全維護，確保煤礦安全生產順利進行，建立和完善煤礦風機狀態監測系統，對實現我國煤炭行業的自動化和信息化有深遠的意義。
[0003]近年來一直喊的口號是“智慧礦山”，煤礦風機狀態監測系統屬于智慧礦山的一部分，但一部分煤礦對風機監測的重視程度不夠，從一個側面說明對煤礦風機的重要性的認識不夠。
[0004]目前的風機監測系統多數采用有線數據傳輸，考慮到煤礦風機復雜的工作環境，有線傳輸方式有一定的局限性，例如布線困難、傳輸線易損壞、成本也比較高、存在安全隱患等問題。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的是針對現有技術中的不足，提供一種煤礦主風機遠程實時監測系統，實現了煤礦通風機運行狀態信息的實時采集、無線傳輸、存儲、顯示、報警、管理等功會K。
[0006]為實現上述目的，本實用新型公開了如下技術方案:
[0007]—種煤礦主風機遠程實時監測系統，包括數據采集層、數據傳輸層和智能監測分析層:
[0008]數據采集層即終端節點，包括振動傳感器、電量傳感器、溫度傳感器、主控制器和無線模塊，負責對風機運行時各種數據的采集；
[0009]數據傳輸層即ZigBee網絡，由終端節點與協調器節點構成星型網絡，協調器負責建立網絡，終端節點在搜尋到已建立好的網絡后，就申請加入到網絡中，從而將數據采集的數據傳送給智能監測分析層；
[0010]智能監測分析層即監測主機的監測模塊，監測主機通過以太網連接協調器節點，智能監測分析層負責收集風機的各種運行數據，并具備實時存儲、顯示、查詢、分析數據、報表打印、發出預警信號功能。
[0011]進一步的，所述終端節點包括微控制器，以及與微控制器連接的傳感器接口和相關電路模塊，無線數據傳輸模塊和電源模塊，其中，傳感器模塊至少包括采集振動數據的振動傳感器、采集溫度數據的溫度傳感器、采集電流電壓數據的電量傳感器；
[0012]所述微控制器采用MSP430F149單片機，振動傳感器采用ADIS16220振動傳感器，溫度傳感器采用DALLAS開發的DS18B20溫度傳感器，電量傳感器選用C2-300型霍爾傳感器。
[0013]進一步的，所述無線模塊采用CC2530無線通信模塊，CC2530無線通信模塊通過串口和MSP430F149相連接。
[0014]進一步的，所述電源模塊選擇鋰電池作為電源，電源模塊為主控制器和傳感器供電，其中，為電量傳感器供電12V，采用LM7805將12V電壓轉變為5V電壓，再采用LM117將5V轉變為3.3V，為單片機及溫度、振動傳感器供電3.3V。
[0015]進一步的，所述協調器節點包括主控制模塊、以及與主控模塊相連的以太網通信電路模塊、程序和數據存儲器模塊、無線通信電路、串口通信電路、JTAG接口電路和電源電路；
[0016]所述主控制模塊采用S3C2440A;存儲器電路采用IG字節的NANDFlash，具體型號為K9G8G08U0A。
[0017]進一步的，所述以太網接口電路采用DM9000網卡芯片。
[0018]進一步的，所述串口通信電路采用MAX232與監測主機完成數據交換。
[0019]進一步的，所述電源電路采用LM7805將12V電壓轉變為5V電壓，再采用LM117將5V轉變為3.3V的電壓供協調器節點使用。
[0020]本實用新型公開的一種煤礦主風機遠程實時監測系統，具有以下有益效果:
[0021]本實用新型可實現煤礦通風及運行狀態信息的實時采集、遠程監測，可實現煤礦風機設備的有效管理和安全維護，對我國煤炭行業的自動化和信息化有深遠的意義。
【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型結構框圖，
[0023]圖2是終端節點結構框圖，
[0024]圖3是振動傳感器管腳連接圖，
[0025]圖4是DS18B20和MSP430的連接圖，
[0026]圖5是CC2530與MSP430的接口電路圖，
[0027]圖6是終端節點電源模塊電路圖，
[0028]圖7是協調器節點結構框圖，
[0029]圖8是存儲器模塊電路圖，
