CN103711524A - ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿安全监控技术领域，具体涉及一种ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统。其采用无线传感网络实现煤矿监测系统设计，解决井下近距离通信问题，保证数据传输的持续性，系统的可靠性。ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统，包括微弱杂散电流检测系统、ZigBee网络的杂散电流信号采集系统、嵌入式网关；所述的微弱杂散电流检测系统依次与ZigBee网络的杂散电流信号采集系统和嵌入式网关连接。
Description
技术领域
本发明属于煤矿安全监控技术领域，具体涉及一种ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统。
背景技术
在煤矿井下的运输巷道中，除了架线与轨道之外还铺设有高压电缆、风管和水管，这些管线都是由金属材料制成的，由于井下运输大巷非常潮湿，水又多酸性，即使无杂散电流存在，金属的腐蚀也很严重，而这些井下运输大巷的管线是杂散电流的良好通道，当管线中有杂散电流通过时，金属腐蚀的程度越大，速度越快。这些区域存在着大量的不确定非安全因素等，发生事故时容易对有线网络造成致命的破坏，不利于井下环境的实时监测，而杂散电流具有随机性需通过连续观测对其危险性加以有效评估。所以煤矿井下杂散电流及其防治问题一直受到人们的重视。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统，其采用无线传感网络实现煤矿监测系统设计，解决井下近距离通信问题，保证数据传输的持续性，系统的可靠性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统，其特征在于：所述的杂散电流检测系统包括微弱杂散电流检测系统、ZigBee网络的杂散电流信号采集系统、嵌入式网关；所述的微弱杂散电流检测系统依次与ZigBee网络的杂散电流信号采集系统和嵌入式网关连接；
所述的微弱杂散电流检测系统包括探针模块、Langevin非线性双稳态电路系统模块、调制信号产生模块，探针模块将探测到杂散电流输入到Langevin非线性双稳态电路系统模块中，同时，调制信号产生模块输出信号也输入到Langevin非线性双稳态电路系统模块中，Langevin非线性双稳态电路系统模块输出送入到ZigBee终端节点数据采集接口；
所述的ZigBee网络的杂散电流信号采集系统：一个ZigBee网络包括一个协调器节点，N个路由节点，M个终端节点；整个采集系统可容纳有L个ZigBee网络，每个ZigBee终端节点采集到的杂散电流数据，通过ZigBee终端节点上无线发送模块发送至ZigBee网络路由节点中，ZigBee路由节点通过路由算法，杂散电流数据将在ZigBee路由节点间通过无线传输方式最终汇聚到ZigBee协调器节点中，ZigBee协调器节点通过无线方式接收杂散电流数据，接收到的数据送入到与嵌入式网关相连接的串口；
所述的嵌入式网关：嵌入式网关的串口与ZigBee协调器节点的串口通讯连接，嵌入式网关的以太网接口与矿井下以太网相连接，嵌入式网关是基于WinCE操作系统下，采用.NET多线程机制编程，通过对串口和网口的独立读写操作，实现串口参数设置、网络发送和接收端口参数设置，将嵌入式网关串口读入数据送入到嵌入式网关网口发送；嵌入式网关网口读入数据送入到串口并发送。
所述的调制信号产生模块产生调制信号，AT89C52信号发生控制芯片控制DAC7614模拟电压信号输出产生模拟电压，模拟电压送到MAX038信号发生芯片，AT89C52信号发生控制芯片控制CD4051B多路复用器其中一路导通，完成调制信号输出控制，调制信号输出一端与LM311电压比较器连接， LM311电压比较器输出与AT89C52信号发生控制芯片相连接，反馈调制信号频率，AT89C52信号发生控制芯片与SN74HC245数码管驱动电路及LG3641AH显示数码管相连接。
