一种基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置。该装置包括传感器、微处理控制器、SD卡、报警指示灯、液晶显示屏、无线路由器、4G网卡、网络扩展板、移动电源、机壳以及开放的物联网平台。通过移动电源为机壳内的各设备供电。风机振动信号经传感器采集后送与微处理器分析处理，并分别送入SD卡，液晶显示器，现场PC机与物联网平台。该装置具有便携性，可灵活安置于风机现场，且充分利用微处理控制器的数据处理能力，对风机状态做初步判断，既可为现场工作人员提供故障诊断参考，同时又能传输数据至开放的网络平台，供专家与相关专业技术人员对风机状态及故障做深层次分析，解决了只能在单一服务器上查询和分析数据的问题。
【专利说明】
一种基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置，具体是一 种主要获取矿井风机运转中振动信号并传输至开放式物联网平台供下载分析使用的采集 及远程传输装置。
【背景技术】
[0002] 矿井风机是用于向井下输送新鲜空气，并将有毒有害气体及粉尘从井下带走，保 证井下工作顺利进行及工作人员的人身安全。煤矿通风机作为通风系统中至关重要的机械 设备，其工作状态正常与否严重影响着矿井通风质量。据统计，70%以上的煤矿事故是由于 通风设备出现故障致使通风不良，通风管理不善等原因造成的，而煤矿事故的发生不仅会 给企业带来经济损失，严重时更会危及工作人员的生命安全，产生恶劣的社会影响。我国故 障诊断技术近些年发展迅速，从开始的依靠工人的经验，凭眼看、手摸、耳听监视设备的运 行状态，到依靠检测仪表及相关软硬件分析装置，再到现在在线监测与故障诊断技术。但由 于大部分矿山机械所处环境复杂偏远，致使风机现场的传感器难以合理有效的布置与传输 信号，而且矿山普遍偏离市区，通常不能保证现场具有可靠通信的互联网信号，使得专家与 相关技术人员不能即时获得检测到的传感器信号，从而难以对风机的运行状态做出准确及 时的判断，难以使风机故障诊断系统发挥真正的作用。
【发明内容】
[0003] 本发明目的在于将现场检测的风机振动传感器信号通过微型处理器进行采集及 预处理，以简化风机现场的传感器布线工作及采集所需的采集卡及工业控制计算机等较大 型设备;通过3G无线网络将传感器信号发布至物联网，解决了只能在现场计算机上查询和 分析数据的问题，为专家和专业技术人员提供实时可靠的传感器数据，以便于其准确及时 的对风机运行状态做出判断。
[0004] 为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
[0005] -种基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置，包括传感器、微处理 控制器、信号采集单元、无线路由器、无线网卡、网络扩展板、SD卡、SD卡接口板、液晶显示 屏、移动电源、机壳及开放的物联网平台。其中所述的传感器负责将矿机风机的振动信号传 输至信号采集单元。所述信号采集单元接受传感器信号，完成信号采集及预处理，并在微处 理器的控制下完成的数据的缓存、分析处理、状态显示、报警、远程数据传输及本地存储。
[0006] 所述传感器为振动速度传感器与键相信号传感器，其中：振动传感器获取风机振 动模拟数据，选择风机电机输出端、风机转子前端和后端作为振动监测点，每点分别设置横 向和纵向监测点；键相信号传感器采用霍尔式接近开关，将键相传感器置于电机输出轴部 位，以获取风机转动的键相信号，触发采集程序。
[0007] 所述微处理控制器根据程序指令控制振动速度传感器采集风机振动信号。所述信 号处理单元首先对传感器采集数据进行预处理并将数据暂存于处理器闪存。然后将处理后 数据加标志位存储于SD储存卡内完成本地储存。利用微处理控制器的数据处理能力，计算 分析风机振动信号的时域指标并在振动烈度指标超过预设值后报警，根据现场设备及需求 情况将传感器数据通过USB接口传输至PC机完成本地储存与分析。最后将处理后数据通过 HTTP请求方式传输至开放的物联网数据平台，完成数据网络传输。
