CN201150072Y - 煤矿安全共缆以太网传输系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及煤矿安全共缆以太网传输系统，属于射频电缆的双向数据传输技术领域，该系统由煤矿企业局域网及光纤环网，井上监控中心、井下共缆以太网传输网络所组成，所述的井上监控中心包括共缆设备网管服务器、视频监控服务器和人员定位服务器、瓦斯监控服务器，以及485转换模块；所述井下共缆以太网传输网络：包括同轴电缆及其相连的分支分配器，通过分支分配器进行级连的多个机站、及通过485接口及485数据总线连接的多个485数据采集终端，以及各机站直接引出的音视频线连接的音视频终端。本实用新型可使多种业务数据可以通过一根同轴电缆远距离传输，并具有很强抗干扰能力。

Description

煤矿安全共缆以太网传输系统

技术领域

本实用新型属于射频电缆的双向数据传输技术领域，特别是用于在矿井井下的一根射频电缆上传输网络信号、视频信号、声音信号、控制信号等多种双向的数据信号的传输系统设计。

背景技术

目前中国井下安全事故频发，为减少和避免井下安全事故，在井下安装很多电子系统，例如：井下生产调度系统、井下瓦斯监控系统、井下电视监控系统、井下人员定位系统、井下出入口管理系统、井下应急广播系统、井下对讲系统、井下各种状态传感器。

目前在各国的井下安全系统还没有采用同轴电缆的宽带以太网传输技术。由于井下的特殊要求，如距离远(各个设备之间都在几百米到几公里)，数据量大(要求百兆以太网，同时传输几十路图像)，干扰大(工频干扰，大电机频繁启停)，系统多(各种生产和安全系统同时工作)，设备频繁移动(随着掘进工作面的移动，设备要同步移动)等。

可以想象，在井下的狭小的空间，每套系统都要有自己的电源线、自己的设备、自己的信号线缆，同时随着采掘的进展，每套系统都要随着采掘而延伸。在炮采方式下就更为麻烦，各个系统在每次爆破前要收回，在爆破后再向前延伸安装，这样往复的使用情况下，多个独立系统的工作方式有很多的弊病和问题：

图像传输需用光纤，在井下的特殊环境下熔接困难，一旦断裂不容易接续；根据开采工作面的延伸，需要反复敷设多个系统的线缆，工作量极大，增加开采成本；

线缆过多，占据了过多空间；导致线路故障率上升而可靠性大大降低；一旦线号不清，导致维护量增大；导致相互之间的干扰。线缆品种过多导致维护上困难和备品备件费用直线上升；信号在传输中容易被井下恶劣的电磁环境干扰。

发明内容

本实用新型的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种煤矿安全共缆以太网传输系统，使多种业务数据信号可以通过一根同轴电缆远距离传输，并具有很强抗干扰能力。

本实用新型设计的煤矿安全共缆以太网传输系统，其特征在于，该系统由煤矿企业局域网及光纤环网，井上监控中心、井下共缆以太网传输网络所组成，该井上监控中心、井下共缆以太网传输网络通过双绞线、光纤与该煤矿企业局域网及光纤环网相互连接组成以太网传输系统；所述的井上监控中心包括共缆设备网管服务器、视频监控服务器和人员定位服务器、瓦斯监控服务器，以及通过485数据线与人员定位服务器、瓦斯监控服务器相连的485转换模块；所述井下共缆以太网传输网络：包括同轴电缆及其相连的分支分配器，通过分支分配器进行级连的多个井下机站、及通过485接口及485数据总线连接的多个485数据采集终端，以及各机站直接引出的音视频线连接的音视频终端。

本实用新型的特点及效果

CABLE IP CARRIER通信技术(CABLE IP CARRIER)简称CIC，是指利用同轴电缆(简称CABLE)传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号的一种通信方式，该技术将载有信息的信号(2and 30MHz)加载到同轴电缆线上进行数据传输。

本系统是基于低成本的同轴电缆，网络原始带宽可达到224Mbps，单级可容衰减量达80dB，传输距离可达到数公里，平均有效带宽可高达50Mbps。可以实现多级组网，传输距离达到几十公里，完全满足井下网络传输的要求，实现视频和数据通过以太网传输。

本系统具有宽带集成化、布线简洁化、传输双向化、远距抗扰化的特点的多功能宽带共缆以太网传输系统。

本系统完全解决了几公里至几十公里大中型井下监控系统远距离监控图像和控制数据传输的困扰，并大大提高了原有485总线系统的传输速率，解决了目前485总线传输速度慢的问题以及井下强电磁环境下的抗干扰设计。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构图；