所述的当杂散电流通过探针模块送入Langevin非线性双稳态电路系统模块中，同时，调制信号也送入到AD835混频器电路，经过AD835混频器电路后输出为杂散电流与调制信号的混频信号，混频信号送入到MC33078放大K倍电路中进行放大，放大后的混频信号送入到MC33078加法电路中，MC33078加法电路输出为加和信号，将加和信号送入到MC33078积分电路中，经过MC33078积分电路处理后的加和信号成为积分信号，积分信号分别送与检测输出信号接口、MC33078放大a倍电路输入接口、AD835乘法器1的两个输入接口、AD835乘法器2的其中一个输入接口连接，MC33078放大a倍电路输出接口与MC33078加法电路的一个输入接口连接，AD835乘法器1的输出接口与AD835乘法器2的一个输入接口连接，AD835乘法器2的输出接口与MC33078放大b倍电路输入接口连接，MC33078放大b倍电路输出接口与MC33078加法电路的一个输入接口连接。检测输出信号接口与ZigBee终端节点连接，ZigBee终端节点启动A/D转换完成杂散电流数据采集。
所述的Langevin非线性双稳态电路系统模块输出即为杂散电流检测系统输出接口。
所述的N个路由节点，M个终端节点中的N和M大于等于1的倍数。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：本发明为了克服井下数据采集所面临的电磁环境恶劣、干扰严重等情况，采用Langevin非线性双稳态电路系统构成随机共振电路，在信噪比达-40db情况下依然可以检测到杂散电流信号。因此，提出以随机共振系统对噪声能量转移的特点，采用Langevin非线性双稳态电路系统提高检测微弱杂散电流信噪比，增强采集数据的可靠性；随着无线传感网络ZigBee的大力发展，以其自组织、低功耗、低延时等特点，单跳或者多跳方式传输数据在工控环境中得到大量运用，以ZigBee子网络代替现场级监测、传输数据，以避免现场布线的困扰，实现系统扩展便捷，监测系统数据传输可靠、稳定性高；采用嵌入式网关实现异构网络数据的无缝传输。
由于矿井下特有的复杂工作环境，针对采用有线传输方式的煤矿杂散电流监测系统所存在的缺陷，通过组建ZigBee无线传感网络实现由现场布线式转变为增加子网络或添加节点式杂散电流监测系统，使系统的可扩展性、通信可靠性得到加强。通过嵌入式网关将无线传感网络数据转入有线工业监控网络，建立矿井的杂散电流数据库，以加强对煤矿井下的整体安全分析和管理。
附图说明
图1 为本发明的结构框图；
图2为本发明调制信号产生模块结构框图；
图3为本发明Langevin非线性双稳态电路系统模块的结构框图；
图4为本发明ZigBee网络的杂散电流信号采集系统的结构框图；
图5为本发明嵌入式网关结构框图；
图6为调制信号发生电路；
图7 为Langevin非线性双稳态电路系统。
具体实施方式：
本发明整个系统可以分为三个部分，第一部分为微弱杂散电流检测系统，该部分基于Langevin非线性双稳态系统为基础，通过构建Langevin方程电路系统，采用调制SR在强干扰实现下对任意频率的微弱杂散电流信号进行检测，微弱杂散电流信号检测系统运行方式为：
如图2和图6所示，当ZigBee终端节点执行采集命令时，由调制信号模块与ZigBee终端节点通讯连接，调制信号模块开始产生调制信号，其过程为：AT89C52信号发生控制芯片控制DAC7614模拟电压信号输出产生3路为-2.5V～+2.5V的模拟电压，3路电压分别送到MAX038信号发生芯片的DADJ、FADJ和IIN管脚，AT89C52信号发生控制芯片控制CD4051B多路复用器其中一路导通，完成调制信号输出控制，调制信号输出一端与LM311电压比较器连接， LM311电压比较器输出与AT89C52信号发生控制芯片相连接，反馈调制信号频率，AT89C52信号发生控制芯片与SN74HC245数码管驱动电路及LG3641AH显示数码管相连接，可以实时显示输出调制信号频率。
