CN108689107A - 基于rfid和无线充电的输送带及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于RFID和无线充电的输送带及其检测装置；输送带含有输送带体，输送带体内布置有M条钢丝绳、N个充电接收天线、N个检测模块和N组连接导线，充电接收天线和检测模块分别沿输送带体的两侧纵向均匀排列，N个充电接收天线通过N组连接导线分别与N个检测模块的输入端连接，充电接收天线、检测模块和连接导线均位于钢丝绳的上方或下方，检测模块中含有RFID电子标签芯片；检测装置含有P个无线充电发射模块、T个RFID读卡器、交换机和计算机，无线充电发射模块和RFID读卡器分别沿输送带体的下表面下方两侧纵向排列，T个RFID读卡器通过交换机连接计算机；本发明可实时检测输送带上发生的纵向撕裂和温度异常升高情况，检测及时、可靠。

Description

基于RFID和无线充电的输送带及其检测装置

（一）、技术领域：

本发明涉及一种输送带及其检测装置，特别涉及一种基于RFID和无线充电的输送带及其检测装置。

（二）、背景技术：

煤矿的运输是煤矿开采中的一个重要问题，带式输送机作为一种连续运输的机械，以其运输能力大、耗电量低、运行平稳、对物料的破碎小、易于自动控制等优点被广泛应用于煤炭运输中。矿用钢绳芯输送带的内部纵向布置了许多钢丝绳，增加了其抗拉强度，有效抑止了输送带的横向撕裂，但是输送带的纵向强度没有得到改善，使得纵向撕裂事故常有发生，这就需要对输送带的纵向撕裂进行检测；另外，一些因素会导致输送带温度升高，由于煤矿井下环境的特殊性，一旦输送带温度升高后会导致火灾等恶性事故，因此，对输送带温度的检测也十分必要。

为了适应煤矿地下运输的恶劣条件，输送带的品质一般要求比较高，使得其成本也较高（占整个输送机成本的45%之多），一旦输送带发生撕裂和过度升温而没有及时停机，价值数十万甚至数百万的输送带在几分钟内就会严重毁坏或发生火灾，甚至导致更为巨大的恶性事故，带来极大的直接和间接经济损失。

皮带撕裂和温升的主要原因是输送带发生跑偏、输送带上物料的卡压、驱动轮的空转，负载过重等。针对以上情况，国内外多个研发机构对此开展了较为广泛的研究，目前较为常用的方法是在皮带内预埋横向钢丝绳、预埋金属线圈、打激光条纹，红外测温等多种方法，上述防撕裂检测方法基本上都受限于原理的缺陷、成本、后期维护等原因，在工程环境中难以发挥较大的作用。

（三）、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于RFID和无线充电的输送带及其检测装置，该输送带及其检测装置可实时检测输送带上发生的纵向撕裂和温度异常升高情况，检测及时、可靠，并可准确确定发生情况的位置。

本发明的技术方案：

一种基于RFID和无线充电的输送带，含有输送带体，输送带体内部纵向布置有M条钢丝绳，M条钢丝绳的轴线均平行于输送带体的纵向侧边，且M条钢丝绳的轴线位于同一个平面中，该平面与输送带体的上表面平行，输送带体内部还布置有N个充电接收天线、N个检测模块和N组连接导线， N个充电接收天线和N个检测模块分别沿输送带体的两侧纵向均匀排列，N个充电接收天线的位置分别与N个检测模块的位置对应，N个充电接收天线通过N组连接导线分别与N个检测模块的输入端连接，连接导线横向设置在充电接收天线和检测模块之间，N个充电接收天线、N个检测模块和N组连接导线均位于M条钢丝绳的上方或下方；每个检测模块中含有柔性电路板和柔性电路板上的检测电路，每组连接导线中含有两根并排设置的分导线，该两根分导线的一端分别与充电接收天线的两端连接，该两根分导线的另一端分别与检测电路的两个输入端连接；检测电路中含有无线充电接收器、第一电阻、第二电阻、超级电容、稳压器、单片机、热电阻、第三电阻、RFID电子标签芯片和RFID天线，检测电路的一个输入端通过整流二极管与无线充电接收器的输入端连接，检测电路的另一个输入端接地，无线充电接收器的输出端依次通过电感、防逆流二极管与稳压器的输入端连接，超级电容并接在稳压器的输入端和地之间，稳压器的输出端与单片机和RFID电子标签芯片的电源端连接，电感和防逆流二极管的连接处与地之间并接有第一电阻和第二电阻的串联电路，第一电阻和第二电阻的连接处与单片机的充电检测输入端连接，热电阻和第三电阻串联后并接在稳压器的输出端和地之间，热电阻和第三电阻的连接处与单片机的温度信号输入端连接，单片机的串行通信口与RFID电子标签芯片的串行通信口连接，RFID电子标签芯片的天线端与RFID天线连接；M和N均为大于等于1的自然数。

