一种煤矿主风机远程实时监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种煤矿主风机远程实时监测系统，包括数据采集层、数据传输层和智能监测分析层：数据采集层负责对风机运行时各种数据的采集；数据传输层，由终端节点与协调器节点构成星型网络，协调器负责建立网络，终端节点在搜寻到已建立好的网络后，就申请加入到网络中，从而将数据采集的数据传送给智能监测分析层；智能监测分析层，监测主机通过以太网连接协调器节点，智能监测分析层负责收集风机的各种运行数据。本实用新型可实现煤矿通风及运行状态信息的实时采集、远程监测，可实现煤矿风机设备的有效管理和安全维护，对我国煤炭行业的自动化和信息化有深远的意义。
【专利说明】
一种煤矿主风机远程实时监测系统
技术领域
[0001]本实用新型用于煤矿通风机远程监测，具体涉及一种煤矿主风机远程实时监测系统，实现了煤矿通风机运行状态信息的实时采集、无线传输、存储、显示、报警、管理等功能。
【背景技术】
[0002]安全是煤炭企业要面对的首要问题，通风机作为煤矿企业的重要设备，为矿井提供新鲜空气，保证煤矿的生产安全和工人生命安全，通风机的稳定、可靠运行是煤矿各项工作顺利开展的必要保证。为了实现煤矿风机设备的有效管理和安全维护，确保煤矿安全生产顺利进行，建立和完善煤矿风机状态监测系统，对实现我国煤炭行业的自动化和信息化有深远的意义。
[0003]近年来一直喊的口号是“智慧矿山”，煤矿风机状态监测系统属于智慧矿山的一部分，但一部分煤矿对风机监测的重视程度不够，从一个侧面说明对煤矿风机的重要性的认识不够。
[0004]目前的风机监测系统多数采用有线数据传输，考虑到煤矿风机复杂的工作环境，有线传输方式有一定的局限性，例如布线困难、传输线易损坏、成本也比较高、存在安全隐患等问题。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是针对现有技术中的不足，提供一种煤矿主风机远程实时监测系统，实现了煤矿通风机运行状态信息的实时采集、无线传输、存储、显示、报警、管理等功會K。
[0006]为实现上述目的，本实用新型公开了如下技术方案:
[0007]—种煤矿主风机远程实时监测系统，包括数据采集层、数据传输层和智能监测分析层:
[0008]数据采集层即终端节点，包括振动传感器、电量传感器、温度传感器、主控制器和无线模块，负责对风机运行时各种数据的采集；
[0009]数据传输层即ZigBee网络，由终端节点与协调器节点构成星型网络，协调器负责建立网络，终端节点在搜寻到已建立好的网络后，就申请加入到网络中，从而将数据采集的数据传送给智能监测分析层；
[0010]智能监测分析层即监测主机的监测模块，监测主机通过以太网连接协调器节点，智能监测分析层负责收集风机的各种运行数据，并具备实时存储、显示、查询、分析数据、报表打印、发出预警信号功能。
[0011]进一步的，所述终端节点包括微控制器，以及与微控制器连接的传感器接口和相关电路模块，无线数据传输模块和电源模块，其中，传感器模块至少包括采集振动数据的振动传感器、采集温度数据的温度传感器、采集电流电压数据的电量传感器；
[0012]所述微控制器采用MSP430F149单片机，振动传感器采用ADIS16220振动传感器，温度传感器采用DALLAS开发的DS18B20温度传感器，电量传感器选用C2-300型霍尔传感器。
[0013]进一步的，所述无线模块采用CC2530无线通信模块，CC2530无线通信模块通过串口和MSP430F149相连接。
[0014]进一步的，所述电源模块选择锂电池作为电源，电源模块为主控制器和传感器供电，其中，为电量传感器供电12V，采用LM7805将12V电压转变为5V电压，再采用LM117将5V转变为3.3V，为单片机及温度、振动传感器供电3.3V。
[0015]进一步的，所述协调器节点包括主控制模块、以及与主控模块相连的以太网通信电路模块、程序和数据存储器模块、无线通信电路、串口通信电路、JTAG接口电路和电源电路；
[0016]所述主控制模块采用S3C2440A;存储器电路采用IG字节的NANDFlash，具体型号为K9G8G08U0A。
[0017]进一步的，所述以太网接口电路采用DM9000网卡芯片。