如图3和图7所示，当杂散电流通过探针模块送入Langevin非线性双稳态电路系统模块中，同时，调制信号也送入到AD835混频器电路，经过AD835混频器电路后输出为杂散电流与调制信号的混频信号，混频信号送入到MC33078放大K倍电路中进行放大，放大后的混频信号送入到MC33078加法电路中，MC33078加法电路输出为加和信号，将加和信号送入到MC33078积分电路中，经过MC33078积分电路电路处理后的加和信号成为积分信号，积分信号分别送与检测输出信号接口、MC33078放大a倍电路输入接口、AD835乘法器1的两个输入接口、AD835乘法器2的其中一个输入接口连接，MC33078放大a倍电路输出接口与MC33078加法电路的一个输入接口连接，AD835乘法器1的输出接口与AD835乘法器2的一个输入接口连接，AD835乘法器2的输出接口与MC33078放大b倍电路输入接口连接，MC33078放大b倍电路输出接口与MC33078加法电路的一个输入接口连接。检测输出信号接口与ZigBee终端节点连接，ZigBee终端节点启动A/D转换完成杂散电流数据采集。
第二部分为ZigBee无线传感网络，该网络中的ZigBee节点分为ZigBee协调器节点、ZigBee路由节点以及ZigBee终端节点。ZigBee协调器节点负责建立、维护整个ZigBee网络，该节点也是整个ZigBee网络数据汇聚节点，负责将网络中的数据通过串口发送到嵌入式网关，嵌入式网关接收外部网络命令下传至ZigBee协调器节点； ZigBee路由节点实现网络寻址，数据转发，N个ZigBee路由节点彼此之间建立通讯连接，最终ZigBee路由节点实现ZigBee协调器节点与ZigBee终端节点之间的通信中继，维持两者的通讯连接，将ZigBee网络中的杂散电流数据汇聚至ZigBee协调器节点，ZigBee协调器节点命令下传至ZigBee终端节点；ZigBee终端节点实现杂散电流数据采集，ZigBee终端节点通过无线通讯将杂散电路数据发送至ZigBee网络中的ZigBee路由节点；
ZigBee节点的杂散电流的监测，其特性包括以下几个步骤：
(1) ZigBee终端节点（FFD）外接杂散电流检测装置，持续监控其物理参量并向外传输监控数据；
(2) ZigBee路由节点（RFD）将FFD设备发送的监控数据实时传送到ZigBee协调器节点；
(3) ZigBee协调器节点接收来自RFD/FFD设备数据，并与嵌入式网关通讯连接，将检测数据发送至嵌入式网关，ZigBee协调器节点接收来自嵌入式网关的命令参数，将命令下传至ZigBee路由节点；
(4) ZigBee路由节点将命令下传至ZigBee终端节点。
如图5：第三部分为系统对外部网络接口部分，基于S3C6410的嵌入式网关模块，包括：嵌入式网关基于winCE操作系统下，采用通过多线程机制实现与ZigBee 协调器节点及工业以太网通讯连接。嵌入式网关将ZigBee 协调器节点发送到的数据转换为TCP/IP协议格式并发送至工业以太网；嵌入式网关与工业以太网通讯连接，嵌入式网关接收工业以太网数据，进行数据解析、格式转换后发送至ZigBee 协调器节点，ZigBee 协调器节点再将数据发送至ZigBee网络中；嵌入式网关完成ZigBee网络与工业以太网间通讯连接。
所述的微弱杂散电流检测系统依次与ZigBee网络的杂散电流信号采集系统和嵌入式网关连接；
如图4所示，本实例的ZigBee煤矿杂散电流监测系统包括L个嵌入式网关、L个ZigBee网络以及M个微弱杂散电流信号检测系统，L个嵌入式网关分别为嵌入式网关1……嵌入式网关x……嵌入式网关L，L个ZigBee网络分别为ZigBee协调器节点1……ZigBee协调器节点x……ZigBee协调器节点L，每个ZigBee网络中包含N个ZigBee路由节点及M个ZigBee终端节点，每个ZigBee协调器节点与N个ZigBee路由节点通讯连接，N个ZigBee路由节点分别与M个ZigBee终端节点通过路由算法通讯连接，M个ZigBee终端节点分别与M个微弱杂散电流信号检测系统对应连接，每个嵌入式网关分别与对应的ZigBee网络协调器节点通讯连接，嵌入式网关可以接受来自外部网络的各种数据和命令，通过嵌入式网关对数据和命令的帅选发给ZigBee协调器节点，ZigBee协调器节点再将命令下传至ZigBee网络中的ZigBee路由节点，最终ZigBee路由节点将命令传输至ZigBee终端节点，并执行采集或停止命令。
如图1所示，嵌入式网关可以接受来自外部网络的各种数据和命令，通过嵌入式网关对数据和命令的帅选发给ZigBee协调器节点，ZigBee协调器节点再将命令下传至ZigBee网络中的ZigBee路由节点，最终ZigBee路由节点将命令传输至Zig
Claims (5)