N组连接导线一方面起到供电的作用，将充电接收天线接收到的电能传送给检测模块，使检测模块能够正常工作；另一方面，N组连接导线还作为检测线，当输送带发生纵向撕裂时，撕裂处的连接导线会断裂，这时，检测模块就可检测到失去了电力供应，判定连接导线断裂，即输送带已被纵向撕裂。

钢丝绳与充电接收天线、检测模块和连接导线布置在输送带体内不同的高度处，相互之间不连接，因此，钢丝绳不会对它们的工作产生干扰。

柔性电路板可承受一定程度的弯曲变形，在输送带运输过程中可承受一定的冲击、变形及应力等。

超级电容由于其充电速度较快，能起到电源的作用，即使输送带由于一些原因停运时还可以检测输送带温度，预防井下火灾的发生。

检测模块中的单片机每60s检测一次输送带内部的温度，然后将检测结果通过串行通信口写入RFID电子标签芯片中。

当单片机的充电检测输入端检测不到高电平信号时，视为输送带已纵向撕裂，然后将该检测结果通过串行通信口写入RFID电子标签芯片中。

M条钢丝绳、N个充电接收天线、N个检测模块和N组连接导线均在输送带体硫化的过程中被封装到输送带体内，硫化温度控制在150度左右，时间50分钟，保证不足以引起检测模块中焊接点的熔化，并且，保证检测模块中的芯片不被损毁；各钢丝绳之间的间距相等。

分导线为弯曲成波浪形的导线，这样，分导线就会有一定的伸缩性，在高温硫化到输送带体中时，不会因为热膨胀而拉断。

充电接收天线和RFID天线均为环形天线，分导线为漆包线，漆包线采用0.5mm直径的铜线制作。

检测电路中还含有稳压管、第四电阻、第五电阻和第六电阻，稳压管并接在无线充电接收器的输出端和地之间，第四电阻并接在无线充电接收器的输入端和输出控制使能端之间，电感和防逆流二极管的连接处与地之间并接有第五电阻和第六电阻的串联电路，第五电阻和第六电阻的连接处与无线充电接收器的输出电压调节取样端连接。

无线充电接收器的型号为：T3168；稳压器的型号为：HT7533；单片机的型号为：STC8H04A10；RFID电子标签芯片的型号为：FM1108。

一种所述基于RFID和无线充电的输送带的检测装置，含有P个无线充电发射模块、T个RFID读卡器、交换机和计算机，P个无线充电发射模块和T个RFID读卡器分别沿输送带体的下表面下方两侧纵向排列，无线充电发射模块与输送带体中的充电接收天线位于相同的一侧，RFID读卡器与输送带体中的检测模块位于相同的另一侧，T个RFID读卡器通过T根通信电缆分别与交换机的T个通信端口连接，交换机的网络端口与计算机连接，无线充电发射模块和RFID读卡器安装在输送带体下表面下方的支架上；每个无线充电发射模块中含有充电发射天线和无线充电发射器，无线充电发射器的输出端与充电发射天线连接；P和T均为大于等于1的自然数。

每个无线充电发射模块中还含有第七电阻、第八电阻、第九电阻和第一电容，无线充电发射器的频率检测端和电源端之间连接有第七电阻，无线充电发射器的频率检测端和电压检测端之间连接有第八电阻，无线充电发射器的频率检测端和功能调节端之间连接有第一电容，无线充电发射器的功能调节端和电源端之间连接有第九电阻。

