CN102014524A - 基于无线传感器组网、电力载波的芯片和监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种基于WSN(WirelessSensorNetwork，无线传感器组网技术)、PLC(Power line communication，电力载波技术)的芯片和监控系统。该芯片包括：路由处理模块、数据采集模块和多载波通信模块。上述路由处理模块，用于利用无线传感器的自组网方式和多跳的多信道通信方式，每个芯片作为一个节点均可动态地被设置为路由器或转发器，多个芯片实现自动组网。上述数据采集模块，用于通过传感器、模数/数模转换器及可编程增益放大器实时采集外部环境中的数据，将采集的数据通过内置的存储器进行缓存，并传输给多载波通信模块。本发明实施例实现了采用电力载波技术和无线技术相互结合的方式对工业设备和环境进行有效的监控。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动化应用技术领域，尤其涉及一种基于WSN(WirelessSensorNetwork，无线传感器组网技术)、PLC(Power line communication，电力载波技术)的芯片和监控系统。
背景技术
工业自动化监控系统是20世纪现代制造领域中最重要的技术之一。由于它对企业生产过程起着明显的提升作用，无论是流程性企业，还是柔性生产企业，都有明确的应用需求。
目前，包括电力、石油、化工、钢铁、冶金、采掘等在内的大型工业企业，都针对生产过程中的主要流程建立了相应的工业自动化生产控制系统，而对于占生产设备60％的主、辅生产设备都没有建立必要的设备状态与安全自动监控系统，通常通过人工点检的方式定期去检查、采集设备状态数据。
现有技术中的一种工业自动化监控系统的实现方案主要包括：基于专缆式的监控系统。该监控系统配置有固定式通讯网络，架设专用线缆的方式传送数据。系统中的各种传感器节点都需预先安装，传感器节点不具有计算功能，传感器之间也不能通信，只能通过专用电缆与工控机连接、上传模拟量或开关量信号。
在实现本发明的过程中，发明人发现上述工业自动化监控系统的实现方案的缺点为：该监控系统不能适应于采矿业中的井下应用环境。首先，在投资经济性方面，其通信基础架构的一次性投资大，而由于井下节点主要分布在巷道口导致该系统的监测覆盖的范围有限，与工人生命息息相关的开采区、掘进区的作业面内，由于设备移动性和环境恶劣等原因，专缆不容易进入，成为监测盲区；其次，对于移动设备占70％以上的采矿业来说，存在空间小布线多、延伸和维护作业繁琐复杂、系统扩展性能差等特点，由于矿床/井结构在生产过程中在不停变化，许多移动性设备根本无法安装固定有专缆的在线监控系统，即使已安装的在线监控系统也必须根据采掘进度情况随时调整；第三，从系统运行性能上看，由于其采用专线连接，线路容易老化或遭到腐蚀，时常发生磨损故障，存在误报警率较高、维护工作难度大等问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于无线传感器组网、电力载波的芯片和监控系统，以实现采用有线和无线相互结合的方式对工业环境进行有效的监控。
一种基于无线传感器组网、电力载波的芯片，包括：
路由处理模块，用于利用无线传感器的自组网方式和多跳的多信道通信方式，每个芯片作为一个节点均可动态地被设置为路由器或转发器，多个芯片实现自动组网；
数据采集模块，用于通过传感器、模数/数模转换器及可编程增益放大器实时采集外部环境中的数据，将采集的数据通过内置的存储器进行缓存，并传输给多载波通信模块；
多载波通信模块，用于将多个独立调制载波组合，每个调制载波具有不同的载波频率，利用所述多个调制载波中的部分调制载波通过无线网络进行数据传输，与其它芯片进行通信，所述多个调制载波中的其它调制载波作为备用。
一种基于无线传感器组网、电力载波的监控系统，包括：多个节点和管理单元，管理单元通过电力载波和无线网络相结合的方式，与各个节点相互连接，
节点，每个节点中包括一个上述权利要求1至4任一项所述的芯片，用于通过传感器实时采集外部环境中的数据，再通过多载波联合通信的方式，利用所述无线网络、有线网络将采集到的数据传输给管理单元；
