專利名稱:一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型屬于信息技術(shù)領(lǐng)域,涉及的是一種連接地面的CAN安全管理網(wǎng)絡(luò)和井 下的無線ZigBee環(huán)境參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換,具體涉及的是用于煤礦 安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。
背景技術(shù):
20世紀(jì)末以來,先進采煤國家應(yīng)用機電一體化和自動化技術(shù),實現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)過 程自動化和集約化生產(chǎn),開發(fā)了全礦井綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)。集語音、數(shù)據(jù)、圖像于一體,融 監(jiān)控、控制、通信功能、無線接入技術(shù)于一體,兼容各種專用監(jiān)控系統(tǒng)功能,覆蓋全礦井各生 產(chǎn)和生產(chǎn)輔助環(huán)節(jié),實現(xiàn)了對綜采工作以及礦井運輸、通風(fēng)、排水、供電等設(shè)備狀況參數(shù)以 及礦井瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境參數(shù)的自動化監(jiān)控和控制。全礦井綜合監(jiān)控控制系統(tǒng)至今已有四代 產(chǎn)品,基本5-10年更新一代產(chǎn)品,其中代表性的產(chǎn)品有美國MSA公司生產(chǎn)的DAN6400系統(tǒng), 德國BRBRO公司的PROMOS系統(tǒng)等。ZigBee是由英國、美國、荷蘭以及日本一些著名的公司如Honeywell、Invensys、 三菱電器、摩托羅拉、飛利浦等于2002年聯(lián)合推出的低成本、低功耗、短距離傳輸?shù)臒o線連 接技術(shù)。它和藍牙一樣,使用2. 4GHz波段,采用跳頻技術(shù),與藍牙相比更簡單、速率更慢、功 率及費用也更低,基本速率是250kb/s,傳輸范圍為100米左右,當(dāng)降低到28kb/s時,傳輸范 圍可擴大到100米以上,并獲得更高的可靠性。ZigBee適用于非常低的任務(wù)周期、低能耗、 低花費的靜態(tài)及動態(tài)的具有很多活躍節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)。我國礦區(qū)監(jiān)控技術(shù)也從人工監(jiān)控發(fā)展到了自動監(jiān)控與監(jiān)控,監(jiān)控系統(tǒng)從環(huán)境安全 監(jiān)控發(fā)展到了工況監(jiān)控和生產(chǎn)監(jiān)控,并逐步形成了礦區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),為礦區(qū)生產(chǎn)和管理的現(xiàn) 代化提供了良好的條件。但是目前國內(nèi)瓦斯信息采集監(jiān)控主要是采用將傳感器安裝到指定 位置,人員定期巡檢手工采集瓦斯信息,由巡檢員帶到地面進行分析。或者由瓦斯檢測員攜 帶手持檢測設(shè)備到達指定地點,手持設(shè)備自動檢測瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境參數(shù)并記錄下來,再帶 回地面分析。例如成都酷安科技有限公司生產(chǎn)的YJG型光學(xué)甲烷巡檢網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管系統(tǒng),就是 通過巡檢員手持設(shè)備上的光學(xué)甲烷檢測儀收集瓦斯信息,并將所檢測到的瓦斯數(shù)據(jù)及瓦斯 檢測員的整個檢測過程完整記錄下來。北京華信協(xié)同科技有限責(zé)任公司推出的煤礦安全數(shù) 字化智能巡檢系統(tǒng),同樣需要瓦斯檢測員親自到達指定地點收集信息。此類系統(tǒng)雖可達到 監(jiān)控的目的,但在系統(tǒng)成本、可靠性和人員安全方面有很大的不足之處。首先,基于有線網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)由于需要建設(shè)有線傳輸系統(tǒng),因此在很大程 度上限制了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大。隨著開采面的不斷向前推進,開采計劃隨井下煤炭的分布情 況而變化,基于有線網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的擴展跟不上開采的實際要求,使得網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù) 可靠性和實時性得不到保證,難以確保重要的安全數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和井下儀表的檢測數(shù)據(jù) 及時的傳輸。這就成為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò)為傳輸介質(zhì)的最大不足。其次,人工監(jiān)控的方案是憑借專門人員豐富的實際經(jīng)驗對危險情況的發(fā)生進行預(yù) 測。由于該類專門人員數(shù)量有限,同時考慮到監(jiān)察員對各個區(qū)域檢查的隨機性,導(dǎo)致不可能覆蓋井下所有區(qū)域。而且,瓦斯在空氣中含量高時可降低氧含量,引起窒息,親自到達信息 采集點采集瓦斯信息,還存在采集人員的人身安全問題。由此看來,建立一套靈活、可靠、擴展性強的煤礦安全無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。