[0018]进一步的，所述串口通信电路采用MAX232与监测主机完成数据交换。
[0019]进一步的，所述电源电路采用LM7805将12V电压转变为5V电压，再采用LM117将5V转变为3.3V的电压供协调器节点使用。
[0020]本实用新型公开的一种煤矿主风机远程实时监测系统，具有以下有益效果:
[0021]本实用新型可实现煤矿通风及运行状态信息的实时采集、远程监测，可实现煤矿风机设备的有效管理和安全维护，对我国煤炭行业的自动化和信息化有深远的意义。
【附图说明】
[0022]图1是本实用新型结构框图，
[0023]图2是终端节点结构框图，
[0024]图3是振动传感器管脚连接图，
[0025]图4是DS18B20和MSP430的连接图，
[0026]图5是CC2530与MSP430的接口电路图，
[0027]图6是终端节点电源模块电路图，
[0028]图7是协调器节点结构框图，
[0029]图8是存储器模块电路图，
[0030]图9是串彳丁口电路图，
[0031]图10是JTAG接口电路图，
[0032]图11是监测软件功能结构图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合实施例并参照附图对本实用新型作进一步描述。
[0034]本实用新型公开的一种煤矿主风机远程实时监测系统，包括数据采集层、数据传输层和智能监测分析层:
[0035]数据采集层即终端节点，包括振动传感器、电量传感器、温度传感器、主控制器和无线模块，负责对风机运行时各种数据的采集；
[0036]数据传输层即ZigBee网络，由终端节点与协调器节点构成星型网络，协调器负责建立网络，终端节点在搜寻到已建立好的网络后，就申请加入到网络中，从而将数据采集的数据传送给智能监测分析层；
[0037]智能监测分析层即监测主机的监测模块，监测主机通过以太网连接协调器节点，智能监测分析层负责收集风机的各种运行数据，并具备实时存储、显示、查询、分析数据、报表打印、发出预警信号功能。
[0038]该系统的总体架构分为三层即数据采集层、数据传输层和监测分析层。在数据采集层中通过振动、温度、电流、电压传感器实时获取风机的电机定子和轴承的温度、主轴前后轴瓦的振动烈度、电机的电压电流等运行参数;在数据传输层中通过组建ZigBee无线网络，实现数据采集层和监测分析层的数据传输;监测分析层是基于组态王系统开发的监测平台，实现了煤矿风机运行状态信息的实时采集、存储、显示、分析、报警、管理等功能。
[0039]本系统旨在对风机的运行状态进行监测，由图1可知，通过终端节点采集风机运行时的风机轴瓦振动烈度、电机的轴温度和定子温度和电机的电流电压关键参数，并对采集到的数据进行处理，之后经ZigBee无线传感器网络，终端节点采集的数据传输至协调器节点，在协调器节点上完成由无线数据转换为有线传输数据，最终协调器节点通过以太网将数据传送给监测主机，监测主机可以是工业控制计算机或者一般的PC机。监测分析层是通过本系统开发的监测软件对风机的运行数据作存储、显示、处理、分析、预警等操作。从而实现监测风机运行状态的目的。
[0040]本实用新型可实现煤矿通风及运行状态信息的实时采集、远程监测，可实现煤矿风机设备的有效管理和安全维护，对我国煤炭行业的自动化和信息化有深远的意义。
[0041]见图2，所述终端节点包括微控制器，以及与微控制器连接的传感器接口和相关电路模块，无线数据传输模块和电源模块，其中，传感器模块至少包括采集振动数据的振动传感器、采集温度数据的温度传感器、采集电流电压数据的电量传感器；
[0042]本系统设计的终端节点用来采集煤矿风机设备的运行状态参数，工作条件比较恶劣，要求微控制器具备工作性能稳定、高效、低功耗等特点。综合分析各种原因，所以微控制器采用MSP430F149单片机。从传感器的灵敏度、稳定性、寿命、测量范围、分辨率等方面来考虑，振动传感器选用美国亚德诺生产的ADIS16220振动加速度传感器，温度传感器选用DALLAS开发的DS18B20温度传感器，电量传感器选用C2-300型霍尔传感器。振动传感器引脚如图3所示，温度传感器引脚如图4所示。
