CN108564757A - 一种井下防爆开关监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种井下防爆开关监测系统，包括监测终端、无线传输结构和实时通讯监测设备。通过传感器采集电流、电压、气体瓦斯浓度和环境温湿度数据，经过STM32数据处理防爆开关电气装置发生异常和故障时，便可以通知监测中心的工作人员及时处理，同时可以将采集到的信息通过各种方式传送到厂家的Server及用户调度中心。设计原理是井下部分利用LoRa的无线模块，用其优秀的抗干扰、信号穿透能力来实现复杂地形的信号传输，来保证信号的稳定性，同时通过LoRaWAN架构来广度监测，实现监测的网络化，可以同时监测很多个防爆开关设备的运行情况。地上部分通过NB‑IoT模组，来实现与厂家和用户之间的互通，开发使用物联网平台，可以对所有采集到的防爆开关设备信息进行综合管理和控制，方便产品的更新、调整以及预检修。

Description

一种井下防爆开关监测系统
【技术领域】
本发明属于智能电气设备监测领域，尤其是涉及井下防爆开关监测系统装置。
【背景技术】
计算机网络技术的普及和发展为监测技术的普及和应用奠定坚实的基础，而环境复杂性和危险度较高的矿井下作业对于监测系统的要求更为严格。在这样的背景下，煤矿井下监测系统越来越成为人们关注的重点对象，而作为需要不间断长时间运行的矿井电气装置，其是否能安全工作关系到人们的生命财产安全。因此，矿井下的电气装置监测更成为重中之重。由于矿井安全系统的控制子系统大多处于封闭和保密状态，且生产厂家在监测系统的通信协议和信息交换标准方面都设置了严格的限制措施，这样的限制导致各种子系统之间的联系和交流较为困难，很难将收集到的数据分享给其他系统，也易导致维修工作安排方面出现各种纰漏。鉴于这种情况，利用先进的新型物联网技术，设计一种新型井下防爆开关监测系统，来确保电气装置的安全运行，降低安全事故意义重大。
【发明内容】
本发明主要目的在于提供一种防爆开关网络化监测装置系统，可以解决传统防爆开关监测在安全性和可靠性上的难题。
为达到上述目的本发明解决其技术问题采用的的技术方案是：整个监测系统由硬件和软件两大部分组成。硬件方面MCU主控处理器采用STM32F103；报警装置；LoRa和NB-IoT两大低功耗无线通讯系统；数据采集装置使用MQ sensor瓦斯传感器和DHT11温湿度传感器；ZMPT101B电压传感器和OPCT35AL卡扣开合式开口电流互感器。
所述的温湿度和瓦斯传感器其特征在于：采集井下防爆开关工作环境的温湿度和气体瓦斯的浓度。防爆开关内部温湿度过高时，上位机监测装置发出报警信号，采取保护功能(开启加速扇热装置、加热除湿装置)。
所述的电压和电流互感器其特征在于：防爆开关的工作电压和电流都相对较大，采集其三相电流和电压需经过电流、电压互感器按比例缩小，与额定电流进行比较，对其进行故障分析。
所述的A/D转换器采用型号为ADS7819的12位转换器进行转换，将转换的数据送至STM32处理器进行处理。
所述的STM32处理器选用的是STM32F103C8T6单片机芯片，具有高性能，低成本，低功耗的优势，性价比高。同时该芯片在兼顾数据处理功能的同时，还具有一定的嵌入式控制功能，可以通过配合远程控制完成一些智能服务。
所述的LoRa无线通讯模块其特征在于：LoRa技术具有更远的通讯距离，且具有功率密度集中，抗干扰能力强的优势。产品具备的数据压缩功能同样可以减少传输时间和受到干扰的概率。所以LoRa模块在地下能够更好地传输主控单元处理的信号。即LoRa无线通讯模块与STM32串口联结，将STM32处理过的信号通过无线传输发送到下一个节点。
所述的NB-IoT地面通讯模块其特征在于：地面通讯部分采用NB-IoT技术进行实时通讯。NB-IoT具有广覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，覆盖面积扩大100倍；具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；具有更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；低成本，相对经济。井下LoRa基站通过有线传输将数据传送至地面服务器后，将每个矿井服务器都接入NB-IoT模块，模块与控制器采用串口连接通讯，可以将信息直接发送到NB-IoT模块基站，再通过NB-IoT基站将矿井中采集到的信息通过各种方式传送到物联网云平台及用户监测中心。
本发明的有益效果：LoRa无线通讯技术可提高井下复杂地形的传输效率和精确度，降低安全事故率；LoRa组网提高信号传输的覆盖度，而且监测人员可在监测中心精确掌握防爆开关的运转状况，并能准确做出回应；NB-IoT模块加强厂家与子系统的联系和交流，方便了维修和突发情况处理的同时，也减少了功耗和开销；运用了LoRa和NB-IoT两大物联网技术，尝试结合其优点，提高经济效益，大大节约成本。
【附图说明】
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为系统总体工作流程图。
图2为终端感测结构图。
图3为NB-IoT模块系统图。
图4为STM32程序控制流程图。
图5为感测终端电路接线图。
【具体实施方式】
参考图1，本发明利用传感器采集防爆开关周围环境信息，传输到STM32处理器，通过STM32控制器的A/D转换将模拟信号量转换成数字信号量，进行数字信号处理，将其与设定阈值进行比较，从而判断是否有设备故障以及故障类型。STM32使用USART串口控制LoRa，通过LoRaWAN网状传输到基站，基站通过光纤将数据传输到地面服务器，通过地面的上位机处理数据调控。而后将每个矿井服务器都接入NB-IoT模组，再通过NB-IoT基站将矿井中采集到的信息通过各种方式传送到物联网云平台及用户调度中心，实现厂家和子系统的互联，厂家可以实时监测设备的运行状况，可以进行预判定。
参考图2，在电气设备内部通过传感器经过数据采集模块，将数据传输到MCU处理器中，通过串口传输到LoRa模块进行无线通讯。其核心在于STM32对数据的采集和处理即信号处理，经过串口传输给LoRa工作在唤醒模式，LoRa传输到LoRa组网关进行数据传输。
参考图3，地面工作采用NB-IoT数据传输，将NB-IoT与处理器MCU结合，进行信号传输。
参考图4，主要对电压、电流互感器、温湿度传感器、气体瓦斯传感器采集到的数据在STM32内部的程序控制过程。
参考图5，采集终端传感器的数据感测模块，主控单元与各传感器的硬件接线图。

