CN101883445A - 一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关 - Google Patents
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本发明公开的是一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，其特征在于，包括用于网关供电的电源管理模块，用于接收井上CAN网络传输指令数据或发送井下监测数据的CAN收发器，数据处理和运算能力的微处理器以及接收ZigBee网络监测数据或发送指令数据的ZigBee收发器；所述电源管理模块、CAN收发器和ZigBee收发器均与微处理器通过电路相连接，所述ZigBee收发器通过电路还连接有收发天线，在所述收发天线与ZigBee收发器之间还设有射频功率放大电路。本发明通过CAN收发器、微处理器和ZigBee收发器，实现了连接地面的CAN安全管理网络和井下的无线ZigBee环境参数监测网络之间的数据交换和协议转换，具有价廉、便携、安全、可靠性高、易于扩展等优点。
Description
技术领域
本发明属于信息技术领域，涉及的是一种连接地面的CAN安全管理网络和井下的无线ZigBee环境参数监测网络之间的数据交换和协议转换，具体涉及的是用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关。
背景技术
20世纪末以来，先进采煤国家应用机电一体化和自动化技术，实现了煤矿生产过程自动化和集约化生产，开发了全矿井综合自动化监控系统。集语音、数据、图像于一体，融监控、控制、通信功能、无线接入技术于一体，兼容各种专用监控系统功能，覆盖全矿井各生产和生产辅助环节，实现了对综采工作以及矿井运输、通风、排水、供电等设备状况参数以及矿井瓦斯浓度等环境参数的自动化监控和控制。全矿井综合监控控制系统至今已有四代产品，基本5-10年更新一代产品，其中代表性的产品有美国MSA公司生产的DAN6400系统，德国BRBRO公司的PROMOS系统等。
ZigBee是由英国、美国、荷兰以及日本一些著名的公司如Honeywe11、Invensys、三菱电器、摩托罗拉、飞利浦等于2002年联合推出的低成本、低功耗、短距离传输的无线连接技术。它和蓝牙一样，使用2.4GHz波段，采用跳频技术，与蓝牙相比更简单、速率更慢、功率及费用也更低，基本速率是250kb/s，传输范围为100米左右，当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到100米以上，并获得更高的可靠性。ZigBee适用于非常低的任务周期、低能耗、低花费的静态及动态的具有很多活跃节点的无线网络。
我国矿区监控技术也从人工监控发展到了自动监控与监控，监控系统从环境安全监控发展到了工况监控和生产监控，并逐步形成了矿区监控网络，为矿区生产和管理的现代化提供了良好的条件。但是目前国内瓦斯信息采集监控主要是采用将传感器安装到指定位置，人员定期巡检手工采集瓦斯信息，由巡检员带到地面进行分析。或者由瓦斯检测员携带手持检测设备到达指定地点，手持设备自动检测瓦斯浓度等环境参数并记录下来，再带回地面分析。例如成都酷安科技有限公司生产的YJG型光学甲烷巡检网络监管系统，就是通过巡检员手持设备上的光学甲烷检测仪收集瓦斯信息，并将所检测到的瓦斯数据及瓦斯检测员的整个检测过程完整记录下来。北京华信协同科技有限责任公司推出的煤矿安全数字化智能巡检系统，同样需要瓦斯检测员亲自到达指定地点收集信息。此类系统虽可达到监控的目的，但在系统成本、可靠性和人员安全方面有很大的不足之处。
首先，基于有线网络的安全监控系统由于需要建设有线传输系统，因此在很大程度上限制了网络规模的扩大。随着开采面的不断向前推进，开采计划随井下煤炭的分布情况而变化，基于有线网络的安全监控系统的扩展跟不上开采的实际要求，使得网络的数据可靠性和实时性得不到保证，难以确保重要的安全数据、控制数据和井下仪表的检测数据及时的传输。这就成为煤矿安全监控系统采用有线网络为传输介质的最大不足。
其次，人工监控的方案是凭借专门人员丰富的实际经验对危险情况的发生进行预测。由于该类专门人员数量有限，同时考虑到监察员对各个区域检查的随机性，导致不可能覆盖井下所有区域。而且，瓦斯在空气中含量高时可降低氧含量，引起窒息，亲自到达信息采集点采集瓦斯信息，还存在采集人员的人身安全问题。
由此看来，建立一套灵活、可靠、扩展性强的煤矿安全无线监控网络迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明提供目的是在于提供一种便携、安全、可靠性高、易于扩展的用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，将无线的数据传输技术应用到煤矿瓦斯信息采集上，及时准确地采集煤矿井下指定地点的瓦斯信息，又能保证巡检人员的人身安全。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，其特征在于，包括用于网关供电的电源管理模块，用于接收井上CAN网络传输指令数据或发送井下监测数据的CAN收发器，数据处理和运算能力的微处理器以及接收ZigBee网络监测数据或发送指令数据的ZigBee收发器；所述电源管理模块、CAN收发器和ZigBee收发器均与微处理器通过电路相连接，所述ZigBee收发器通过电路还连接有收发天线，在所述收发天线与ZigBee收发器之间还设有射频功率放大电路，增加其射频输出功率，增大网络覆盖范围。