[0008] 所述移动电源为机壳内的微处理控制器、无线路由器、网络扩展板及机壳外的传 感器供电。其中移动电源由两部分组成，一部分为路由器供电，另一部分为微处理控制器、 网络扩展板及机壳外的传感器供电。
[0009] 所述机壳上设有两个电源槽，一个SD储存卡插槽，一个电源适配器接口，一个与PC 机连接的USB通讯接口，一个无线路由器充电口，与各传感器连接的信息采集接口以及扩展 接口，各传感器设置于机壳外部。
[0010] 所述无线路由器和网络扩展板之间通过有线方式连接，使数据传输的稳定性更 强。信号采集单元通过采集接口与机壳外的传感器连接，无线路由器内置4G S頂卡插槽，为 路由器提供Internet网络连接。
[0011]所述开放的物联网平台，可在Internet网页上进行传感器数据的实时曲线显示存 储及历史数据查询与分析，实现物与物的信息交流，在传输过程中无需人为干预。所述的传 感器数据包括采集的振动信号、采集时间、设备的ID及传感器ID，所述的利用互联网显示终 端，所采用的技术为用统一资源定位符表示从互联网上得到的资源位置和表示方法，定位 符中的协议采用超文本传输协议资源。所述的数据传输方式为采集时间和传感器数据采用 标准HTTP协议支持的6种请求方法中的POST方法，即向服务器提交数据的方法完成提交操 作，设备ID和传感器ID采用标准HTTP协议支持的PUT方法，通过指定资源的存放位置向服务 器提交数据。通过串口通讯将数据显示于本地PC机上，存储于数据库中并通过调用数据库 数据对历史数据进行显示和分析。通过SD卡接口板将采集到的传感器数据储存于SD的文件 内，可定期更换SD卡以取回传感器数据进一步分析。用户或专家可以通过任意一台连接 Internet的计算机查看或获取物联网平台上的传感器实时数据以及历史数据。
【附图说明】
[0012]图1为本发明的硬件结构图。
[0013]图2为本发明的微处理控制器与网络扩展板、振动传感器的连接原理图。
[0014]图3为本发明的传感器信号分压电路原理图。
[0015] 图4为本发明的微处理控制器与SD卡接口板、报警指示灯的连接原理图。
[0016] 图5为本发明的微处理控制器与液晶显示器的连接原理图。
[0017]图6为本发明的程序流程图。
[0018]图7为本发明的外形主视图。
[0019] 图8为本发明的外形左视图。
[0020] 图9为本发明的外形俯视图。
【具体实施方式】
[0021] 为使本发明的上述目的、特征更易懂，下面通过【具体实施方式】和附图对本发明做 详细说明。
[0022]图1是本发明一种基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置，包括微 处理控制器、振动传感器、键相信号传感器、SD卡及SD卡接口板、报警指示灯、液晶显示屏、 网络扩展板、无线路由器、无线网卡以及移动电源。其中：
[0023] 微处理控制器采用ATmega328微处理器，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定 时器，14个数字I/O端口，6个模拟输入端口，32KB Flash内存即可用来编程也可用做存储易 失性数据。工作时微处理控制器可以通过USB数据线、9V干电池或专用的电源适配器供电。 微处理控制器可为各传感器提供3.3V或5V直流电源并且可以通过USB数据线实现与PC机串 口通讯。
[0024] 其中振动传感器包括6个，分别放置于风机电机输出端、风机转子前端和后端，用 于监测风机的振动情况，以判断风机运行状态。
[0025] 键相信号传感器使用霍尔式接近开关吗，放置于电机轴输出端，以间接获取风机 轴键相信号，用于控制信号采集程序整周期采集。