无线充电发射器的型号为：XKT-510；充电发射天线为环形天线；无线充电发射模块的外形为扁长条形；T个RFID读卡器分别编有不同的编号，从输送带运输机的机头至机尾依次将T个RFID读卡器编号，编号数字依次增大。

无线充电发射模块上表面与输送带体下表面之间的垂直距离不超过10cm，RFID读卡器上表面与输送带体下表面之间的垂直距离也不超过10cm。

无线充电发射模块采用22KHz的电磁感应式无线充电方式，发射功率5W。输送带中的充电接收天线能感应到无线充电发射模块发出的电能，从而给检测模块供电。

输送带运输机工作的过程中，输送带中的充电接收天线总在无线充电发射模块的上方，可以满足输送带运输过程中电能的供应，不需要专门将充电接收天线对准无线充电发射模块，降低了工程应用的工艺难度。

RFID读卡器采用直径10cm的环形线圈，使得输送带中的RFID天线在快速通过RFID读卡器时有足够的电磁场范围，保证读卡的准确性。RFID读卡器不间断发射射频信号，当输送带中的检测模块通过时，RFID读卡器通过环形天线接收到射频信号，读取RFID电子标签芯片的内容，该内容包括输送带内部温度及皮带完整状态信息，整个处理时间约为20ms。输送带的运行速度不高于5m/s。

T个RFID读卡器通过交换机将信息汇总给计算机，计算机监测当前输送带的状态。计算机每隔1s向T个RFID读卡器读取通信状态，当任意一个RFID读卡器无回复的时候显示通信错误，使输送带运输机停机。

当计算机读取检测模块信息得到输送带内部温度异常时，再读取RFID读卡器编号，并使输送带运输机立即停机，安排工人依照RFID读卡器安装图寻找异常温升点。

当计算机连续读取两个检测模块得到输送带体不完整信息（即连接导线断裂）时，视为输送带体已纵向撕裂，计算机再读取RFID读卡器编号，并使输送带运输机停机，安排工人依照RFID读卡器安装图寻找撕裂点。

本发明的有益效果：

1、本发明在输送带体中布置充电接收天线、检测模块和连接导线，当输送带体运行时，充电接收天线可以无线的方式接收无线充电发射模块发出的电能，供检测模块工作使用，检测模块通过连接导线检测输送带体是否发生纵向撕裂，还可检测输送带体内部的温度是否异常升高，同时将这些检测到的信息通过RFID天线发送出去，供RFID读卡器读取，T个RFID读卡器读到的信息通过交换机传送到计算机中，计算机再根据RFID读卡器的编号确定输送带上发生纵向撕裂或温度异常升高的位置，安排人员及时维修处理；本发明可实时检测输送带上发生的纵向撕裂和温度异常升高情况，检测及时、可靠，并可准确确定发生情况的位置，方便操作人员及时维修处理。

2、本发明采用无线的方式给输送带体内的检测模块供电，解决了输送带体内检测电路供电的难题，安装、使用和维护非常方便。

（四）、附图说明：

图1为基于RFID和无线充电的输送带及其检测装置的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视结构示意图；