管理单元，用于通过向各个节点发送管理命令综合管理各个节点的激活、维持、开启和关闭，配置各个节点的信号调制方法、频带选择、数据发送模式等信息；接收各个节点发送的数据，进行综合分析。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的芯片和检测系统采用了先进的数字信号处理技术、通讯技术、容错技术及网络理论，克服了无线通讯和电力载波在特定运行环境下的弱点，实现了各类终端用户数据的可靠连接。它将根本改变以往对终端对象监测必须依赖专用传输缆的方式，进而实现“无专缆”的终端监测通信模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种基于WSN和PLC的新型集成电路芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种井下配电开关柜的接线方式示意图；
图3为基于图1所示的芯片，本发明实施例二提供的一种监控系统的WPN(wireless & PLCC Network)智能网络技术原理示意图；
图4为基于图1所示的芯片，本发明实施例二提供的一种监控系统的结构示意图；
图5为本发明实施例二提供的一种监控系统在煤矿井下的应用场景示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明实施例提出了一种基于WSN和PLC的新型集成电路芯片。上述芯片将集成高速MCS-51兼容CPU，整个通信协议栈功能由硬件电路完成，CPU可被用来提供应用系统的编程。无线通信部分由工作在2.14GHz的WAFE(无线模拟前端)和集成在SoC(窄带高速电力线通信)中的数字基带处理器及协议栈组成，芯片通信支持鉴权和认证。上述芯片可以选用Keil μVision作为它的软件开发工具，将KeilC语言编辑、汇编编译、连接及调试等功能集于一体，实现各领域用户应用开发需求。
上述芯片的具体结构如图1所示，可以包括如下的模块：
物理层处理模块11，用于配置芯片的信号调制方法、频带选择，以及激活、维持、关闭芯片的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。
路由处理模块12，用于利用无线传感器的自组网方式和多跳的多信道通信方式进行组网，每个芯片作为一个节点均可动态地被设置为路由器或转发器，在小范围内多个芯片实现自动组网，并可以完成自适应及自动维护网络等功能。从而不必再投入大量的人工干预以进行人工网络测量、调试等步骤，从而大大节省维护费用。该路由处理模块可以兼容EIA-709.1和EIA-709.2标准规范的通信协议。
比如，如果矿井下没有可接入的光纤以太网络，电力载波传输就必须跨越变压器以实现更远距离传输。这时，可以通过在变压器两端的两个芯片之间建立“无线桥”，作为不同电压等级下电力载波传输的信息桥。这时的路由网关芯片还必须具备自组网传输功能，成为网桥节点。
数据采集模块13，用于通过传感器、模数/数模转换器及可编程增益放大器实时采集外部环境中的温度、气体浓度等数据，将采集的数据通过内置的存储器进行缓存，并传输给多载波通信模块。
在矿井巷道内，通常距离较远，巷道内人员车辆稀少，且没有十分重要的设备需要监控，沿途不少区段是专缆监测系统和人员定位系统的盲区。上述数据采集模块可以接收沿途来自环境、人员车辆等方面的无线传感器信号，并将其转换为电力载波信号通过直接加载至电缆上，远传至10kV配电柜的接收端，再通过网关上传至光纤网络，进而实现人员车辆定位，以及环境监测等重要功能。
多载波通信模块14，用于将多个独立调制载波组合，每个调制载波具有不同的载波频率。利用所述多个调制载波中的部分调制载波进行数据传输，与其它芯片进行通信，上述多个调制载波中的其它调制载波作为备用。将各芯片采集到的数据自动汇聚到网络中的中继节点，最后汇集到整个监控系统中的管理单元。上述多载波通信模块可以考虑兼容EIA-709.1，EIA-709.2和EN50065-1国际标准设计。
