专利名称：一种用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电缆接头状态监测装置，特别是一种用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置。
背景技术：
随着大型煤矿矿井生产进度的不断深入，井下高压供电网络越发庞大，电缆接头数目增多，高压电缆连接装置(俗称防爆接线盒，专门用于连接井下高压电缆)受温度、湿度、带载情况及制作工艺的影响，爆炸事故频繁发生。因此高压电缆接头的健康监测成为煤矿工业向高效安全方向发展过程中不可回避的重要问题。目前与煤矿井下高压电缆接头状态监测相关的文献有华北电力大学任燕等人发表在《电气应用》2005年第12期题为“矿山高压输电电缆接头温度巡测系统”，该系统通过车载式或手持式温度巡检仪定期收集电缆接头温度，系统实时性差，对突发故障无法及时报警。中国矿业大学任惠和孙继平教授在《煤炭科学技术》2006年第12期发表题为“矿用电缆温度在线监测方法的研究”一文，提出了一种微处理器技术和总线式数字温度传感器技术相结合的接头温度在线监测系统，实时监测温度变化，但系统没有监测电缆电流和接线盒内湿度，也就无法全面掌握故障发生时的状态信息。为此，太原理工大学宋建成教授和齐建伟等在公开号为CN101614597 “一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置”的发明专利中提出了一种基于多参量的电缆接头状态在线监测装置。上述两种在线监测装置均采用分布式网络化结构，由于煤矿井下电缆接头具有分布广、数量多、相距随机性大的特点，需在巷道布置数十台该监测装置，各监测装置通过RS485端口与监测分站和总站通信， 这种数据有线传输方式存在线路铺设不便、经济性不高、通信线路易损坏及给井下作业带来不便等问题。无线通信具有建网快、扩展性好、数据传输可靠、易于实现多监测点数据集中管理、简化监测设备的优点，郑州航空工业管理学院温欣玲等人发表在《煤炭科学技术》2008 年第6期题为“煤矿高压电缆接头实时温度监控系统设计”的文中提出了基于nRF系列无线传输模块的矿井电缆接头温度在线监控系统，但此无线通信模块不具有自组网功能，其组网和路由都要通过软件编程来实现，比较繁琐，若增加检测节点，则须在软硬件上均作较大改动，而且基于该无线模块的系统基本是单跳系统，传输距离近，为布网和系统扩容带来许多问题。另外，nRF系列模块也不具有远程配置功能。因此，为保证矿井供电安全，迫切需要设计一种功耗低、传输距离远、配置方便、具有自组网功能的网状拓扑结构的无线网络监测装置来解决目前数据有线传输及nRF系列无线通信装置的不足，实现全矿井电缆接头状态的统一数据处理、预警及管理。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置，主要解决现有煤矿高压电缆接头实时温度监控系统中数据有线传输及nRF系列通信模块的不足，实现全矿井电缆接头状态的远程监测。为实现上述目的，本实用新型是这样实现的。一种用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置，它由若干终端节点、若干无线路由和一监控中心组成；其特征在于每个终端节点包括微处理器单元、数据采集单元、时钟单元、数据存储单元、电源和无线终端；每个无线路由包括无线路由器和电源；监控中心包括微处理器单元、时钟单元、数据存储单元、显示报警单元、电源、无线协调器和 RS485通信端口 ；所述的终端节点的无线终端、无线路由的无线路由器和监控中心的无线协调器是DIGI公司基于Zigbee技术具有自组网功能的无线通信模块XBee PRO。所述的用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置，其特征在于所述的终端节点和监控中心的微处理器单元是TI公司的16位高性能低功耗单片机MSP430F149 ；所述的无线通信模块XBee PRO的数据线与各自微处理器单元的P3. 4、P3. 5相连，睡眠控制线和数据流控制线分别与各自微处理器单元的P2. 0、P2. 1、P2. 2相连。