[0026] SD卡及其接口板用于实时储存传感器信号。SD安全数码卡，是一种基于半导体快 闪记忆器的记忆设备，并广泛应用于便捷式装置，具有大容量、体积小、高性能、安全等特 点，可保证传感器信号数据完整无损的保存下来，且便于专家或相关技术人员取回分析。 [0027]液晶显示屏用于显示风机振动状态，采集后的振动信号经微处理控制器数据处理 单元计算分析后，计算其时域指标如烈度、裕度、歪度、峭度等，将其显示于液晶显示屏上， 供现场人员监控风机运行状态。
[0028] 报警指示灯包括风机报警灯与SD卡报警灯。其中，在风机振动烈度值超过预设危 险值后，点亮风机报警灯，以提醒工作人员及时处理故障；SD卡报警灯监测SD卡的储存状 态，当SD卡内储存空间装满时，点亮该指示灯，提醒工作人员及时更换SD卡，以保证风机振 动数据完整保存。
[0029] 无线路由器、无线网卡、网络扩展板组合使用，用于实现网络通信。应用无线网卡 和无线路由器组建无线网络，解决了矿井风机布线困难、网络不发达等问题。同时，考虑到 传输速度及传输稳定性问题，选用网络扩展板作为连接自建网络与Internet之间的桥梁， 通过有线连接的方式将网络扩展板与路由器相连，最终把传感器采集信息打包发送到开放 的物联网平台，实现数据的网络发布。
[0030] 电源由两部分组成。其中，一部分为可重复充放电的为路由器供电的移动电源，另 一部分是为传感器、微处理控制器以及网络扩展板供电的9V干电池。
[0031] 图2 -图5为本发明的原理图，包括微处理控制器、网络扩展板、SD卡接口板、液晶 显示器、振动传感器、键相信号传感器和报警指示灯。其中：
[0032]图2为微处理控制器与网络扩展板、振动传感器的连接原理图。按照引脚对应关系 将网络扩展板插入到微处理控制器上，各传感器的电源Vcc引脚与网络扩展板5V引脚相连， GND引脚与网络扩展板的GND引脚相连，振动传感器1~6分别与微处理控制器的模拟输入引 脚A0~A5相连。由于微处理控制器的模拟输入引脚只能识别0~5V电压，所以在振动传感器 信号输出端与微处理控制器模拟输入引脚之间加入分压电路U1，将振动信号传感器输出的 正负交替电压转换为模拟输入引脚能够识别的电压范围。
[0033]图3为图2中的U1，其输入端INP与传感器信号输出端相连，输出端OUT与微处理控 制器模拟输入引脚相连，其输入输出关系如下式：
[0034]
[0035 ]可以将-5~+5 V的输入信号转换为1.7 6~2.7 5 V之间的输出信号，可以使模拟输出 引脚接受到完整的传感器信号。
[0036]图4为微处理控制器与SD卡接口板、报警指示灯的连接原理图。其中SD卡接口板、 报警指示灯通过网络接口板上引脚与微处理控制器相连。SD卡与微处理控制器使用SPI协 议进行数据传输，其CS引脚、DI引脚、D0引脚、CLK引脚、GND引脚、Acc引脚分别与网络扩展板 上的D10(SS)引脚、Dll(MOSI)引脚、D12(MIS0)引脚、D13(SCK)引脚、GND引脚、+3.3V引脚相 连。SD卡报警灯与D7引脚相连，风机报警灯与D6引脚相连。键相信号传感器与D8引脚相连。 [0037]图5为微处理控制器与液晶显示器的连接原理图。IXD显示器与微处理控制器之间 采用SPI传输协议，与SD卡同为微处理控制器的传输从设备，通过片选信号选择通信设备。 IXD的D4~D7引脚与微处理控制器的D5~D2引脚相连以传输数据。同时，接入了一个电位 器，向IXD显示器的V0输出一个可调电压，用于控制屏幕的显示对比度。
