專利名稱：一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦用通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過對通風(fēng)機(jī)的振動、溫度、負(fù)壓信號的采集，實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)狀態(tài)準(zhǔn)確的在線監(jiān)測，對可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)警。
背景技術(shù)：
通風(fēng)機(jī)是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著向井下輸送新鮮空氣、排出粉塵和污濁氣流、確保礦井安全生產(chǎn)的重任。傳統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)都是通過電纜來傳輸數(shù)據(jù)， 即在被測對象的指定位置布置多個傳感器，對傳感器一對一配線，然后集中到中央監(jiān)控設(shè)備。這個過程會花費(fèi)較大的人力去布置傳感器，要求測試人員無差錯的給傳感器配線，并防止在監(jiān)測過程中數(shù)據(jù)傳輸線被破壞。這一繁瑣的過程會對測試人員帶來很多不便，在傳感器較多的情況下布線甚至?xí)硪曈X混亂，而對于旋轉(zhuǎn)器件，有線的傳感器監(jiān)測更是不可能的。更為重要的一點(diǎn)是考慮到工況環(huán)境的局限性，有線傳感器網(wǎng)絡(luò)有時具有極強(qiáng)的不可實現(xiàn)性。因此設(shè)計一種通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方式采集、傳輸數(shù)據(jù)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有靈活、成本低、易于布置等特性能夠方便、及時、準(zhǔn)確地采集各類信息，在某一節(jié)點(diǎn)破壞后也不影響數(shù)據(jù)的傳送，這些特點(diǎn)恰好滿足煤礦在線監(jiān)測領(lǐng)域大規(guī)模使用的要求。Zigbee是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，它是一種特點(diǎn)鮮明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它最大的特點(diǎn)就是可組網(wǎng)，特別是帶有路由的可組網(wǎng)功能，可以使 Zigbee覆蓋的通訊面積得到極大的擴(kuò)展。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，可以完成對設(shè)備的振動、溫度、負(fù)壓信息的采集，為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供最原始的資料。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型就是針對現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)的不足設(shè)計的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)準(zhǔn)確的在線監(jiān)測。本實用新型旨在實現(xiàn)對通風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測預(yù)警功能。本系統(tǒng)由一臺監(jiān)測計算機(jī)、一個Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、至少6個傳感器節(jié)點(diǎn)以及至少4個溫度傳感器、1個負(fù)壓傳感器、2個振動傳感器組成；監(jiān)測計算機(jī)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串行接口線相連，4個溫度傳感器分別固定在電機(jī)和風(fēng)機(jī)的兩側(cè)軸瓦上，1個振動傳感器垂直安裝在風(fēng)機(jī)外殼上，1個振動傳感器水平安裝在風(fēng)機(jī)外殼上，1個負(fù)壓傳感器連接到風(fēng)機(jī)上的負(fù)壓測管，各傳感器引出線分別連到相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的信號輸入端口 ；其中2個振動傳感器組成連接在同一個傳感器節(jié)本實用新型采用Zigbee無線通信技術(shù)，采用TI的Ζ-Stack協(xié)議棧，根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)測需求設(shè)計了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)，開發(fā)了基于Zigbee 2006協(xié)議棧Z-Mack溫度、振動、負(fù)壓的數(shù)據(jù)采集和無線傳輸程序，并最終實現(xiàn)通過監(jiān)測計算機(jī)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行在線實時監(jiān)測。本實用新型的特點(diǎn)在于1.將該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于礦用通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，保障工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)活動高效、安全的進(jìn)行。2.解決了傳統(tǒng)有線的傳輸方式布線繁瑣、系統(tǒng)擴(kuò)展性差等問題。3.用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式實現(xiàn)對大型設(shè)備的在線監(jiān)測，由于其節(jié)點(diǎn)制造成本低廉，這無疑大大降低了系統(tǒng)設(shè)計成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。相比之下，常見的監(jiān)測系統(tǒng)采集方案比如模擬量采集模塊加溫度采集模塊方案或選用某種類型的PLC模塊的辦法都比較昂貴。