[0043]见图5，所述无线模块采用CC2530无线通信模块，CC2530无线通信模块通过串口和MSP430F149相连接。CC2530是用于ZigBee应用的Soc解决方案。它能通过自组网的形式组成覆盖面广的无线传感网络。CC2530的结构模块有RF收发器、强大的8051MCU内核、Flash存储器等。CC2530 有四种不同的 Flash 版本:CC2530F32/64/128/256，分别具有 32/64/128/256KBFlash存储器。CC2530最大的特点是满足低功耗的要求，这是由它的多种运行模式所保证，且各个模式间的切换时间比较短，这有利于它的低功耗运行。并结合了ZigBee协议栈，CC2530F256提供了一种强大完整的无线传感器网络解决办法。CC2530无线通信模块通过串口和MSP430F149相连接，而且两者都是支持TTL电平的接口，因此不需要进行任何接口转换，就能实现互相通信的目的。
[0044]电源模块电路图见图6。所述电源模块选择锂电池作为电源，电源模块是终端节点工作的电能来源，即电源模块为主控制器和传感器供电，由于终端节点安装在煤矿通风机相应的位置上，周围环境复杂，不方便经常更换电池，考虑到这些因素本系统将电源模块进行低功耗设计，延长电源的使用寿命。MSP430单片机使用3.3V输入电压进行工作，温度、振动传感器也采用3.3V电压来正常工作，电量传感器供电12V，采用LM7805将12V电压转变为5V电压，再采用LM117将5V转变为3.3V，为单片机及温度、振动传感器供电3.3V。
[0045]见图7。协调器节点是ZigBee网络信息传输与控制的核心部分，在整个系统中发挥着不可替代的作用，连接负责数据采集的终端节点和负责数据处理的监测主机端，收发数据和指令，具有路由器和协调器的双重功能，起到管理整个无线网络和完成对煤矿风机状态监测的重要任务。
[0046]由于协调器节点复杂的功能，还需要处理大量的数据通信任务，必须拥有强大的数据处理能力，所以本系统在协调器节点设计时综合考虑各种因素，协调器节点包括主控制模块、以及与主控模块相连的以太网通信电路模块、程序和数据存储器模块、无线通信电路、串口通信电路、JTAG接口电路和电源电路；
[0047]所述主控制模块采用S3C2440A，S3C2440A是设计嵌入式设备的主控制器的良好选择。S3C2440A基于ARM920T核心，0.13μπι的CMOS标准宏单元和存储器单元。低功耗、简单、精致且全静态设计符合低功耗的设计应用，S3C2440A的突出特点是其处理器核心，是一个由Advanced RISC Machines(ARM)公司设计的 16/32位ARM920T的RISC处理器。ARM920T具有MMU、AMBA总线和哈佛结构，有利于提高处理器的运算速度，因为此结构可以实现高速的指令和数据缓存。
[0048]存储器电路采用IG字节的NANDFlash，具体型号为KgGSGOSUOAigGSGOSUOA是韩国三星生产的Nand型Flash存储器。芯片内存为IGB大小，是8位总线型芯片，正常工作电压的范围是2.7?3.6V。
[0049]K9G8G08U0A的1/0接口是地址和数据复用的多功能接口，当片选信号有效时，1/0口上的信息为控制命令信息。当ALE生效的时候，1/0 口上的信息为地址信息;写数据或读数据有效时，1/0 口上的信息为数据。使用这种1/0方式可以节省芯片的资源，这是以牺牲控制方便程度为代价的，因此它的操作控制方式比较复杂。我们需要在ARM S3C2440的Flash控制寄存器中做相应的设置达到控制存储器模块的目的[39]。3302440与K9G8G08U0A连接的电路原理图如图8所示。
[0050]协调器节点通过以太网将收集到的数据传送至监测主机，监测主机发来的指令也可以通过以太网传给协调器的主控制器。以太网接口电路采用DM9000网卡芯片。DM9000是一款高集成度的、低成本的单片快速以太网MAC控制器，含有常用接口、16k的SRAM和10M/100M物理层。
[0051]见图9。串行通信接口电路是嵌入式器件使用最广的通信方法，它可以实现串并数据之间的转换。本系统协调器节点的串行口也可以用来与监测主机完成数据交换。电平转换芯片采用MAX232。
[0052]电源电路承担着给节点上所有的用电器件供电。采用LM7805将12V电压转变为5V电压，再采用LMl 17将5V转变为3.3V的电压供协调器节点使用。