[0030]圖9是串彳丁口電路圖，
[0031]圖10是JTAG接口電路圖，
[0032]圖11是監測軟件功能結構圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合實施例并參照附圖對本實用新型作進一步描述。
[0034]本實用新型公開的一種煤礦主風機遠程實時監測系統，包括數據采集層、數據傳輸層和智能監測分析層:
[0035]數據采集層即終端節點，包括振動傳感器、電量傳感器、溫度傳感器、主控制器和無線模塊，負責對風機運行時各種數據的采集；
[0036]數據傳輸層即ZigBee網絡，由終端節點與協調器節點構成星型網絡，協調器負責建立網絡，終端節點在搜尋到已建立好的網絡后，就申請加入到網絡中，從而將數據采集的數據傳送給智能監測分析層；
[0037]智能監測分析層即監測主機的監測模塊，監測主機通過以太網連接協調器節點，智能監測分析層負責收集風機的各種運行數據，并具備實時存儲、顯示、查詢、分析數據、報表打印、發出預警信號功能。
[0038]該系統的總體架構分為三層即數據采集層、數據傳輸層和監測分析層。在數據采集層中通過振動、溫度、電流、電壓傳感器實時獲取風機的電機定子和軸承的溫度、主軸前后軸瓦的振動烈度、電機的電壓電流等運行參數;在數據傳輸層中通過組建ZigBee無線網絡，實現數據采集層和監測分析層的數據傳輸;監測分析層是基于組態王系統開發的監測平臺，實現了煤礦風機運行狀態信息的實時采集、存儲、顯示、分析、報警、管理等功能。
[0039]本系統旨在對風機的運行狀態進行監測，由圖1可知，通過終端節點采集風機運行時的風機軸瓦振動烈度、電機的軸溫度和定子溫度和電機的電流電壓關鍵參數，并對采集到的數據進行處理，之后經ZigBee無線傳感器網絡，終端節點采集的數據傳輸至協調器節點，在協調器節點上完成由無線數據轉換為有線傳輸數據，最終協調器節點通過以太網將數據傳送給監測主機，監測主機可以是工業控制計算機或者一般的PC機。監測分析層是通過本系統開發的監測軟件對風機的運行數據作存儲、顯示、處理、分析、預警等操作。從而實現監測風機運行狀態的目的。
[0040]本實用新型可實現煤礦通風及運行狀態信息的實時采集、遠程監測，可實現煤礦風機設備的有效管理和安全維護，對我國煤炭行業的自動化和信息化有深遠的意義。
[0041]見圖2，所述終端節點包括微控制器，以及與微控制器連接的傳感器接口和相關電路模塊，無線數據傳輸模塊和電源模塊，其中，傳感器模塊至少包括采集振動數據的振動傳感器、采集溫度數據的溫度傳感器、采集電流電壓數據的電量傳感器；
[0042]本系統設計的終端節點用來采集煤礦風機設備的運行狀態參數，工作條件比較惡劣，要求微控制器具備工作性能穩定、高效、低功耗等特點。綜合分析各種原因，所以微控制器采用MSP430F149單片機。從傳感器的靈敏度、穩定性、壽命、測量范圍、分辨率等方面來考慮，振動傳感器選用美國亞德諾生產的ADIS16220振動加速度傳感器，溫度傳感器選用DALLAS開發的DS18B20溫度傳感器，電量傳感器選用C2-300型霍爾傳感器。振動傳感器引腳如圖3所示，溫度傳感器引腳如圖4所示。
[0043]見圖5，所述無線模塊采用CC2530無線通信模塊，CC2530無線通信模塊通過串口和MSP430F149相連接。CC2530是用于ZigBee應用的Soc解決方案。它能通過自組網的形式組成覆蓋面廣的無線傳感網絡。CC2530的結構模塊有RF收發器、強大的8051MCU內核、Flash存儲器等。CC2530 有四種不同的 Flash 版本:CC2530F32/64/128/256，分別具有 32/64/128/256KBFlash存儲器。CC2530最大的特點是滿足低功耗的要求，這是由它的多種運行模式所保證，且各個模式間的切換時間比較短，這有利于它的低功耗運行。并結合了ZigBee協議棧，CC2530F256提供了一種強大完整的無線傳感器網絡解決辦法。CC2530無線通信模塊通過串口和MSP430F149相連接，而且兩者都是支持TTL電平的接口，因此不需要進行任何接口轉換，就能實現互相通信的目的。