所述的用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置，其特征在于所述的无线通信模块XBee PRO的RSSI引脚通过电阻R8接到电压比较芯片的三个反相输入端ΙΝΑ-、 INB-和INC-引脚；电压比较芯片的三个正输入端INA+、INB+和INC+引脚分别接在分压电阻R7与R6、R6与R5、R5与R4之间，三个输出端OUTA、OUTB和OUTC分别与发光二级管 LED3、LED2和LEDl的阴极相连，三个发光二级管分别通过电阻Rl、R2和R3共阳极接电源 VCC。所述的用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置，其特征在于所述的监控中心的微处理器单元通过RS485通信端口连接上位机。本实用新型藉由上述技术方案所具有的优点与积极效果在于XBee PRO无线通信模块可灵活自由地形成各种拓扑结构网络，并可随时改变其拓扑结构，不会影响数据通信， 也不需要额外软件编程；模块上电后，由XBee PRO配置而成的无线协调器自动寻找网络中的节点，并自动分配网络地址，数据传输自动选择路由，不需人为操作和编程；XBee PRO模块可通过上位机发送远程命令，控制各个终端节点的数据采集周期，睡眠设置和数据流控制，保证模块的低功耗运行和数据有效传输。本实用新型结构简单，较原来的分布式监测装置成本低、安装调试方便、系统功耗低、抗干扰能力强、数据传输稳定可靠、拓展功能强、增加或减少监测节点软件改动少，可方便监测全矿井电缆接头的实时运行状态。
图1是本实用新型的系统结构框图；图2是本实用新型的无线通信单元与微处理器单元的连接图。图3是本实用新型的无线信号强弱指示电路原理图。图4是本实用新型的无线数据传输流程图图5是本实用新型的通信模块远程配置流程图。
具体实施方式
请参阅图1，本实用新型公开了一种用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置，它由若干终端节点1、若干无线路由2和一监控中心3组成；每个终端节点1包括微处理器单元11、数据采集单元12(如温度、电流、湿度数据采集单元)、时钟单元13、数据存储单元14、电源15和无线终端16 ；每个无线路由2包括无线路由器21和电源22 ；监控中心3包括微处理器单元31、时钟单元32、数据存储单元33、显示报警单元34、电源35、无线协调器36和RS485通信端口 ；所述的监控中心3的微处理器单元31通过RS485通信端口连接上位机4。本实用新型中终端节点1和监控中心3的微处理器单元11、31 (Ul)是TI公司的 16位高性能低功耗单片机MSP430F149，负责数据采集、存储、处理及无线通信命令的执行。 其他单元的具体分析，在公开号为CN101614597“一种用于矿井巷道高压电缆接头状态的监测装置”的发明专利中已有说明，这里不再赘述。本实用新型的主要特点是在分布式监测装置中增加了无线通信单元和无线传输方法。本实用新型的无线通信单元分为无线终端、无线路由器、无线协调器三种形态，其控制核心均采用了 DIGI公司基于Zigbee技术具有自组网功能的通信模块XBee PR0(U2), 并通过X_CTU软件配置成不同形态，失电后再次上电仍有效。无线通信模块U2充当无线终端16和无线协调器36时，如图2所示，其数据线与各自微处理器单元Ul的P3. 4、P3. 5相连，睡眠控制线和数据流控制线分别与各自微处理器单元Ul的P2. 0、P2. 1、P2. 2相连，主要作用是将采样数据从无线终端发送到无线协调器，也接收无线协调器传来的远程配置数据，如果距离较远，则自动通过无线路由器21跳转。图3是无线信号强弱指示电路，无线模块的RSSI引脚通过电阻R8接到电压比较芯片U3的ΙΝΑ-、INB-和INC-引脚，电压比较芯片的INA+、INB+和INC+引脚分别接在电阻R7与R6、R6与R5、R5与R4之间，OUTA, OUTB 和OUTC分别与发光二级管LED3、LED2和LEDl的阴极相连，三个发光二级管分别通过电阻 RU R2和R3共阳极接电源VCC。在无线通信过程中，若信号强度很好，则三个LED均发光； 若信号一般，则LED2和LED3发光；若信号较弱，则仅有LED3发光；若没有信号，则三个LED 均不发光。所述的无线传输方法控制包括无线数据传输和通信模块远程配置，数据传输采用 API格式。无线数据传输是将终端节点电缆接头的温度、电流、湿度监测值传送到监控中心处的微处理器，由监控中心的微处理器统一进行数据处理、预警并通过RS485通信端口上传至上位机。