實用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)上存在的不足,本實用新型提供目的是在于提供一種便攜、安全、可 靠性高、易于擴展的用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),將無線的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng) 用到煤礦瓦斯信息采集上,及時準(zhǔn)確地采集煤礦井下指定地點的瓦斯信息,又能保證巡檢 人員的人身安全。為了實現(xiàn)上述目的,本實用新型是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),其特征在于,包括用于網(wǎng)關(guān)供電 的電源管理模塊,用于接收井上CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸指令數(shù)據(jù)或發(fā)送井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的CAN收發(fā)器, 數(shù)據(jù)處理和運算能力的微處理器以及接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)或發(fā)送指令數(shù)據(jù)的ZigBee 收發(fā)器;所述電源管理模塊、CAN收發(fā)器和ZigBee收發(fā)器均與微處理器通過電路相連接,所 述ZigBee收發(fā)器通過電路還連接有收發(fā)天線,在所述收發(fā)天線與ZigBee收發(fā)器之間還設(shè) 有射頻功率放大電路,增加其射頻輸出功率,增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。前述的一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),其中,所述微處理器采用 的是32位ARM微處理器,所述32位ARM微處理器中內(nèi)置有中斷控制器。前述的一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),其中,所述ZigBee收發(fā)器 通過SPI或UART接口與微處理器通信。前述的一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),其中,所述射頻功率放大 電路采用的是型號為CC2591射頻前端芯片。本實用新型通過CAN收發(fā)器、微處理器和ZigBee收發(fā)器,實現(xiàn)了連接地面的CAN 安全管理網(wǎng)絡(luò)和井下的無線ZigBee環(huán)境參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換,基于 ZigBee技術(shù)組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要具有以下幾個方面的優(yōu)點1、低功耗=ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備工作周期較短、收發(fā)信息功率低,并且采用了休 眠模式,因此其平均功耗非常低。據(jù)估算,ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6 個月到2年的工作時間,避免了頻繁的更換電池或充電,從而減輕了網(wǎng)絡(luò)維護的負擔(dān)。2、可靠性高由于ZigBee采用了碰撞避免機制,并且為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù) 預(yù)留了專用時隙,避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機 制,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息,如果傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失可 以進行重發(fā),因此從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?、廉價由于ZigBee協(xié)議棧設(shè)計簡練,因此它的研發(fā)和生產(chǎn)成本相對較低,普通 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件上只需8位微處理器(如8051單片機)即可。目前ZigBee收發(fā)器芯片的單 價約為2 3美元,集成了增強型51單片機核心和ZigBee收發(fā)器的芯片單價約為5 7 美元,隨著技術(shù)的發(fā)展和工藝水平的提高,ZigBee相關(guān)芯片的價格還會進一步降低。4、網(wǎng)絡(luò)容量大1個獨立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上最多可以容納65536個設(shè)備(包括 協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點),并且可采用星形、樹形、網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),一般情況 下足以滿足用戶的要求。
4[0019]5、安全性高=ZigBee技術(shù)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,采用了 128位的AES 加密算法,并且各應(yīng)用可以靈活地確定其安全屬性,使網(wǎng)絡(luò)安全能夠得到有效的保障。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
來詳細說明本實用新型;
圖1為本實用新型的工作原理模塊圖;圖2為ZigBee收發(fā)器CC2480與微處理器連接示意圖;圖3為射頻功能放大器CC2591功能示意圖;圖4為本實用新型的射頻功率放大電路的電路圖圖5為無線煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解,下面 結(jié)合具體實施方式
,進一步闡述本實用新型。參見圖5,無線煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)采用了三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),包括地面的安全監(jiān) 控和信息管理網(wǎng)絡(luò)、井下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和連接井上井下的CAN網(wǎng)絡(luò)。其中,井下監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)主要負責(zé)從礦井入口處延伸到工作面的區(qū)域,包括ZigBee-CAN網(wǎng) 關(guān)、礦井巷道固定結(jié)點(兼作ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由器)和便攜式移動結(jié)點。