1.ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统，其特征在于：所述的杂散电流检测系统包括微弱杂散电流检测系统、ZigBee网络的杂散电流信号采集系统、嵌入式网关；所述的微弱杂散电流检测系统依次与ZigBee网络的杂散电流信号采集系统和嵌入式网关连接；
所述的微弱杂散电流检测系统包括探针模块、Langevin非线性双稳态电路系统模块、调制信号产生模块，探针模块将探测到杂散电流输入到Langevin非线性双稳态电路系统模块中，同时，调制信号产生模块输出信号也输入到Langevin非线性双稳态电路系统模块中，Langevin非线性双稳态电路系统模块输出送入到ZigBee终端节点数据采集接口；
所述的ZigBee网络的杂散电流信号采集系统：一个ZigBee网络包括一个协调器节点，N个路由节点，M个终端节点；整个采集系统可容纳有L个ZigBee网络，每个ZigBee终端节点采集到的杂散电流数据，通过ZigBee终端节点上无线发送模块发送至ZigBee网络路由节点中，ZigBee路由节点通过路由算法，杂散电流数据将在ZigBee路由节点间通过无线传输方式最终汇聚到ZigBee协调器节点中，ZigBee协调器节点通过无线方式接收杂散电流数据，接收到的数据送入到与嵌入式网关相连接的串口；
所述的嵌入式网关：嵌入式网关的串口与ZigBee协调器节点的串口通讯连接，嵌入式网关的以太网接口与矿井下以太网相连接，嵌入式网关是基于WinCE操作系统下，采用.NET多线程机制编程，通过对串口和网口的独立读写操作，实现串口参数设置、网络发送和接收端口参数设置，将嵌入式网关串口读入数据送入到嵌入式网关网口发送；嵌入式网关网口读入数据送入到串口并发送。
2.根据权利要求1所述的ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统，其特征在于：所述的调制信号产生模块产生调制信号，AT89C52信号发生控制芯片控制DAC7614模拟电压信号输出产生模拟电压，模拟电压送到MAX038信号发生芯片，AT89C52信号发生控制芯片控制CD4051B多路复用器其中一路导通，完成调制信号输出控制，调制信号输出一端与LM311电压比较器连接， LM311电压比较器输出与AT89C52信号发生控制芯片相连接，反馈调制信号频率，AT89C52信号发生控制芯片与SN74HC245数码管驱动电路及LG3641AH显示数码管相连接。
3.根据权利要求1或2所述的ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统，其特征在于：所述的当杂散电流通过探针模块送入Langevin非线性双稳态电路系统模块中，同时，调制信号也送入到AD835混频器电路，经过AD835混频器电路后输出为杂散电流与调制信号的混频信号，混频信号送入到MC33078放大K倍电路中进行放大，放大后的混频信号送入到MC33078加法电路中，MC33078加法电路输出为加和信号，将加和信号送入到MC33078积分电路中，经过MC33078积分电路处理后的加和信号成为积分信号，积分信号分别送与检测输出信号接口、MC33078放大a倍电路输入接口、AD835乘法器1的两个输入接口、AD835乘法器2的其中一个输入接口连接，MC33078放大a倍电路输出接口与MC33078加法电路的一个输入接口连接，AD835乘法器1的输出接口与AD835乘法器2的一个输入接口连接，AD835乘法器2的输出接口与MC33078放大b倍电路输入接口连接，MC33078放大b倍电路输出接口与MC33078加法电路的一个输入接口连接；
检测输出信号接口与ZigBee终端节点连接，ZigBee终端节点启动A/D转换完成杂散电流数据采集。
4.根据权利要求3所述的ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统，其特征在于：所述的Langevin非线性双稳态电路系统模块输出即为杂散电流检测系统输出接口。
5.根据权利要求4所述的ZigBee网络的煤矿杂散电流监测系统，其特征在于：所述的N个路由节点，M个终端节点中的N和M大于等于1的倍数。
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