操作流程如图4，具体如下(1)系统初始化微处理器单元Ul由时钟单元计时，到某一时刻，通过P2. 0发送一个电平信号到无线终端U2的睡眠引脚，激活无线终端以准备发送数据，同时完成对数据采集单元的初始化。( 2 )数据采集微处理器通过启动数据采集程序，检测电缆接头处的温度湿度和电流数据，经过A/D转换后，形成十六进制有效数据。(3)生成数据帧微处理器按照XBee模块无线通信的数据格式生成数据帧，数据帧包含了数据的长度、帧标识符、目标地址、数据内容、校验码等信息。例如，从地址为00 13 A2 00 40 69 58 5D的无线终端传送数据0x45到地址为00 13 A2 00 40 69 58 60无线协调器，则在微处理器中应生成如下十六进制数据帧7E 00 OF 10 01 00 13 A2 00 40 69 58 60 FF FE 00 00 45 97。此数据帧中各数据含义依次如下7E帧头；00 OF数据长度；10帧类型；01帧ID ；00 13 A2 00 40 69 58 60目标地
5的网络地址；00广播半径；00推荐项；45 数据内容；97校验码。(4)数据发送微处理器通过串口 UARTO :P3. 4、P3. 5将以上数据帧传送给无线终端，无线终端接收数据后会自动寻找路由，以最短的路径将数据传送出去，如果距离在通信范围内，则可直接将数据帧传送到无线协调器，如果距离较远，则需要通过无线路由器中转将数据传送到无线协调器。(5)数据接收数据帧从无线终端发出，无线协调器会接收到以下数据帧7E 00 OD 90 00 13 A2 00 40 69 58 5D 00 00 01 45 15。此数据帧中各数据含义依次如下7E帧头；00 OD数据长度；90接收标志；00 13 A2 00 40 69 58 OT源地址，此处为无线终端的64位地址；00广播半径；00推荐项；01接收状态，01表示接收成功；45数据内容；13校验码。通过该数据帧可以看出，无线协调器已经成功接收到来自无线终端的数据0x45， 并且还可以看到数据长度，源地址等信息。(6)数据处理无线协调器将数据帧传送到监控中心处的微处理器单元，微处理器会将数据经处理后存储、显示、越限报警，并通过RS485端口将数据传送给地面的上位机。协调器接收数据完毕后，无线终端处会收到来自协调器的反馈信息以表明数据接收状态，若接收成功，无线终端经过一段延时后自动进入睡眠状态，等待下一次的数据传送；若接收失败，无线终端会自动进行数据重发。若无线终端处的数据量超过一定值，为避免数据拥塞，则其数据流控制引脚会向微处理器的P2. 1、P2. 2发送电平信号，并停止接收来自微处理器的数据，待数据拥塞解除后方能再次接收来自微处理器的数据。监控中心处的无线协调器也是同样的控制方法。此过程即完成了一次无线数据传送。通信模块远程配置是通过上位机软件对无线终端进行配置，远程配置可改变无线终端的工作方式、睡眠模式、节点ID以及获取无线终端的各种信息等，便于无线终端的管理，提高监测网络的灵活性。在此，以配置无线终端的节点ID为例来说明，配置流程如图5， 具体步骤如下(1)软件设定打开上位机内的配置软件，选择API远程命令模式和目标模块的地址，这里选择地址为00 13 A2 00 40 69 58 5D的无线终端为目标地址。(2)输入命令在软件命令栏输入NI (节点ID的命令代码)，在参数栏输入EF (重新设定的节点ID代码)，则软件自动生成如下数据帧7E 00 11 17 01 00 13 A2 00 40 69 58 5D FF FE 00 4E 49 45 46 B5。此数据帧中各数据含义依次如下。7E帧头；00 11数据长度；17远程命令请求标识；01帧ID ；00 13 A2 00 40 69 58 5D目标地址；FF FE无线协调器的网络地址；00推荐项；4E 49配置命令NI对应的十六进制ASCLL码；45 46配置参数EF对应的十六进制ASCLL码；B5校验码。(3)命令数据发送在配置软件中设定好命令及参数后，点击发送即可将自动生成的上述命令数据帧发送到监控中心的微处理器，微处理器通过无线协调器自动寻找路由将数据帧送到目标模块。(4)接收命令数据在无线终端中，只有命令数据帧中指定的目标地址才能接收到命令数据。(5)命令识别接收到命令数据的无线终端自动识别数据并根据数据内容完成自