圖1本實用新型監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2本實用新型傳感器測點(diǎn)布置圖；圖3本實用新型傳感器節(jié)點(diǎn)框圖；圖4本實用新型協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)框圖；圖中1、監(jiān)測計算機(jī)，2、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，3、傳感器節(jié)點(diǎn)，4、溫度傳感器，5、振動傳感器，6、負(fù)壓傳感器，7、電機(jī)前軸瓦，8、電機(jī)，9、電機(jī)后軸瓦，10、軸，11、風(fēng)機(jī)前軸瓦，12、風(fēng)機(jī)， 13、風(fēng)機(jī)負(fù)壓測管，14、風(fēng)機(jī)后軸瓦，15、電機(jī)前軸瓦溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，16、電機(jī)后軸瓦溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，17、風(fēng)機(jī)前軸瓦溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，18、風(fēng)機(jī)振動傳感器節(jié)點(diǎn)，19、風(fēng)機(jī)負(fù)壓傳感器節(jié)點(diǎn)，20、風(fēng)機(jī)后軸瓦溫度傳感器節(jié)點(diǎn)
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)描述如圖1所示，本實用新型通風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)有以下幾部分組成監(jiān)測計算機(jī)， Zigbee無線星型網(wǎng)絡(luò)，多種監(jiān)測終端傳感器。Zigbee無線星型網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)2和多個傳感器節(jié)點(diǎn)3組成。傳感器節(jié)點(diǎn)類型包括溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、振動傳感器節(jié)點(diǎn)和負(fù)壓傳感器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)2通過無線方式接收各傳感器節(jié)點(diǎn)3的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及時通過串口傳送到監(jiān)測計算機(jī)1，監(jiān)測計算機(jī)1上安裝的組態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時顯示、報警功能。傳感器節(jié)點(diǎn)則完成對溫度傳感器4、振動傳感器5、負(fù)壓傳感器6數(shù)據(jù)的采集并響應(yīng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)3的數(shù)據(jù)請求。如圖2所示，本系統(tǒng)旨在監(jiān)測能夠反映風(fēng)機(jī)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。本實用新型傳感器測點(diǎn)布置主要是電機(jī)前軸瓦7溫度、電機(jī)后軸瓦9溫度、風(fēng)機(jī)前軸瓦11溫度、風(fēng)機(jī)后軸瓦14溫度、風(fēng)機(jī)12垂直振動、風(fēng)機(jī)12水平振動、風(fēng)機(jī)12負(fù)壓。溫度、振動值由相應(yīng)傳感器來獲取，負(fù)壓則是通過安裝在風(fēng)機(jī)上的風(fēng)機(jī)負(fù)壓測管13以及負(fù)壓傳感器來獲得。傳感器所采集到的數(shù)據(jù)由多個傳感器節(jié)點(diǎn)15-20發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。如圖3所示，本實用新型傳感器節(jié)點(diǎn)包括第一主控單片機(jī)、外部傳感器接口、第一按鍵控制模塊、第一天線接口模塊、第一電源轉(zhuǎn)換模塊和I/V轉(zhuǎn)換電路和電橋測溫電路。 振動傳感器、負(fù)壓傳感器經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路后與第一主控單片機(jī)相連，溫度傳感器經(jīng)過電橋測溫電路后也和第一主控單片機(jī)相連，第一天線接口模塊、第一電源轉(zhuǎn)換模塊、按鍵控制模塊均與第一主控單片機(jī)相連。本實用新型傳感器節(jié)點(diǎn)上的第一主控單片機(jī)選用的是CCM30，第一電源轉(zhuǎn)換模塊選用的是DC/DC電源模塊BSD5-24D15、電源轉(zhuǎn)換芯片是LM2576， I/V轉(zhuǎn)換電路和電橋測溫電路選用的放大器是LM324，實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換。溫度傳感器、振動傳感器以及負(fù)壓傳感器輸出的信號經(jīng)過以上所述信號處理轉(zhuǎn)換送入 CCM30主控單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)化口 P0. 0 P0. 3。由于系統(tǒng)需要一直處于實時在線監(jiān)測狀態(tài)， 更為關(guān)鍵的是振動、負(fù)壓傳感器都需要24V直流供電，因此，本傳感器節(jié)點(diǎn)采用24V直流供電，由S-150-M明緯電源得到24V直流電壓，再經(jīng)過DC/DC電源模塊BSD5-24D15得到系統(tǒng)所需要的士 15V電壓。