在用电段，通常在用电设备电源入口处和移动变压器的开关出口处，都有可接入载波设备的馈电喇叭口，能够保证上述多载波通信模块在用电段实现双向通信，也即不仅可以将数据采集模块现场采集的数据上传至光纤主网络，也可以通过发送下行数据实现对数据采集模块的控制。
该实施例提供的一种井下配电开关柜的接线方式示意图如图2所示，光纤能够保证抵达井下配电开关柜和移动变压器附近。井下光纤通常能够抵达井下10kV开关柜和所有移动变附近，有些地方光纤甚至延伸至用电设备附近，为无线载波传感器网络通过专用网关接入光纤以太网提供了条件。
上述多载波通信模块14具体可以包括：载波倒换模块141、过零传输模块142和扩频处理模块143。其中，
载波倒换模块141，用于当用于通信的部分调制载波出现传输质量下降时，比如上述用于通信的部分调制载波对应的载波频率出现极强干扰情况或信号跌落时，可自动选择上述备用的其它调制载波进行通信。
过零传输模块142，用于当用于通信的部分调制载波出现传输质量下降时，根据交流波形过零点附近噪声相对较低特点，采用上述部分调制载波的过零瞬间进行数据传输，从而提高上述用于通信的部分调制载波的通信质量。
扩频处理模块143，用于利用伪随机编码(扩频序列)对用于通信的部分调制载波上传输的数据进行调制，将调制处理后的数据传输给其它芯片。在接收端的其它芯片上采用相同的伪随机编码(扩频序列)进行解调处理，恢复原始数据信息。扩频通信在一定程度上可以提高频带内抗干扰的能力。
容错处理模块15，用于监控多载波通信模块所接收到的数据信号的功率、干扰强度以及误码率等信息，根据监控得到的信息完成脉冲干扰抑制功能，实现快速多信道自适应，快速自动增益控制。可将同步采样时间的误差自动纠正到200ppm以下。
实施例二
基于上述图1所示的芯片，本发明实施例提出了一种基于无线传感器组网、电力载波的井下无缆实时在线综合监控系统，该监控系统将基于电力线载波通信的有线传输技术和基于IEEE 802.15.4的无线通信技术有机地结合起来，共同组成异构通讯网络。
上述监控系统的WPN(Wireless & PLCC Network)智能网络技术原理示意图如图3所示，WPN技术在继承了无线传感器网络的自动感知、自动组网、多跳中继传递等特性的同时，充分考虑到了煤矿井下的实际情况，通过电力载波方式将井下监测数据远传至以太网，实现了对工作面终端无缆监测的技术革命。
上述监控系统的结构如图4所示，包括：管理单元41和多个节点42。管理单元通过有线光纤和无线网络相结合的方式，与各个节点相互连接，上述有线光纤可以为工业现场现有的光纤以太网络。上述无线网络可以为多个节点利用无线传感器的自组网方式和多跳的多信道通信方式，在小范围内组成的无线网络。
节点42，每个节点中包括一个上述图1所示的芯片。用于通过传感器实时采集外部环境中的温度、气体浓度等数据，再通过多载波联合通信的方式，利用上述无线网络、有线网络将采集到的数据传输给管理单元。
为克服载波接入点较少的问题，可以采用在电缆线上挂接节点的方式，对载波信号进行加载和读取，形成“单节点接入而沿线多节点直接加载”的方式，避免破开电缆、影响防爆要求，减少电力载波设备与电源的连接。
由于配电段的大多数电缆流经的电流基本都在10A以上，上述节点可以利用电磁感应从电缆上取电，以保证沿途节点的电力供应，减少人员维护。
管理单元41，用于通过向各个节点发送管理命令综合管理各个节点的激活、维持、开启和关闭，配置各个节点的信号调制方法、频带选择、数据发送模式等信息。接收各个节点发送的数据，进行综合分析。
上述节点42可以包括：传感器节点421、路由节点422和网关节点423。
传感器节点421，用于通过传感器实时采集外部环境中的温度、气体浓度等数据，通过无线网络将采集到的数据传输给路由节点422。
路由节点422，用于接收所述传感器节点421传输过来的数据，将该数据通过有线电力线网络传输到网关节点423。
网关节点423，用于接收所述路由节点422传输过来的数据，保存其下属的各个传感器节点所采集的数据。将保存的其下属的各个传感器节点所采集的数据传输给管理单元。
该实施例提供的一种上述监控系统在煤矿井下的应用场景示意图如图5所示。
上述本发明实施例可以适用于井下采矿业应用环境，以及包括电力、石油、化工、钢铁、冶金等在内的大型工业企业应用环境。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