图3为图1的俯视结构示意图（图中去除了一部分输送带体）；

图4为图1中B部的放大结构示意图；

图5为分导线的放大结构示意图；

图6为检测电路的电路原理示意图；

图7为无线充电发射模块的电路原理示意图；

图8为基于RFID和无线充电的输送带的检测装置的网络拓扑结构示意图；

图9为计算机的工作流程示意图。

（五）、具体实施方式：

参见图1～图9，图中，基于RFID和无线充电的输送带含有输送带体1，输送带体1内部纵向布置有5条钢丝绳5，5条钢丝绳5的轴线均平行于输送带体1的纵向侧边，且5条钢丝绳5的轴线位于同一个平面中，该平面与输送带体1的上表面平行，输送带体1内部还布置有20个充电接收天线3、20个检测模块2和20组连接导线， 20个充电接收天线3和20个检测模块2分别沿输送带体1的两侧纵向均匀排列，20个充电接收天线3的位置分别与20个检测模块2的位置对应，20个充电接收天线3通过20组连接导线分别与20个检测模块2的输入端连接，连接导线横向设置在充电接收天线3和检测模块2之间，20个充电接收天线3、20个检测模块2和20组连接导线均位于5条钢丝绳5的上方；每个检测模块2中含有柔性电路板和柔性电路板上的检测电路12，每组连接导线中含有两根并排设置的分导线4，该两根分导线4的一端分别与充电接收天线3的两端连接，该两根分导线4的另一端分别与检测电路12的两个输入端（C、D）连接；检测电路12中含有无线充电接收器IC2、第一电阻R7、第二电阻R8、超级电容C7、稳压器U1、单片机IC3、热电阻RT、第三电阻R9、RFID电子标签芯片IC4和RFID天线，检测电路12的一个输入端C通过整流二极管D1与无线充电接收器IC2的输入端2连接，检测电路12的另一个输入端D接地，无线充电接收器IC2的输出端3依次通过电感L1、防逆流二极管D3与稳压器U1的输入端Vin连接，超级电容C7并接在稳压器U1的输入端Vin和地之间，稳压器U1的输出端Vout与单片机IC3的电源端2和RFID电子标签芯片IC4的电源端1连接，电感L1和防逆流二极管D3的连接处与地之间并接有第一电阻R7和第二电阻R8的串联电路，第一电阻R7和第二电阻R8的连接处与单片机IC3的充电检测输入端1连接，热电阻RT和第三电阻R9串联后并接在稳压器U1的输出端Vout和地之间，热电阻RT和第三电阻R9的连接处与单片机IC3的温度信号输入端8连接，单片机IC3的串行通信口（5、6）与RFID电子标签芯片IC4的串行通信口（3、2）连接，RFID电子标签芯片IC4的天线端（6、7）与RFID天线连接。

20组连接导线一方面起到供电的作用，将充电接收天线3接收到的电能传送给检测模块2，使检测模块2能够正常工作；另一方面，20组连接导线还作为检测线，当输送带发生纵向撕裂时，撕裂处的连接导线会断裂，这时，检测模块2就可检测到失去了电力供应，判定连接导线断裂，即输送带已被纵向撕裂。

钢丝绳5与充电接收天线3、检测模块2和连接导线布置在输送带体1内不同的高度处，相互之间不连接，因此，钢丝绳5不会对它们的工作产生干扰。

柔性电路板可承受一定程度的弯曲变形，在输送带运输过程中可承受一定的冲击、变形及应力等。

超级电容C7由于其充电速度较快，能起到电源的作用，即使输送带由于一些原因停运时还可以检测输送带温度，预防井下火灾的发生。

检测模块2中的单片机IC3每60s检测一次输送带内部的温度，然后将检测结果通过串行通信口写入RFID电子标签芯片IC4中。

当单片机IC3的充电检测输入端1检测不到高电平信号时，视为输送带已纵向撕裂，然后将该检测结果通过串行通信口写入RFID电子标签芯片IC4中。

5条钢丝绳5、20个充电接收天线3、20个检测模块2和20组连接导线均在输送带体1硫化的过程中被封装到输送带体1内，硫化温度控制在150度左右，时间50分钟，保证不足以引起检测模块2中焊接点的熔化，并且，保证检测模块2中的芯片不被损毁；各钢丝绳5之间的间距相等。

分导线4为弯曲成波浪形的导线，这样，分导线4就会有一定的伸缩性，在高温硫化到输送带体1中时，不会因为热膨胀而拉断。

充电接收天线3和RFID天线均为环形天线，分导线4为漆包线，漆包线采用0.5mm直径的铜线制作；各检测模块2之间的间隔为2m。

检测电路12中还含有稳压管D2、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6，稳压管D2并接在无线充电接收器IC2的输出端3和地之间，第四电阻R4并接在无线充电接收器IC2的输入端2和输出控制使能端7之间，电感L1和防逆流二极管D3的连接处与地之间并接有第五电阻R5和第六电阻R6的串联电路，第五电阻R5和第六电阻R6的连接处与无线充电接收器IC2的输出电压调节取样端5连接。

无线充电接收器IC2的型号为：T3168；稳压器U1的型号为：HT7533；单片机IC3的型号为：STC8H04A10；RFID电子标签芯片IC4的型号为：FM1108。