Claims (6)

1.一种井下防爆开关监测系统，其特征在于：整个监测系统由硬件和软件两大部分组成。硬件方面MCU主控处理器采用STM32F103；报警装置；LoRa和NB-IoT两大低功耗无线通讯系统；数据采集装置使用MQ sensor瓦斯传感器和DHT11温湿度传感器；ZMPT101B电压传感器和OPCT35AL卡扣开合式开口电流互感器。
2.按照权利要求1所述的一种井下防爆开关监测系统，其特征在于：所述的温湿度和瓦斯传感器其特征在于：采集井下防爆开关工作环境的温湿度和气体瓦斯的浓度。防爆开关内部温湿度过高时，上位机监测装置发出报警信号，采取保护功能(开启加速扇热装置、加热除湿装置)。
3.按照权利要求1所述的一种井下防爆开关监测系统，其特征在于：所述的电压和电流互感器其特征在于：防爆开关的工作电压和电流都相对较大，采集其三相电流和电压需经过电流、电压互感器按比例缩小，与额定电流进行比较，对其进行故障分析。
4.按照权利要求1所述的一种井下防爆开关监测系统，其特征在于：所述的STM32处理器选用的是STM32F103C8T6单片机芯片，具有高性能，低成本，低功耗的优势，性价比高。同时该芯片在兼顾数据处理功能的同时，还具有一定的嵌入式控制功能，可以通过配合远程控制完成一些智能服务。
5.按照权利要求1所述的一种井下防爆开关监测系统，其特征在于：所述的LoRa无线通讯模块其特征在于：LoRa技术具有更远的通讯距离，且具有功率密度集中，抗干扰能力强的优势。产品具备的数据压缩功能同样可以减少传输时间和受到干扰的概率。所以LoRa模块在地下能够更好地传输主控单元处理的信号。即LoRa无线通讯模块与STM32串口联结，将STM32处理过的信号通过无线传输发送到下一个节点。
6.按照权利要求1所述的一种井下防爆开关监测系统，其特征在于：所述的NB-IoT地面通讯模块其特征在于：地面通讯部分采用NB-IoT技术进行实时通讯。NB-IoT具有广覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，覆盖面积扩大100倍；具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；具有更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；低成本，相对经济。井下LoRa基站通过有线传输将数据传送至地面服务器后，将每个矿井服务器都接入NB-IoT模块，模块与控制器采用串口连接通讯，可以将信息直接发送到NB-IoT模块基站，再通过NB-IoT基站将矿井中采集到的信息通过各种方式传送到物联网云平台及用户监测中心。
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