[0044]電源模塊電路圖見圖6。所述電源模塊選擇鋰電池作為電源，電源模塊是終端節點工作的電能來源，即電源模塊為主控制器和傳感器供電，由于終端節點安裝在煤礦通風機相應的位置上，周圍環境復雜，不方便經常更換電池，考慮到這些因素本系統將電源模塊進行低功耗設計，延長電源的使用壽命。MSP430單片機使用3.3V輸入電壓進行工作，溫度、振動傳感器也采用3.3V電壓來正常工作，電量傳感器供電12V，采用LM7805將12V電壓轉變為5V電壓，再采用LM117將5V轉變為3.3V，為單片機及溫度、振動傳感器供電3.3V。
[0045]見圖7。協調器節點是ZigBee網絡信息傳輸與控制的核心部分，在整個系統中發揮著不可替代的作用，連接負責數據采集的終端節點和負責數據處理的監測主機端，收發數據和指令，具有路由器和協調器的雙重功能，起到管理整個無線網絡和完成對煤礦風機狀態監測的重要任務。
[0046]由于協調器節點復雜的功能，還需要處理大量的數據通信任務，必須擁有強大的數據處理能力，所以本系統在協調器節點設計時綜合考慮各種因素，協調器節點包括主控制模塊、以及與主控模塊相連的以太網通信電路模塊、程序和數據存儲器模塊、無線通信電路、串口通信電路、JTAG接口電路和電源電路；
[0047]所述主控制模塊采用S3C2440A，S3C2440A是設計嵌入式設備的主控制器的良好選擇。S3C2440A基于ARM920T核心，0.13μπι的CMOS標準宏單元和存儲器單元。低功耗、簡單、精致且全靜態設計符合低功耗的設計應用，S3C2440A的突出特點是其處理器核心，是一個由Advanced RISC Machines(ARM)公司設計的 16/32位ARM920T的RISC處理器。ARM920T具有MMU、AMBA總線和哈佛結構，有利于提高處理器的運算速度，因為此結構可以實現高速的指令和數據緩存。
[0048]存儲器電路采用IG字節的NANDFlash，具體型號為KgGSGOSUOAigGSGOSUOA是韓國三星生產的Nand型Flash存儲器。芯片內存為IGB大小，是8位總線型芯片，正常工作電壓的范圍是2.7?3.6V。
[0049]K9G8G08U0A的1/0接口是地址和數據復用的多功能接口，當片選信號有效時，1/0口上的信息為控制命令信息。當ALE生效的時候，1/0 口上的信息為地址信息;寫數據或讀數據有效時，1/0 口上的信息為數據。使用這種1/0方式可以節省芯片的資源，這是以犧牲控制方便程度為代價的，因此它的操作控制方式比較復雜。我們需要在ARM S3C2440的Flash控制寄存器中做相應的設置達到控制存儲器模塊的目的[39]。3302440與K9G8G08U0A連接的電路原理圖如圖8所示。
[0050]協調器節點通過以太網將收集到的數據傳送至監測主機，監測主機發來的指令也可以通過以太網傳給協調器的主控制器。以太網接口電路采用DM9000網卡芯片。DM9000是一款高集成度的、低成本的單片快速以太網MAC控制器，含有常用接口、16k的SRAM和10M/100M物理層。
[0051]見圖9。串行通信接口電路是嵌入式器件使用最廣的通信方法，它可以實現串并數據之間的轉換。本系統協調器節點的串行口也可以用來與監測主機完成數據交換。電平轉換芯片采用MAX232。
[0052]電源電路承擔著給節點上所有的用電器件供電。采用LM7805將12V電壓轉變為5V電壓，再采用LMl 17將5V轉變為3.3V的電壓供協調器節點使用。
[0053]見圖10<JTAG(Joint TestAct1n Group)是各國統一規定的一種通用的測試協議，它的作用是方便對嵌入式系統下載相應程序，方便其調試和仿真。一般內部結構復雜的電子器件大部分擁有JTAG接口電路，如ARM、DSP、FPGA等，符合國際標準的JTAG接口是4線:TDO、TMS、TCK、TDI，它們代表的意思是測試時的模式選擇、時鐘選擇、數據輸入和數據輸出設置。JTAG可以讓我們方便的訪問元器件的內部資源，不僅方便而且有效。在本系統的硬件設計時，組成ZigBee網絡的兩種節點的設計都加入了JTAG接口，可以進行程序的燒寫與調試。