综上所述，本发明实施例提供的芯片和检测系统采用了先进的数字信号处理技术、通讯技术、容错技术及网络理论，设计与物理层对应的多频点、多通道自动互补的通讯机制，克服了无线通讯和电力载波在各自运行环境下的弱点，实现了各类终端用户数据的可靠连接。它将根本改变以往对终端对象监测必须依赖专用传输缆的方式，进而实现“无专缆”的终端监测通信模式。
本发明实施例可以与工矿企业应用环境中的原有自动化系统有效融合，且施工简单、价格低廉、组网及维护方便，能够将检测点延伸到与工人生命息息相关的开采区、掘进区的作业面内，必将作为各大型工业企业设备状态自动监测的主要手段，并对原有自动化系统的补充或补盲，进而形成与大型工业企业高端自动化系统相对应的低端应用市场。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于无线传感器组网、电力载波的芯片，其特征在于，包括：
路由处理模块，用于利用无线传感器的自组网方式和多跳的多信道通信方式，每个芯片作为一个节点均可动态地被设置为路由器或转发器，多个芯片实现自动组网；
数据采集模块，用于通过传感器、模数/数模转换器及可编程增益放大器实时采集外部环境中的数据，将采集的数据通过内置的存储器进行缓存，并传输给多载波通信模块；
多载波通信模块，用于将多个独立调制载波组合，每个调制载波具有不同的载波频率，利用所述多个调制载波中的部分调制载波通过无线网络进行数据传输，与其它芯片进行通信，所述多个调制载波中的其它调制载波作为备用。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述的芯片还包括：
物理层处理模块，用于配置芯片的信号调制方法、频带选择，以及激活、维持、关闭芯片的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述的芯片还包括：
容错处理模块，用于监控多载波通信模块所接收到的数据信号的功率、干扰强度以及误码率信息，根据监控得到的信息完成脉冲干扰抑制功能，实现快速多信道自适应，快速自动增益控制。
4.根据权利要求1或2或3所述的芯片，其特征在于，所述的多载波通信模块具体包括：
载波倒换模块，用于当用于通信的部分调制载波出现传输质量下降时，自动选择所述备用的其它调制载波进行通信；
过零传输模块，用于当用于通信的部分调制载波出现传输质量下降时，采用所述部分调制载波的过零瞬间进行数据传输；
扩频处理模块，用于利用伪随机编码对用于通信的部分调制载波上传输的数据进行调制，将调制处理后的数据传输给其它芯片，在接收端的其它芯片上采用相同的伪随机编码进行解调处理，恢复原始数据信息。
5.一种基于无线传感器组网、电力载波的监控系统，其特征在于，包括：多个节点和管理单元，管理单元通过电力载波和无线网络相结合的方式，与各个节点相互连接，
节点，每个节点中包括一个上述权利要求1至4任一项所述的芯片，用于通过传感器实时采集外部环境中的数据，再通过多载波联合通信的方式，利用所述无线网络、有线网络将采集到的数据传输给管理单元；
管理单元，用于通过向各个节点发送管理命令综合管理各个节点的激活、维持、开启和关闭，配置各个节点的信号调制方法、频带选择、数据发送模式等信息；接收各个节点发送的数据，进行综合分析。
6.根据权利要求5所述的监控系统，其特征在于，所述的节点包括：
传感器节点，用于通过传感器实时采集设备状态信息及外部环境中的温度、气体浓度等数据，通过无线网络将采集到的数据传输给路由节点。
7.根据权利要求5所述的监控系统，其特征在于，所述的节点包括：
路由节点，用于接收所述传感器节点传输过来的数据，将该数据通过电力配电及用电线路传输到网关节点。
8.根据权利要求5所述的监控系统，其特征在于，所述的节点包括：
网关节点，用于接收所述路由节点传输过来的数据，保存其下属的各个传感器节点所采集的数据，将保存的其下属的各个传感器节点所采集的数据通过光纤或无线方式传输给管理单元。
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