基于RFID和无线充电的输送带的检测装置含有5个无线充电发射模块7、10个RFID读卡器6、交换机10和计算机11，5个无线充电发射模块7和10个RFID读卡器6分别沿输送带体1的下表面下方两侧纵向排列，无线充电发射模块7与输送带体1中的充电接收天线3位于相同的一侧，RFID读卡器6与输送带体1中的检测模块2位于相同的另一侧，10个RFID读卡器6通过10根通信电缆分别与交换机10的10个通信端口连接，交换机10的网络端口与计算机11连接，无线充电发射模块7和RFID读卡器6安装在输送带体1下表面下方的支架8上；每个无线充电发射模块7中含有充电发射天线和无线充电发射器IC1，无线充电发射器IC1的输出端3与充电发射天线连接。

每个无线充电发射模块7中还含有第七电阻R2、第八电阻R1、第九电阻R3和第一电容C3，无线充电发射器IC1的频率检测端8和电源端1之间连接有第七电阻R2，无线充电发射器IC1的频率检测端8和电压检测端7之间连接有第八电阻R1，无线充电发射器IC1的频率检测端8和功能调节端6之间连接有第一电容C3，无线充电发射器IC1的功能调节端6和电源端1之间连接有第九电阻R3。

无线充电发射器IC1的型号为：XKT-510；充电发射天线为环形天线；无线充电发射模块7的外形为扁长条形；10个RFID读卡器6分别编有不同的编号，从输送带运输机9的机头至机尾依次将10个RFID读卡器6编号，编号数字依次增大。

无线充电发射模块7上表面与输送带体1下表面之间的垂直距离为8cm，RFID读卡器6上表面与输送带体1下表面之间的垂直距离为4cm。

无线充电发射模块7采用22KHz的电磁感应式无线充电方式，发射功率5W。输送带中的充电接收天线3能感应到无线充电发射模块7发出的电能，从而给检测模块2供电。

输送带运输机9工作的过程中，输送带中的充电接收天线3总在无线充电发射模块7的上方，可以满足输送带运输过程中电能的供应，不需要专门将充电接收天线3对准无线充电发射模块7，降低了工程应用的工艺难度。

RFID读卡器6采用直径10cm的环形线圈，使得输送带中的RFID天线在快速通过RFID读卡器6时有足够的电磁场范围，保证读卡的准确性。RFID读卡器6不间断发射射频信号，当输送带中的检测模块2通过时，RFID读卡器6通过环形天线接收到射频信号，读取RFID电子标签芯片IC4的内容，该内容包括输送带内部温度及皮带完整状态信息，整个处理时间约为20ms。输送带的运行速度不高于5m/s。

10个RFID读卡器6通过交换机10将信息汇总给计算机11，计算机11监测当前输送带的状态。计算机11每隔1s向10个RFID读卡器6读取通信状态，当任意一个RFID读卡器6无回复的时候显示通信错误，使输送带运输机9停机。

当计算机11读取检测模块2信息得到输送带内部温度异常时，再读取RFID读卡器6编号，并使输送带运输机9立即停机，安排工人依照RFID读卡器6安装图寻找异常温升点。

当计算机11连续读取两个检测模块2得到输送带体不完整信息（即连接导线断裂）时，视为输送带体1已纵向撕裂，计算机11再读取RFID读卡器6编号，并使输送带运输机9停机，安排工人依照RFID读卡器6安装图寻找撕裂点。

Claims (10)