由于主控單片機(jī)的AD采樣功能只能采集電壓信號，所以需將溫度傳感器的電阻輸出以及振動、負(fù)壓傳感器的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，以便統(tǒng)一進(jìn)行信號采集。由于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)輸出信號為4-20mA，因此需要加上調(diào)理電路將4-20mA信號轉(zhuǎn)換為可供 CC2430I/0端口 AD采樣的0-3V電壓信號?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)的通用性設(shè)計，將每個節(jié)點(diǎn)設(shè)計為可以采集至少四路溫度信號和兩路振動或負(fù)壓信號。按鍵實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的通訊控制及復(fù)位功能。如圖4所示，本實用新型協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)包括第二主控單片機(jī)、第二按鍵控制模塊、第二天線接口模塊、第二電源轉(zhuǎn)換模塊、串口模塊、JTAG調(diào)試接口模塊和LED指示模塊。第二天線接口模塊、第二電源轉(zhuǎn)換模塊、按鍵控制模塊均與第二主控單片機(jī)相連。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上的主控單片機(jī)選用的是CCM30，第二電源轉(zhuǎn)換模塊選用的是5V的AC/DC電源適配器、電源轉(zhuǎn)換芯片選用AS1117-3. 3V，經(jīng)過以上所述兩種電壓轉(zhuǎn)換得到CCM30所需要的3. 3V工作電壓。JTAG調(diào)試接口模塊通過串口轉(zhuǎn)換線與PC機(jī)相連來對芯片燒寫及調(diào)試程序。串口模塊可通過RS232和RS485兩種接口實現(xiàn)與監(jiān)測計算機(jī)之間的通訊，所設(shè)計的MAX485電路連接上RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，可使協(xié)調(diào)器與監(jiān)測計算機(jī)之間距離延長至1200米，提高了系統(tǒng)的可操作性。LED指示模塊用來指示通訊啟停等情況，按鍵實現(xiàn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的通訊控制及復(fù)位等功能。本實用新型采用的協(xié)議棧為TI的Z-Mack。Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建， 整個Z-Mack的主要工作流程大致分為系統(tǒng)啟動、驅(qū)動初始化、OSAL初始化和啟動以及進(jìn)入任務(wù)輪循這幾個階段。Z-Stack已經(jīng)編寫了 MAC層、NWK、HAL、API到Zigbee設(shè)備應(yīng)用層 ZDAPP這五層的事件處理函數(shù)，這些函數(shù)基本不需修改，只需要按照自己的需求編寫應(yīng)用層任務(wù)及事件處理函數(shù)即可。
權(quán)利要求1. 一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦用通風(fēng)機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于本系統(tǒng)由一臺監(jiān)測計算機(jī)、一個Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、至少6個傳感器節(jié)點(diǎn)以及至少4個溫度傳感器、1個負(fù)壓傳感器、2個振動傳感器組成；監(jiān)測計算機(jī)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串行接口線相連，4個溫度傳感器分別固定在電機(jī)和風(fēng)機(jī)的兩側(cè)軸瓦上，1個振動傳感器垂直安裝在風(fēng)機(jī)外殼上，1個振動傳感器水平安裝在風(fēng)機(jī)外殼上，1個負(fù)壓傳感器連接到風(fēng)機(jī)上的負(fù)壓測管，各傳感器引出線分別連到相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的信號輸入端口 ；其中2個振動傳感器組成連接在同一個傳感器節(jié)點(diǎn)上。
專利摘要本實用新型是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦用通風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過采集通風(fēng)機(jī)的振動、溫度、負(fù)壓信息實現(xiàn)準(zhǔn)確的在線監(jiān)測及預(yù)警。本系統(tǒng)包括一臺監(jiān)測計算機(jī)、一個Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和至少6個傳感器節(jié)點(diǎn)以及至少4個溫度傳感器、2個振動傳感器、1個負(fù)壓傳感器組成；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式組建成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測計算機(jī)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串行接口線相連，4個溫度傳感器分別固定在電機(jī)和風(fēng)機(jī)的兩側(cè)軸瓦上，2個振動傳感器水平和垂直安裝在風(fēng)機(jī)外殼上，1個負(fù)壓傳感器連接到風(fēng)機(jī)上的負(fù)壓測管。本實用新型具有安裝簡便，制造成本低廉，可實現(xiàn)無線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果，可對通風(fēng)機(jī)的故障做出及時的預(yù)警。
文檔編號G01M99/00GK202330046SQ20112049331
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者付勝, 宋海強(qiáng) 申請人:北京工業(yè)大學(xué)