[0054]見圖11。監測主機是用戶了解風機設備運行狀態的可視化平臺。它由監測主界面、實時數據顯示界面、數據報表、數據智能分析界面、報警功能等組成。監測主機的監測軟件負責建立與協調器的連接、定時接收數據、實時顯示風機的各種參數、存儲各類數據并對歷史數據進行分析預知其是否運行良好。
[0055]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，而非對其限制;應當指出，盡管參照上述各實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，其依然可以對上述各實施例所記載的技術方案進行修改，或對其中部分或者全部技術特征進行等同替換;而這些修改和替換，并不使相應的技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。
【主權項】
1.一種煤礦主風機遠程實時監測系統，其特征在于，包括數據采集層、數據傳輸層和智能監測分析層: 數據采集層即終端節點，包括振動傳感器、電量傳感器、溫度傳感器、主控制器和無線模塊，負責對風機運行時各種數據的采集； 數據傳輸層即ZigBee網絡，由終端節點與協調器節點構成星型網絡，協調器負責建立網絡，終端節點在搜尋到已建立好的網絡后，就申請加入到網絡中，從而將數據采集的數據傳送給智能監測分析層； 智能監測分析層即監測主機的監測模塊，監測主機通過以太網連接協調器節點，智能監測分析層負責收集風機的各種運行數據，并具備實時存儲、顯示、查詢、分析數據、報表打印、發出預警信號功能。2.根據權利要求1所述的一種煤礦主風機遠程實時監測系統，其特征在于，所述終端節點包括微控制器，以及與微控制器連接的傳感器接口和相關電路模塊，無線數據傳輸模塊和電源模塊，其中，傳感器模塊至少包括采集振動數據的振動傳感器、采集溫度數據的溫度傳感器、采集電流電壓數據的電量傳感器； 所述微控制器采用MSP430F149單片機，振動傳感器采用ADIS16220振動傳感器，溫度傳感器采用DALLAS開發的DS18B20溫度傳感器，電量傳感器選用C2-300型霍爾傳感器。3.根據權利要求2所述的一種煤礦主風機遠程實時監測系統，其特征在于，所述無線模塊采用CC2530無線通信模塊，CC2530無線通信模塊通過串口和MSP430F149相連接。4.根據權利要求3所述的一種煤礦主風機遠程實時監測系統，其特征在于，所述電源模塊選擇鋰電池作為電源，電源模塊為主控制器和傳感器供電，其中，為電量傳感器供電12V，采用LM7805將12V電壓轉變為5V電壓，再采用LM117將5V轉變為3.3V，為單片機及溫度、振動傳感器供電3.3V。5.根據權利要求1所述的一種煤礦主風機遠程實時監測系統，其特征在于，所述協調器節點包括主控制模塊、以及與主控模塊相連的以太網通信電路模塊、程序和數據存儲器模塊、無線通信電路、串口通信電路、JTAG接口電路和電源電路； 所述主控制模塊采用S3C2440A;存儲器電路采用IG字節的NANDFlash，具體型號為K9G8G08U0A。6.根據權利要求5所述的一種煤礦主風機遠程實時監測系統，其特征在于，所述以太網通信電路模塊采用DM9000網卡芯片。7.根據權利要求6所述的一種煤礦主風機遠程實時監測系統，其特征在于，所述串口通信電路采用MAX232與監測主機完成數據交換。8.根據權利要求7所述的一種煤礦主風機遠程實時監測系統，其特征在于，所述電源電路采用LM7805將12V電壓轉變為5V電壓，再采用LM117將5V轉變為3.3V的電壓供協調器節點使用。
【文檔編號】F04D27/00GK205533378SQ201620317720
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月15日
【發明人】昝宏洋, 吳震, 劉迷, 王仁君, 李歡, 原曉丹, 游夢然
【申請人】西安科技大學