前述的一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，其中，所述微处理器采用的是32位ARM微处理器，所述32位ARM微处理器中内置有中断控制器。
前述的一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，其中，所述ZigBee收发器通过SPI或UART接口与微处理器通信。
前述的一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，其中，所述射频功率放大电路采用的是型号为CC2591射频前端芯片。
本发明通过CAN收发器、微处理器和ZigBee收发器，实现了连接地面的CAN安全管理网络和井下的无线ZigBee环境参数监测网络之间的数据交换和协议转换，基于ZigBee技术组建的无线传感器网络主要具有以下几个方面的优点：
1、低功耗：ZigBee网络节点设备工作周期较短、收发信息功率低，并且采用了休眠模式，因此其平均功耗非常低。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年的工作时间，避免了频繁的更换电池或充电，从而减轻了网络维护的负担。
2、可靠性高：由于ZigBee采用了碰撞避免机制，并且为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现数据包丢失可以进行重发，因此从根本上保证了数据传输的可靠性。
3、廉价：由于ZigBee协议栈设计简练，因此它的研发和生产成本相对较低，普通网络节点硬件上只需8位微处理器(如8051单片机)即可。目前ZigBee收发器芯片的单价约为2～3美元，集成了增强型51单片机核心和ZigBee收发器的芯片单价约为5～7美元，随着技术的发展和工艺水平的提高，ZigBee相关芯片的价格还会进一步降低。
4、网络容量大：1个独立的ZigBee网络理论上最多可以容纳65536个设备(包括协调器、路由器和终端节点)，并且可采用星形、树形、网状等多种网络拓扑结构，一般情况下足以满足用户的要求。
5、安全性高：ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用了128位的AES加密算法，并且各应用可以灵活地确定其安全属性，使网络安全能够得到有效的保障。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的工作原理模块图；
图2为ZigBee收发器CC2480与微处理器连接示意图；
图3为射频功能放大器CC2591功能示意图；
图4为本发明的射频功率放大电路的电路图
图5为无线煤矿井下安全监控系统的工作原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图5，无线煤矿井下安全监控系统采用了三级网络结构，包括地面的安全监控和信息管理网络、井下监测网络和连接井上井下的CAN网络。其中，井下监测网络采用无线传感器网络，该网络主要负责从矿井入口处延伸到工作面的区域，包括ZigBee-CAN网关、矿井巷道固定结点(兼作ZigBee网络路由器)和便携式移动结点。固定结点将移动结点发送的数据以及自身采集的数据通过ZigBee传送ZigBee-CAN网关，ZigBee-CAN网关将这些数据通过有线的现场总线(CAN)网络转发到地面安全监控系统，地面监控系统采用Internet网络发布相关信息。安全监控系统对井下的各种数据进行收集、分析，并依此井下安全状况的判断、应对措施的决策和预警信息的发布，其将需要向井下发布的信息通过CAN网络发往ZigBee-CAN网关，网关再将该信息通过ZigBee网络发往指定的节点，或进行全网广播。
参见图1，本实施提供的ZigBee-CAN网络网关是煤矿井下安全监控系统中的关键部分之一，是连接进行数据采集网络与地面监控管理系统的信息通道，其主要由32位的ARM微处理器STM32F103、集成片内协议栈的ZigBee收发器CC2480、射频功率放大电路、CAN总线收发器和电源管理单元组成，其功能如下：
1、32位ARM微处理器STM32F103：
本发明的主要功能是完成进行ZigBee网络与地面CAN网络间的数据交换，以及两个网络间的通讯协议转换，由于其需要处理的数据流量较大，且需要一定的数据处理和运算能力，所以微处理器采用了高性能的32位ARM微处理器STM32F103作为其核心。
该STM32F103的工作温度范围-40℃至+85℃，其集成了丰富的片内外设，包括CAN总线控制器、USB接口、多个UART、高速SPI接口、两个独立的12位ADC；并内置有快速的中断控制器和32K到128K的闪存，使得其具有优越的实时特性，中断间的延迟时间降到只需6个CPU周期，从低功耗模式唤醒的时间只需6个CPU周期；当时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，相当于0.5mA/MHz。