6身配置。(6)信息反馈无线终端完成配置后会反馈配置信息给无线协调器，以便于状态查询。此时，无线协调器会收到的如下反馈数据帧7E 00 OF 97 01 00 13 A2 00 40 69 58 5D 05 4F 4E 49 00 69。此数据帧中各数据含义依次如下。7E帧头；00 OF数据长度；97远程命令接收标识；01帧ID ；00 13 A2 00 40 69 58 5D源地址；FF FE无线终端的网络地址；4E 49配置命令NI对应的十六进制ASCLL码； 00配置状态位，00表明配置完成；69校验码。通过从无线终端反馈信息可以看出，远程配置已经完成，如果配置未完成，则须在上位机软件刷新后，按以上步骤重新配置。其他方面的远程配置均与上述过程类似。综上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本实用新型的技术范畴。
权利要求1.一种用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置，它由若干终端节点(1)、若干无线路由(2)和一监控中心(3)组成；其特征在于每个终端节点(1)包括微处理器单元 (11)、数据采集单元(12)、时钟单元(13)、数据存储单元(14)、电源(15)和无线终端(16)； 每个无线路由(2)包括无线路由器(21)和电源(22)；监控中心(3)包括微处理器单元 (31)、时钟单元(32)、数据存储单元(33)、显示报警单元(34)、电源(35)、无线协调器(36) 和RS485通信端口 ；所述的终端节点(1)的无线终端(16)、无线路由(2)的无线路由器(21) 和监控中心(3)的无线协调器(36)是DIGI公司基于Zigbee技术具有自组网功能的无线通信模块XBee PRO。
2.根据权利要求1所述的用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置，其特征在于所述的终端节点(1)和监控中心(3)的微处理器单元(11、31)是TI公司的16位高性能低功耗单片机MSP430F149 ；所述的无线通信模块XBee PRO的数据线与各自微处理器单元 (11、31)的？3.413.5相连，睡眠控制线和数据流控制线分别与各自微处理器单元(11、31) 的 P2. 0、P2. 1、P2. 2 相连。
3.根据权利要求2所述的用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置，其特征在于所述的无线通信模块XBee PRO的RSSI引脚通过电阻R8接到电压比较芯片的三个反相输入端ΙΝΑ-、INB-和INC-引脚；电压比较芯片的三个正输入端INA+、INB+和INC+引脚分别接在分压电阻R7与R6、R6与R5、R5与R4之间，三个输出端OUTA、OUTB和OUTC分别与发光二级管LED3、LED2和LEDl的阴极相连，三个发光二级管分别通过电阻Rl、R2和R3共阳极接电源VCC。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置， 其特征在于所述的监控中心(3)的微处理器单元(31)通过RS485通信端口连接上位机 (4)。
专利摘要本实用新型涉及一种用于矿井高压电缆接头状态的无线网络监测装置。它由若干终端节点、若干无线路由和一监控中心组成；每个终端节点包括微处理器单元、数据采集单元、时钟单元、数据存储单元、电源和无线终端；每个无线路由包括无线路由器和电源；监控中心包括微处理器单元、时钟单元、数据存储单元、显示报警单元、电源、无线协调器和RS485通信端口；所述的终端节点的无线终端、无线路由的无线路由器和监控中心的无线协调器是DIGI公司基于Zigbee技术具有自组网功能的无线通信模块XBeePRO。它主要解决现有煤矿高压电缆接头实时温度监控系统中数据有线传输及nRF系列通信模块的不足，实现全矿井电缆接头状态的远程监测。
文档编号G08C17/02GK202230596SQ201120290568
公开日2012年5月23日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者冯冬, 宋建成, 李海英, 李玄 申请人:上海理工大学