[0038] 图6是本发明的程序流程图。首先运行初始程序，成功建立网络连接和SD卡连接 后，检查SD卡可用存储空间，若SD卡已满，则点亮SD卡报警灯并停止采集。若SD卡状态良好， 则控制传感器采集信号，并根据传感器信号计算风机振动时域特征，若时域特征超出警戒 值则点亮风机报警灯以提醒现场人员。另一方面发送数据至Internet网络平台并存储数据 至SD卡，同时，若装置连接PC机串口，则将数据同步发送至PC机储存分析。Internet方面，通 过HTTP请求方式将数据发送到开放的物联网平台。采集时间和传感器数据采用标准HTTP协 议支持的6种请求方法中的POST方法，即向服务器提交数据的方法完成提交操作，设备ID和 传感器ID采用标准HTTP协议支持的PUT方法，通过指定资源的存放位置向服务器提交数据。 设备ID和传感器ID由物联网平台提供，在物联网平台创建设备及传感器时生成。SD卡方面， 将传感器数据加采集时间及传感器标志位储存与SD卡的txt文件内，供技术人员取回分析。 串口方面，数据包由传感器标志位和数据内容组成，根据传感器标志位确定采集传感器确 保上位机接收数据时不发生错误。
[0039] 图7、图8、图9分半为本发明外形的主视图、左视图、俯视图。外壳采用工程塑料制 作不仅满足机械强度要求而且对无线信号的屏蔽作用很小，其中：
[0040] 标号1分别为发明外壳的壳体，在主视图图7上，设有液晶显示屏3、SD卡报警灯4、 风机报警灯5与主控板接口 2,其中振动传感器1~6分别与A0~A5相连、键相信号传感器与 D8接口相连、其他未画出的接口分别已连接振动传感器、报警灯、液晶显示屏或本系统占 用，未在壳体上设置，所设接口都采用杜邦线接口，方便传感器信号线插拔连接。左视图图8 上设有9V电池插槽6、处理器网线接口 7、串口通信连接接口 8、处理器电源接口 9与4G路由器 10，10中由上至下分别为USB接口、路由器充电口与网线接口，用于网络连接的4G S頂卡插 于路由器内。俯视图图9上设有壳体门及门锁11。装置长度为120毫米，高度为60毫米，宽度 为100毫米。
【主权项】
1. 一种基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置，其特征是：由振动传感 器、键相信号传感器、信号采集单元、微处理控制器、无线路由器、无线网卡、网络扩展板、SD 卡及SD卡接口板、液晶显示器、移动电源与机壳组成该装置，其中振动信号传感器与键相信 号传感器连接至微处理控制器，并将采集到的信号通过网络上传至物联网平台。2. 根据权利要求1所述的基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置，其特 征是:振动传感器分别放置于风机电机输出端、风机转子前端和后端的横向监测点和纵向 监测点，经信号调理电路将6路振动传感器信号转变为1.99~2.52V电流信号，分别送入AO ~A5模拟输入引脚。3. 根据权利要求1所述的基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置，其特 征是:外壳采用工程塑料制作以保证其机械强度与无线信号的屏蔽要求。4. 根据权利要求1所述的基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置，其包 括：塑料外壳（1)、主控板接口（2)、液晶显示屏(3)、SD卡报警灯(4)、风机报警灯(5)、电池 插槽（6)、网线接口（7)、串口通信接口（8)、电源接口（9)、4G路由器（10)、壳体门及门锁 (11)： 一所述主控板接口（ 2 )位于塑料外壳（1)正面； 一所述液晶显示屏(3)、SD卡报警灯(4)、风机报警灯(5)镶嵌在塑料外壳（1)的正面，便 于现场人员查看风机及装置工作状态； 一所述电池插槽(6)、网线接口（7)、串口通信接口（8)、电源接口（9)、4G路由器(10)，其 中4G路由器(10 )所露出的接口至少包括一个充电口及一个网线接口； 一所述壳体门及门锁(11)位于塑料外壳（1)上面。5. 根据权利要求1所述的基于嵌入式的矿井风机振动信号采集及远程传输装置，其特 征是:装置外形长度为120毫米，高度为60毫米，宽度为100毫米。
【文档编号】F04D27/00GK205478472SQ201520895433
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年11月11日
【发明人】玄兆燕, 王凯良
【申请人】华北理工大学