其次，上述STM32F103还具有以下功能：
①高性能，采用哈佛体系结构，指令运行速度高达1-25DMIPS/MHz；
②低功耗，在72MHz时消耗36mA(所有外设处于工作状态)，待机时下降到2μA，平均功耗0.19mW/MHz，且支持多种低功耗工作模式；
③高性价比，Thumb-2指令集以16位的代码密度带来了32位的性能，与
相比运行速度最多可快35％且代码最多可节省45％；
④高可靠性：可使用2V-3.6V电压供电，容忍5V的I/O管脚，优异的安全时钟模式，带有内部RC振荡器，内嵌复位电路；
⑤较高的运算和数据处理能力，带有单周期乘法指令和硬件除法指令。
2、集成协议栈的ZigBee收发器CC2480；接收ZigBee网络监测数据或发送指令数据。
ZigBee-CAN网络网关与煤矿井下的ZigBee网络间的通讯连接采用2.4GHzZigBee认证网络处理器中的型号为CC2480芯片来完成(参见图2)。该CC2480集成了全功能ZigBee协议栈，减少开发时间并简化了ZigBee功能，其内部功能如图3所示。如图4所示，CC2480能够通过SPI或UART接口与32位ARM微处理器通信。
3、射频功率放大电路；
煤矿井下环境恶劣，尤其是电磁环境复杂，会影响到无线信号的传输质量，而且当某个路由器/节点因某些原因如电力不足或矿井爆炸等退出网络时，需要其他的路由器/节点能够代替退出网络的路由器/节点执行其在网络中的功能，因此需要的时候要求路由器/节点适当增加其射频输出功率，微处理器通过射频功率放大电路连接收发电线，增大网络覆盖范围。
本实施例采用了CC2591射频前端芯片作为功率放大器，CC2591的内部功能框图及其与CC2480的接口及外围电路如图3和图4所示。
4、电源管理模块；
井下人员定位与管理装置作为一种便携式的装置，必须使用电池供电，为了降低成本和延长其持续工作时间，这里采用大容量的可充电锂电池作为其电源，该电源管理单元包括电池、电池充电电路和电源电压转换电路，电池充电电路、电源电压转换电路均与电池通过电路连接，本发明通过电源管理单元为整个ZigBee-CAN网络网关提供电量。
5、CAN收发器；其用于接收井上CAN网络指令数据或发送井下监测数据，便于与地面上监测网络中心传送信息。该CAN网路为由CAN总线构成的单一网络，其可以挂接无数个节点，由于节点数目受网络硬件的电气特性所限制，该CAN网路可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，确保网路的畅通。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN收发器的抗电磁干扰能力。
鉴于上述，本发明是基于ZigBee技术而应用在无线煤矿井下安全监控系统中，该线煤矿井下安全监控系统主要用于煤矿井下的温度、湿度、瓦斯浓度等数据的实时监测、传输和处理；对出现的瓦斯事故进行预警和安全监控支持；将井下环境参数和井下作业人员信息等数据在电子地图上进行实时显示；允许媒体和公众远程访问和查询有关信息等。
此外，无线网络的扩展不需要进行大量的布线和硬件安装工作，只需在合适的位置布设无线通讯节点即可，使得安全监控系统的监控区域能够及时的跟踪开采面的变化。
本发明通过CAN收发器、微处理器和ZigBee收发器，实现了连接地面的CAN安全管理网络和井下的无线ZigBee环境参数监测网络之间的数据交换和协议转换，综上所述，本发明应用到煤矿安全监控系统中，通过各种传感器实时采集矿井的环境信息，由嵌入式系统对其进行处理，通过自组织无线网络以多跳中继方式将信息传输到井外的安全监控系统，能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、便携、安全、可靠性高、易于扩展等优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，其特征在于，包括用于网关供电的电源管理模块，用于接收井上CAN网络传输指令数据或发送井下监测数据的CAN收发器，数据处理和运算能力的微处理器以及接收ZigBee网络监测数据或发送指令数据的ZigBee收发器；所述电源管理模块、CAN收发器和ZigBee收发器均与微处理器通过电路相连接，所述ZigBee收发器通过电路还连接有收发天线，在所述收发天线与ZigBee收发器之间还设有射频功率放大电路。
2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，其特征在于，所述微处理器采用的是32位ARM微处理器，所述32位ARM微处理器中内置有中断控制器。
3.根据权利要求1所述的一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，其特征在于，所述ZigBee收发器通过SPI或UART接口与微处理器通信。
4.根据权利要求1所述的一种用于煤矿安全监测的ZigBee-CAN网络网关，其特征在于，所述射频功率放大电路采用的是型号为CC2591射频前端芯片。
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