图2是本实用新型的机站设备电路框图；

图3是本实用新型的同轴电缆接入模块结构图；

图4是本实用新型的485网络转换设备实施例电路框图。

图5是本实用新型的以太交换模块实施例电路框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型进一步说明。

本实用新型的系统总体结构如图1所示，整个系统包括：

一、井上监控中心：主要包括共缆设备网管服务器、视频监控服务器和人员定位服务器、瓦斯监控服务器，以及通过485数据线与人员定位服务器、瓦斯监控服务器相连的485转换模块。地上监控中心是煤矿安全生产的指挥中心，是地面和井下沟通的枢纽，是整个煤矿生产的综合管理系统。

二、井下共缆以太网传输网络：包括同轴电缆(CABLE)及其相连的分支分配器，通过分支分配器进行级连的多个井下机站、及通过485接口及485数据总线连接的多个485数据采集终端，以及各机站直接引出的音视频线连接的音视频终端。这部分是本共缆系统的核心，也是本实用新型的创新点。每一级机站之间通过CABLE连接，按照树形结构通过分支分配器组成各种各样的分支结构，进行级联，实现各个机站灵活组网。每一个机站都有各种接入接口，可以通过视频线接入视频终端、可以通过485总线接入485数据采集终端、及接入其它基于以太网的接入设备。

三、煤矿企业局域网及光纤环网

煤矿企业已有的局域网，是本共缆系统传输的连接在地上监控中心和井下共缆以太网传输网络之间的基本信息通道。目前煤矿企业的局域网络的光纤几乎可以敷设到矿井下的各个主干通道。它的优点是带宽大、距离长、抗干扰能力强，缺点是光纤敷设困难，交换设备复杂昂贵。因此适合主干网路通道，因为主干网络敷设后很少变动，不受工作面的变动的影响。

各部分具体实施方式详细说明如下：

一、井上监控中心

人员定位服务器和瓦斯监控服务器均为已有的设备，通过485数据线与485转换模块相连，485转换模块再用双绞线、光纤与煤矿企业局域网及光纤环网相连。

设备网管服务器：通过双绞线、光纤与煤矿企业局域网及光纤环网相连，主要监控管理井下的网络设备、视频设备、以及数据传输设备的运行状况。该服务器内设置有采用JAVA开发语言编制的共缆设备网络管理程序，该程序主要功能是实时监控和管理井下各机站的运行状况(包括各机站内的各模块功能的参数设置和运行状态)，提供监控历史记录存储和报表查询。后台MYSERQLE数据库，对共缆设备各机站通过网络远程进行管理。

该服务器配置要求：处理器：2G以上，内存：1G以上，硬盘：80G以上。运行操作系统：WINDOWSXP/WINDOWSSERVER/WINDOWSPROFERNON.

视频监控服务器：通过双绞线、光纤与煤矿企业局域网及光纤环网相连，主要对井下各机站内部的视频服务器采集的视频图像进行播放和管理，视频监控服务器运行的是清华紫光研发的视频监控程序。运行操作系统：WINDOWSXP/WINDOWSSERVER/WINDOWSPROFERNON.

485转换模块：功能与机站内部的485转换模块一样，区别是它单独工作在地面上。

二、井下共缆以太网传输网络

本实施例的同轴电缆采用矿用非泄漏同轴射频75欧姆电缆。

485数据采集终端和音视频终端(统称为机站接入设备)：本实施例485数据采集终端包括：各种传感器、报警器、瓦斯检测设备的数据采集终端和人员定位的数据采集终端；音视频终端包括：电话、枪式或球式的摄像头；上述所有终端设备均采用矿井用的常规设备。

本实用新型将这些设备通过音视频线、485数据线与各机站相连，通过高速的以太网和地上监控中心进行通讯和数据交换，以满足不同的安全生产的需要。

其中摄像头的视频信号通过视频服务器压缩视频数据信号，通过同轴共缆上传。在目前的带宽下，可以同时传送几十路的视频信号，充分满足井下的监控要求。

其它数据终端，通过机站中的485转换模块把各种传感器和报警终端的485总线信号、CAN总线信号等转换成为以太网信号，通过高速的以太网传输到地上监控中心，这样就克服了过去传输速度低、距离有限、误码率高、易被干扰等缺点。比起485总线信号直接传输，目前传输速度可以达到115200BPS，大大提高了井下的报警速度和应急指挥能力。