固定結(jié)點將移動 結(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)以及自身采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee傳送ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān),ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān) 將這些數(shù)據(jù)通過有線的現(xiàn)場總線(CAN)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到地面安全監(jiān)控系統(tǒng),地面監(jiān)控系統(tǒng)采用 Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布相關(guān)信息。安全監(jiān)控系統(tǒng)對井下的各種數(shù)據(jù)進行收集、分析,并依此井下 安全狀況的判斷、應(yīng)對措施的決策和預(yù)警信息的發(fā)布,其將需要向井下發(fā)布的信息通過CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)往ZigBee-CAN網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)再將該信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)往指定的節(jié)點,或進行全網(wǎng) 廣播。參見圖1,本實施提供的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)是煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān) 鍵部分之一,是連接進行數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控管理系統(tǒng)的信息通道,其主要由32位的 ARM微處理器STM32F103、集成片內(nèi)協(xié)議棧的ZigBee收發(fā)器CC2480、射頻功率放大電路、CAN 總線收發(fā)器和電源管理單元組成,其功能如下1、32 位 ARM 微處理器 STM32F103 ;本實用新型的主要功能是完成進行ZigBee網(wǎng)絡(luò)與地面CAN網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交換,以 及兩個網(wǎng)絡(luò)間的通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換,由于其需要處理的數(shù)據(jù)流量較大,且需要一定的數(shù)據(jù)處理 和運算能力,所以微處理器采用了高性能的32位ARM微處理器STM32F103作為其核心。該STM32F103的工作溫度范圍_40°C至+85°C,其集成了豐富的片內(nèi)外設(shè),包括CAN 總線控制器、USB接口、多個UART、高速SPI接口、兩個獨立的12位ADC;并內(nèi)置有快速的中 斷控制器和32K到128K的閃存,使得其具有優(yōu)越的實時特性,中斷間的延遲時間降到只需 6個CPU周期,從低功耗模式喚醒的時間只需6個CPU周期;當(dāng)時鐘頻率72MHz時,從閃存 執(zhí)行代碼,STM32功耗36mA,相當(dāng)于0. 5mA/MHz。其次,上述STM32F103還具有以下功能①高性能,采用哈佛體系結(jié)構(gòu),指令運行速度高達1. 25DMIPS/MHZ ;
5[0034]②低功耗,在72MHz時消耗36mA (所有外設(shè)處于工作狀態(tài)),待機時下降到2 μ A, 平均功耗0. 19mW/MHz,且支持多種低功耗工作模式;③高性價比,Thumb-2指令集以16位的代碼密度帶來了 32位的性能,與 ARM7TDMI 相比運行速度最多可快35%且代碼最多可節(jié)省45% ;④高可靠性可使用2V-3. 6V電壓供電,容忍5V的I/O管腳,優(yōu)異的安全時鐘模 式,帶有內(nèi)部RC振蕩器,內(nèi)嵌復(fù)位電路;⑤較高的運算和數(shù)據(jù)處理能力,帶有單周期乘法指令和硬件除法指令。2、集成協(xié)議棧的ZigBee收發(fā)器CC2480 ;接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)或發(fā)送指令數(shù) 據(jù)。ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)與煤礦井下的ZigBee網(wǎng)絡(luò)間的通訊連接采用2. 4GHzZigBee 認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)處理器中的型號為CC2480芯片來完成(參見圖2)。該CC2480集成了全功能 ZigBee協(xié)議棧,減少開發(fā)時間并簡化了 ZigBee功能,其內(nèi)部功能如圖3所示。如圖4所示, CC2480能夠通過SPI或UART接口與32位ARM微處理器通信。3、射頻功率放大電路;煤礦井下環(huán)境惡劣,尤其是電磁環(huán)境復(fù)雜,會影響到無線信號的傳輸質(zhì)量,而且當(dāng) 某個路由器/節(jié)點因某些原因如電力不足或礦井爆炸等退出網(wǎng)絡(luò)時,需要其他的路由器/ 節(jié)點能夠代替退出網(wǎng)絡(luò)的路由器/節(jié)點執(zhí)行其在網(wǎng)絡(luò)中的功能,因此需要的時候要求路由 器/節(jié)點適當(dāng)增加其射頻輸出功率,微處理器通過射頻功率放大電路連接收發(fā)電線,增大 網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。本實施例采用了 CC2591射頻前端芯片作為功率放大器,CC2591的內(nèi)部功能框圖 及其與CC2480的接口及外圍電路如圖3和圖4所示。4、電源管理模塊;井下人員定位與管理裝置作為一種便攜式的裝置,必須使用電池供電,為了降低 成本和延長其持續(xù)工作時間,這里采用大容量的可充電鋰電池作為其電源,該電源管理單 元包括電池、電池充電電路和電源電壓轉(zhuǎn)換電路,電池充電電路、電源電壓轉(zhuǎn)換電路均與電 池通過電路連接,本實用新型通過電源管理單元為整個ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)提供電量。5、CAN收發(fā)器;其用于接收井上CAN網(wǎng)絡(luò)指令數(shù)據(jù)或發(fā)送井下監(jiān)測數(shù)據(jù),便于與地 面上監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中心傳送信息。