基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种所述基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统，包括终端节点、路由器和协调器，协调器通过以太网与上位机相连，所述终端节点和路由器包括：输送带跑偏监测节点、输送带速度测量节点、输送带温度测量节点、输送带烟雾测量节点和输送机堆料监测节点；每个终端节点和路由器均将传感器的核心处理器和ZigBee模块集成在一块芯片上；输送带跑偏监测节点的传感器采用对射式光电开关；输送带速度测量节点采用增量式光电编码器；输送带温度测量节点采用红外温度传感器，输送带烟雾测量节点采用烟雾传感器，输送机堆料监测节点采用激光距离传感器。本发明采用无线ZigBee数据采集能更方便的进行数据的采集，能方便的更换采集位置。
【专利说明】基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统
【技术领域】
[0001]本发明属于无线传感网领域，具体是一种能够测量带式输送机多种运行环境参数的无线传感网络监测系统。
【背景技术】
[0002]随着生产技术的提高，输送机被广泛的应用于矿山、码头、冶金、建材、机械及仓储业的物料输送。在输送机运行中就需要对输送机本身状况进行监测，以达到减少人身损害及提高生产效率的目的。因此，设计既可靠又实用的输送带数据采集系统是非常必要的。在传统的数据采集系统中，节点之间采用有线方式连接，存在布线施工量大、工期长、成本高、功耗高、可移植性差的问题。以ZigBee无线传感器网络为基础的随机部署、自动组网的无线传输方式可以很好地解决这些问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统，用于监测带式输送机的运行环境参数，以便于管理人员对带式输送机的运行状况进行管理。
[0004]按照本发明提供的技术方案，所述基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统包括:终端节点、路由器和协调器，协调器通过以太网与上位机相连，终端节点和路由器通过自组织方式形成无线网络，通过多跳中继方式将采集到的数据传送给协调器；其中，所述终端节点和路由器包括:输送带跑偏监测节点、输送带速度测量节点、输送带温度测量节点、输送带烟雾测量节点和输送机堆料监测节点；每个终端节点和路由器均将传感器的核心处理器和ZigBee模块集成在一块芯片上；所述输送带跑偏监测节点的传感器采用对射式光电开关，所述对射式光电开关的接收端与ZigBee模块集成在一块芯片上，安装于输送带上侧，对射式光电开关的发射端安装于输送带下侧，一对对射式光电开关的连线位于输送带的跑偏界限上；所述输送带速度测量节点的传感器采用增量式光电编码器，输送带速度测量节点安装在驱动滚筒和机尾改向滚筒上；所述输送带温度测量节点的传感器采用红外温度传感器，输送带烟雾测量节点的传感器采用烟雾传感器，输送机堆料监测节点的传感器采用激光距离传感器。
[0005]系统通过所述输送带速度测量节点实时检测驱动滚筒的线速度和机尾改向滚筒的线速度，并对两者进行比较。如果两者速度大小相等，则说明输送机运行正常；如果驱动滚筒的线速度大于机尾改向滚筒的线速度，则说明输送机运输过程中存在打滑。
[0006]所述输送带温度测量节点和输送带烟雾测量节点安装在输送带机架上，每隔50?80m的距离安装一个温度测量节点。
[0007]所述输送机堆料监测节点分别安装在输送机的料仓、加料口的正上方并高于允许物料堆积的最高高度。
[0008]所述终端节点和路由器对监测数据进行判定，当监测数据的变化量超过设定阈值或者监测数据超过设定的正常值范围时才发送数据。
[0009]本发明优点如下:
1.基于ZigBee的带式输送机监控系统采用了短距离、低成本、低功耗的无线通信技术。解决了布线施工量大、工期长、成本高、功耗高、可移植性差的问题。
[0010]2.协调器通过以太网与上位机进行通信，适用于带式输送机车间的网络布局，并且以太网的数据流量大于RS232串口的数据流量，有利于大数据流的数据通信。
[0011]3.该带式输送机监控系统针对带式输送机在运输时常见的5种故障(即输送带跑偏、打滑、火灾、烟雾故障、堆料事故)，对输送带跑偏、速度、温度、烟雾、堆料共5种信号进行实时监测，保证带式输送机的安全生产。
[0012]4.另外，考虑到降低功耗，可以在节点运行程序中加入数据发送判定，即当数据变化微小可以忽略时，就不发送数据；反之，发送数据。从而有利于减少微处理器的能耗，延长其工作周期。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的组网结构图。