1.一种基于RFID和无线充电的输送带，含有输送带体，输送带体内部纵向布置有M条钢丝绳，M条钢丝绳的轴线均平行于输送带体的纵向侧边，且M条钢丝绳的轴线位于同一个平面中，该平面与输送带体的上表面平行，其特征是：输送带体内部还布置有N个充电接收天线、N个检测模块和N组连接导线， N个充电接收天线和N个检测模块分别沿输送带体的两侧纵向均匀排列，N个充电接收天线的位置分别与N个检测模块的位置对应，N个充电接收天线通过N组连接导线分别与N个检测模块的输入端连接，连接导线横向设置在充电接收天线和检测模块之间，N个充电接收天线、N个检测模块和N组连接导线均位于M条钢丝绳的上方或下方；每个检测模块中含有柔性电路板和柔性电路板上的检测电路，每组连接导线中含有两根并排设置的分导线，该两根分导线的一端分别与充电接收天线的两端连接，该两根分导线的另一端分别与检测电路的两个输入端连接；检测电路中含有无线充电接收器、第一电阻、第二电阻、超级电容、稳压器、单片机、热电阻、第三电阻、RFID电子标签芯片和RFID天线，检测电路的一个输入端通过整流二极管与无线充电接收器的输入端连接，检测电路的另一个输入端接地，无线充电接收器的输出端依次通过电感、防逆流二极管与稳压器的输入端连接，超级电容并接在稳压器的输入端和地之间，稳压器的输出端与单片机和RFID电子标签芯片的电源端连接，电感和防逆流二极管的连接处与地之间并接有第一电阻和第二电阻的串联电路，第一电阻和第二电阻的连接处与单片机的充电检测输入端连接，热电阻和第三电阻串联后并接在稳压器的输出端和地之间，热电阻和第三电阻的连接处与单片机的温度信号输入端连接，单片机的串行通信口与RFID电子标签芯片的串行通信口连接，RFID电子标签芯片的天线端与RFID天线连接；M和N均为大于等于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的基于RFID和无线充电的输送带，其特征是：所述M条钢丝绳、N个充电接收天线、N个检测模块和N组连接导线均在输送带体硫化的过程中被封装到输送带体内；各钢丝绳之间的间距相等。

3.根据权利要求1所述的基于RFID和无线充电的输送带，其特征是：所述分导线为弯曲成波浪形的导线。

4.根据权利要求1所述的基于RFID和无线充电的输送带，其特征是：所述充电接收天线和RFID天线均为环形天线，分导线为漆包线。

5.根据权利要求1所述的基于RFID和无线充电的输送带，其特征是：所述检测电路中还含有稳压管、第四电阻、第五电阻和第六电阻，稳压管并接在无线充电接收器的输出端和地之间，第四电阻并接在无线充电接收器的输入端和输出控制使能端之间，电感和防逆流二极管的连接处与地之间并接有第五电阻和第六电阻的串联电路，第五电阻和第六电阻的连接处与无线充电接收器的输出电压调节取样端连接。

6.根据权利要求1所述的基于RFID和无线充电的输送带，其特征是：所述无线充电接收器的型号为：T3168；稳压器的型号为：HT7533；单片机的型号为：STC8H04A10；RFID电子标签芯片的型号为：FM1108。

7.一种权利要求1～6中任一项所述基于RFID和无线充电的输送带的检测装置，其特征是：含有P个无线充电发射模块、T个RFID读卡器、交换机和计算机，P个无线充电发射模块和T个RFID读卡器分别沿输送带体的下表面下方两侧纵向排列，无线充电发射模块与输送带体中的充电接收天线位于相同的一侧，RFID读卡器与输送带体中的检测模块位于相同的另一侧，T个RFID读卡器通过T根通信电缆分别与交换机的T个通信端口连接，交换机的网络端口与计算机连接，无线充电发射模块和RFID读卡器安装在输送带体下表面下方的支架上；每个无线充电发射模块中含有充电发射天线和无线充电发射器，无线充电发射器的输出端与充电发射天线连接；P和T均为大于等于1的自然数。

8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征是：所述每个无线充电发射模块中还含有第七电阻、第八电阻、第九电阻和第一电容，无线充电发射器的频率检测端和电源端之间连接有第七电阻，无线充电发射器的频率检测端和电压检测端之间连接有第八电阻，无线充电发射器的频率检测端和功能调节端之间连接有第一电容，无线充电发射器的功能调节端和电源端之间连接有第九电阻。

9.根据权利要求7所述的检测装置，其特征是：所述无线充电发射器的型号为：XKT-510；充电发射天线为环形天线；无线充电发射模块的外形为扁长条形；T个RFID读卡器分别编有不同的编号。

10.根据权利要求7所述的检测装置，其特征是：所述无线充电发射模块上表面与输送带体下表面之间的垂直距离不超过10cm，RFID读卡器上表面与输送带体下表面之间的垂直距离也不超过10cm。