該CAN網(wǎng)路為由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò),其可以掛接無數(shù) 個節(jié)點,由于節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制,該CAN網(wǎng)路可提供高達IMbit/s的數(shù) 據(jù)傳輸速率,確保網(wǎng)路的暢通。另外,硬件的錯誤檢定特性也增強了 CAN收發(fā)器的抗電磁干 擾能力。鑒于上述,本實用新型是基于ZigBee技術(shù)而應(yīng)用在無線煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng) 中,該線煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)主要用于煤礦井下的溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)的實時監(jiān) 測、傳輸和處理;對出現(xiàn)的瓦斯事故進行預(yù)警和安全監(jiān)控支持;將井下環(huán)境參數(shù)和井下作 業(yè)人員信息等數(shù)據(jù)在電子地圖上進行實時顯示;允許媒體和公眾遠程訪問和查詢有關(guān)信息寸。此外,無線網(wǎng)絡(luò)的擴展不需要進行大量的布線和硬件安裝工作,只需在合適的位 置布設(shè)無線通訊節(jié)點即可,使得安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控區(qū)域能夠及時的跟蹤開采面的變化。本實用新型通過CAN收發(fā)器、微處理器和ZigBee收發(fā)器,實現(xiàn)了連接地面的CAN安全管理網(wǎng)絡(luò)和井下的無線ZigBee環(huán)境參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換,綜上 所述,本實用新型應(yīng)用到煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中,通過各種傳感器實時采集礦井的環(huán)境信息, 由嵌入式系統(tǒng)對其進行處理,通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳輸?shù)骄獾陌?全監(jiān)控系統(tǒng),能夠彌補有線設(shè)備的缺陷,具有價廉、便攜、安全、可靠性高、易于擴展等優(yōu)點。 以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行 業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解,本實用新型不受上述實施例的限制,上述實施例和說明書中描述 的只是說明本實用新型的原理,在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下,本實用新型還 會有各種變化和改進,這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型 要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),其特征在于,包括用于網(wǎng)關(guān)供電的電源管理模塊,用于接收井上CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸指令數(shù)據(jù)或發(fā)送井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的CAN收發(fā)器,數(shù)據(jù)處理和運算能力的微處理器以及接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)或發(fā)送指令數(shù)據(jù)的ZigBee收發(fā)器;所述電源管理模塊、CAN收發(fā)器和ZigBee收發(fā)器均與微處理器通過電路相連接,所述ZigBee收發(fā)器通過電路還連接有收發(fā)天線,在所述收發(fā)天線與ZigBee收發(fā)器之間還設(shè)有射頻功率放大電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),其特征在 于,所述微處理器采用的是32位ARM微處理器,所述32位ARM微處理器中內(nèi)置有中斷控制ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),其特征在 于,所述ZigBee收發(fā)器通過SPI或UART接口與微處理器通信。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),其特征在于, 所述射頻功率放大電路采用的是型號為CC2591射頻前端芯片。
專利摘要本實用新型公開的是一種用于煤礦安全監(jiān)測的ZigBee-CAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān),其特征在于,包括用于網(wǎng)關(guān)供電的電源管理模塊,用于接收井上CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸指令數(shù)據(jù)或發(fā)送井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的CAN收發(fā)器,數(shù)據(jù)處理和運算能力的微處理器以及接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測數(shù)據(jù)或發(fā)送指令數(shù)據(jù)的ZigBee收發(fā)器;所述電源管理模塊、CAN收發(fā)器和ZigBee收發(fā)器均與微處理器通過電路相連接,所述ZigBee收發(fā)器通過電路還連接有收發(fā)天線,在所述收發(fā)天線與ZigBee收發(fā)器之間還設(shè)有射頻功率放大電路。本實用新型通過CAN收發(fā)器、微處理器和ZigBee收發(fā)器,實現(xiàn)了連接地面的CAN安全管理網(wǎng)絡(luò)和井下的無線ZigBee環(huán)境參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換,具有價廉、便攜、安全、可靠性高、易于擴展等優(yōu)點。
文檔編號H04W84/18GK201699999SQ20102022833
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者王莉莎, 申愛群, 郭宏, 陳巖 申請人:昆山諾金傳感技術(shù)有限公司;威海諾金傳感技術(shù)有限公司;北京鑫諾金傳感技術(shù)有限公司;北京鑫諾金電子科技發(fā)展有限公司;北京德思源電子科技發(fā)展有限公司