[0014]图2为本发明的节点中ZigBee无线控制模块电路图。
[0015]图3为输送带跑偏监测节点电路图。
[0016]图4输送带跑偏监测节点的布置图。
[0017]图5为输送带速度测量节点电路图。
[0018]图6为输送带速度测量节点布置图。
[0019]图7为输送带温度测量节点电路图。
[0020]图8为烟雾测量节点电路图。
[0021]图9为堆料监测节点电路图。
[0022]图10为堆料测量节点布置图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图来和实施例做进一步的说明。
[0024]本发明基于ZigBee无线传感器网络成本低、功耗小、布置灵活方便等特点，设计了一种基于ZigBee的带式输送机监测系统，该系统中的无线传感器节点具有自组网和无线路由功能，可以对整个需要监控的环境区域进行自由的接触式节点布置，并可实时采集、上传数据；该系统将采集网络通过以太网与上位机相连，实现带式输送机的实时监控。
[0025]如图1，ZigBee网络中有三种节点，分别是终端节点、路由器和协调器。终端节点是网络拓扑结构中的叶子节点，仅与它的父节点相互通讯；路由器是能够提供路由服务的网络设备，能够实现网络数据包的转发，路由设备也能够充当终端节点使用；协调器的主要功能是建立网络，及接收前两个节点发送来的数据包，上位机连接至协调器并显示监测数据。在监测区域内部署一定数量的廉价微型终端节点和路由器，通过自组织方式形成无线网络，通过多跳中继方式将采集到的数据传送给协调器，协调器通过以太网与上位机相连，最终在上位机上实现监测数据的动态显示。
[0026]其中，终端节点和路由器采用SOC模型，即核心处理器与ZigBee模块集成在一块芯片上。这样，只需要使用一块芯片就能够完成数据采集、处理网络协议栈和无线收发功能，大大降低了成本和功耗。
[0027]如图2，传感器节点和协调器的ZigBee模块电路相同。电路由模块EMZ3018、晶振电路、LED电路、按键电路(其中，RST是强制设备复位按键，SI是设备加入网络按键)、JTAG调试接口组成。其中，ADCl和ADC2是模数转换接口，RXD和TXD是串口通信发送接收端口，PAO、PAl和PBO是传感器数据输入I/O 口。
[0028]如图3，输送带跑偏监测节点硬件电路的传感器选用外形编号是E3F-DS5C1对射式光电开关，当被检测物体经过发射器和接收器之间阻断光线时，光电开关会产生开关信号，反之，不产生开关信号。本电路采用12V直流电压作为光电开关的工作电压。并采用PC817光电耦合器使前端传感器输入电路与输出电路隔离，减小电路干扰，并使输入到单片机PB 口引脚的高电平为3.3V。
[0029]如图4，输送带I位于输送带机架2上的托辊3上，为了预防跑偏，可以在每隔40-80m长的距离安装输送带跑偏监测节点。对射式光电开关的接收端与ZigBee模块集成在一块芯片上，安装于输送带I上侧，对射式光电开关的发射端安装于输送带I下侧。E3F-DS5C1对射式光电开关5安装在传感器支架4上，每个传感器支架4上有一对光电开关
5,这一对光电开关5中间隔着输送带I。光电开关5安装的位置和输送带I边缘相差输送带宽度的5%-10%的距离。
[0030]输送带速度测量节点的传感器采用德国倍加福RV158型增量式光电编码器，利用光电编码器工作时产生的脉冲对速度进行检测。这种编码器是全兼容性编码器。如图5所示，将编码器A相和B相经高速光耦6N135隔离后分别连接到PAO 口和PAl 口。
[0031]如图6，输送带速度测量节点8安装在驱动滚筒6和机尾改向滚筒7上，通过输送带速度测量节点8实时检测驱动滚筒6的线速度和机尾改向滚筒7的线速度，并对两者进行比较。如果两者速度大小相等，则说明输送机运行正常；如果驱动滚筒的线速度大于机尾改向滚筒的线速度，则说明输送机运输过程中存在一定范围的打滑。输送带I的一端为张紧装置9。输送带上承载物料10。
[0032]如图7，输送带温度测量节点电路采用KT15.81IIP型红外温度传感器。这种传感器可以输出多种信号，这里选择4~20mA的电流信号。ZigBee模块中STM32W108的模数转换(ADC)模块支持单端和差分输入，这里使用单端转换。由于使用输入缓冲器会降低ADC的精度，所以禁止输入缓冲器时，单端输入范围是O到VERF (即1.2V)。所以需要将1~20πιΑ的电流信号转换为(Tl.2V的电压信号。图中Vol输出的就是(T5V电压信号，接着连接芯片LM324中一个运放构成电压跟随器。对于输出信号为0~5V的电压信号,米用19kQ和61?Ω的电阻分压，使最终输出电压范围为(Tl.2V。