[0053]见图10<JTAG(Joint TestAct1n Group)是各国统一规定的一种通用的测试协议，它的作用是方便对嵌入式系统下载相应程序，方便其调试和仿真。一般内部结构复杂的电子器件大部分拥有JTAG接口电路，如ARM、DSP、FPGA等，符合国际标准的JTAG接口是4线:TDO、TMS、TCK、TDI，它们代表的意思是测试时的模式选择、时钟选择、数据输入和数据输出设置。JTAG可以让我们方便的访问元器件的内部资源，不仅方便而且有效。在本系统的硬件设计时，组成ZigBee网络的两种节点的设计都加入了JTAG接口，可以进行程序的烧写与调试。
[0054]见图11。监测主机是用户了解风机设备运行状态的可视化平台。它由监测主界面、实时数据显示界面、数据报表、数据智能分析界面、报警功能等组成。监测主机的监测软件负责建立与协调器的连接、定时接收数据、实时显示风机的各种参数、存储各类数据并对历史数据进行分析预知其是否运行良好。
[0055]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，而非对其限制;应当指出，尽管参照上述各实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
【主权项】
1.一种煤矿主风机远程实时监测系统，其特征在于，包括数据采集层、数据传输层和智能监测分析层: 数据采集层即终端节点，包括振动传感器、电量传感器、温度传感器、主控制器和无线模块，负责对风机运行时各种数据的采集； 数据传输层即ZigBee网络，由终端节点与协调器节点构成星型网络，协调器负责建立网络，终端节点在搜寻到已建立好的网络后，就申请加入到网络中，从而将数据采集的数据传送给智能监测分析层； 智能监测分析层即监测主机的监测模块，监测主机通过以太网连接协调器节点，智能监测分析层负责收集风机的各种运行数据，并具备实时存储、显示、查询、分析数据、报表打印、发出预警信号功能。2.根据权利要求1所述的一种煤矿主风机远程实时监测系统，其特征在于，所述终端节点包括微控制器，以及与微控制器连接的传感器接口和相关电路模块，无线数据传输模块和电源模块，其中，传感器模块至少包括采集振动数据的振动传感器、采集温度数据的温度传感器、采集电流电压数据的电量传感器； 所述微控制器采用MSP430F149单片机，振动传感器采用ADIS16220振动传感器，温度传感器采用DALLAS开发的DS18B20温度传感器，电量传感器选用C2-300型霍尔传感器。3.根据权利要求2所述的一种煤矿主风机远程实时监测系统，其特征在于，所述无线模块采用CC2530无线通信模块，CC2530无线通信模块通过串口和MSP430F149相连接。4.根据权利要求3所述的一种煤矿主风机远程实时监测系统，其特征在于，所述电源模块选择锂电池作为电源，电源模块为主控制器和传感器供电，其中，为电量传感器供电12V，采用LM7805将12V电压转变为5V电压，再采用LM117将5V转变为3.3V，为单片机及温度、振动传感器供电3.3V。5.根据权利要求1所述的一种煤矿主风机远程实时监测系统，其特征在于，所述协调器节点包括主控制模块、以及与主控模块相连的以太网通信电路模块、程序和数据存储器模块、无线通信电路、串口通信电路、JTAG接口电路和电源电路； 所述主控制模块采用S3C2440A;存储器电路采用IG字节的NANDFlash，具体型号为K9G8G08U0A。6.根据权利要求5所述的一种煤矿主风机远程实时监测系统，其特征在于，所述以太网通信电路模块采用DM9000网卡芯片。7.根据权利要求6所述的一种煤矿主风机远程实时监测系统，其特征在于，所述串口通信电路采用MAX232与监测主机完成数据交换。8.根据权利要求7所述的一种煤矿主风机远程实时监测系统，其特征在于，所述电源电路采用LM7805将12V电压转变为5V电压，再采用LM117将5V转变为3.3V的电压供协调器节点使用。
【文档编号】F04D27/00GK205533378SQ201620317720
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】昝宏洋, 吴震, 刘迷, 王仁君, 李欢, 原晓丹, 游梦然
【申请人】西安科技大学