[0033]如图8，输送带烟雾测量节点硬件电路的烟雾传感器模块由烟雾传感器MQ-2和电压比较器LM324组成。烟雾传感器MQ-2的工作电压是5V直流电压，烟雾传感器的输出模拟电压范围是0-5V，所以采用19kQ和6kQ的电阻分压，使最终输出电压范围为(Tl.2V。为了便于单片机能及时报警，电路通过LM324将MQ-2输出的模拟电压AOUT与无火灾时MQ-2输出的阀值电压进行比较后输出数字信号D0UT。当AOUT大于阀值电压时，DOUT输出0，说明有火灾；反之，DOUT输出I，说明没有火灾。
[0034]输送带温度测量节点和输送带烟雾测量节点安装在输送带机架上，可以每隔50-80m的距离安装一个温度测量节点。
[0035]如图9，输送机堆料监测节点适用于输送机的料仓，加料口等处，设计堆料监测电路，起到了保护输送机和防止机头堆料的作用。本输送机堆料监测采用LDM42激光距离传感器，采用激光相位法测量物体的距离。该传感器输出为4~20πιΑ模拟电流信号，由于STM32W108的ADC模块的输入范围是(Tl.2V，所以要将4~20mA的电流信号转换为(Tl.2V的电压信号。图中Vo2输出为(T5V电压信号，接着连接芯片LM324中一个运放构成电压跟随器。对于输出信号为0~5V的电压信号，米用19kQ和6kQ的电阻分压，使最终输出电压范围为(Tl.2V。
[0036]如图10，输送机堆料监测节点11安装在物料堆放处的正上方并高于物料10堆积
的最闻闻度。
[0037]基于 ZigBee的带式输送机监控系统，采用无线ZigBee数据采集能更好的，更方便的进行数据的采集，能方便的更换采集位置。同时，本系统中，在ZigBee网络中的终端和路由传感器节点中都加入了相应的算法以判定数据是否发送，这里，当监测数据的变化量超过设定阈值或者监测数据超过设定的正常值范围时才发送数据。这样减少传感器节点发送数据次数，降低能耗，同时又能够较准确的实时反映带式输送机的运行状况。
【权利要求】
1.基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统，包括终端节点、路由器和协调器，协调器通过以太网与上位机相连，终端节点和路由器通过自组织方式形成无线网络，通过多跳中继方式将采集到的数据传送给协调器，其特征是，所述终端节点和路由器包括:输送带跑偏监测节点、输送带速度测量节点、输送带温度测量节点、输送带烟雾测量节点和输送机堆料监测节点；每个终端节点和路由器均将传感器的核心处理器和ZigBee模块集成在一块芯片上； 所述输送带跑偏监测节点的传感器采用对射式光电开关，所述对射式光电开关的接收端与ZigBee模块集成在一块芯片上，安装于输送带上侧，对射式光电开关的发射端安装于输送带下侧，一对对射式光电开关的连线位于输送带的跑偏界限上； 所述输送带速度测量节点的传感器采用增量式光电编码器，输送带速度测量节点安装在驱动滚筒和机尾改向滚筒上； 所述输送带温度测量节点的传感器采用红外温度传感器，输送带烟雾测量节点的传感器采用烟雾传感器，输送机堆料监测节点的传感器采用激光距离传感器。
2.如权利要求1所述基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统，其特征是，通过所述输送带速度测量节点实时检测驱动滚筒的线速度和机尾改向滚筒的线速度，并对两者进行比较； 如果两者速度大小相等，则说明输送机运行正常；如果驱动滚筒的线速度大于机尾改向滚筒的线速度，则说明输送机运输过程中存在打滑。
3.如权利要求1所述基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统，其特征是，所述输送带温度测量节点和输送带烟雾测量节点安装在输送带机架上，每隔50?80m的距离安装一个温度测量节点。
4.如权利要求1所述基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统，其特征是，所述输送机堆料监测节点分别安装在输送机的料仓、加料口的正上方并高于允许物料堆积的最闻闻度。
5.如权利要求1所述基于ZigBee无线传感网络的带式输送机监测系统，其特征是，所述终端节点和路由器对监测数据进行判定，当监测数据的变化量超过设定阈值或者监测数据超过设定的正常值范围时才发送数据。
【文档编号】B65G43/00GK103863783SQ201410111039
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】纪志成, 吴定会, 王莉, 杨晓冬, 孔飞, 宋锦, 翟艳杰, 李意扬 申请人:江南大学