本实用新型的机站结构如图2所示：

主要包括以下部分：

1、同轴电缆(Cable)接入模块：连接上一级的Cable输出模块；

2、同轴电缆(Cable)输出模块：连接下一级的Cable输入模块；

3、以太交换模块：相当于一个网络交换机功能，通过信号线连接同轴电缆(Cable)接入模块、同轴电缆(Cable)输出模块、视频服务器和485转换模块，还留有与该模块相连的以太网接口；

4、视频服务器：由一个或多个模拟视频输出口、图像数字处理器、压缩芯片和一个具有网络连接功能的服务器构成。本实施例采用清华紫光的双路视频服务器。视频服务器就是将输入的模拟视频信号数字化处理后，以数字信号的模式传送至网络上的专用设备，从而实现远程实时监控的目的。

5、485转换模块：可将原有的瓦斯传感器检测系统，人员定位传感器监控系统等等经过简单连接，经模块转换后通过以太网传输，可以支持数据位5，6，7，8，并且经过对传输协议特殊制定可支持9位数据的传输。

上述各模块的连接关系为：以太交换模块通过网络数据线分别与同轴电缆接入模块、同轴电缆输出模块、视频服务器、485转换模块相连，并通过以太网线与；同轴电缆接入模块通过同轴电缆连接上一级的同轴电缆输出模块；同轴电缆输出模块通过同轴电缆连接下一级的同轴电缆输入模块；最初的一级不连接同轴电缆输入模块，并且最末的一级也不连接同轴电缆输出模块；视频服务器与摄像机相连，485转换模块与485数据采集终端相连，以太交换模块还通过以太网线与以太接口相连，以太交换模块还具有光纤接入接口。

本实用新型的同轴电缆(Cable)接入模块和同轴电缆(Cable)输出模块结构相同，其实施例结构如图3所示：

本实施例模块由以下6部分组成：核心处理模块、VOIP模块、SDRAM及其FLASH、电源处理模块、网络处理模块、RF射频模块；各模块的连接关系为：电源处理模块分别与核心处理模块、VOIP模块、SDRAM和FLASH存储器、网络处理模块、RF射频模块相连，为各模块提供12V的直流电源；核心处理模块分别与VOIP模块、SDRAM和FLASH存储器、网络处理模块相连，VOIP模块与电话相连，网络处理模块与以太网接口相连，RF射频模块与同轴电缆接口相连。其工作过程为：由电源处理模块统一为核心处理模块、VOIP模块、SDRAM及其FLASH、网络处理模块、RF射频模块提供12V的直流电源供给，以太网数据经过网络处理模块之后由核心处理模块计算后送给RF射频模块，之后信号传输到同轴电缆线上。电话信号也是通过VOIP模块后由核心处理模块计算后送给RF射频模块，之后信号传输到同轴电缆线上。核心处理模块计算处理过程中由SDRAM及其FLASH提供存储和内存。各模块的实施例分别说明如下：

1)核心处理模块：

本实施例核心处理模块，采用SPE200E芯片，本芯片采用ARM9处理内核技术，基于嵌入式LINUX2.6.10操作系统平台，处理确保私密性的VLAN(802.1Q)协议，处理保证对时间敏感的应用的QOS(802.1P)协议(比如VOIP和VOD等的应用)，还有通过IGMP snooping实现网络组播，加入的嵌入的WEBSERVER功能可以远端配置和管理设备，采用V1，V2C版本SNMP代理协议实现对设备的远端管理配置和监控。

2)VOIP模块：

本模块主要是音频处理功能，采用INFINEON公司的PEB3331芯片，实现了VOIP电话功能。同时还由INFINEON公司的PEF 4268F芯片进行信号放大处理。

3)内存SDRAM和闪存FLASH：

本实施例采用32M的SDRAM(芯片型号HYB39S128160CT)，可以有充足的运行余量；并且拥有8M的FLASH(芯片型号S29GL064MT)，存放整个系统程序存储空间，保存了系统的启动文件还有系统文件及其应用程序，如BOOTLOADER，ZIMAGES，FILESYSTEM等，同时也方便将来的程序扩充和升级。

4)电源处理模块：

本实施例采用MP29373DF-LF芯片，由输入的12V直流低压同时供给多个模块的电压值：为核心处理器提供3.3V的电压，同时为核心处理器模块提供1.8V的I/O接口电压，为SDRAM和FLASH提供1.5V的电压、为网络处理模块提供2.5V的电压、为RF射频模块提供12V的电压。

5)网络处理模块：

本实施例采用INFINEON的PHY_ETH_Infineon_ADM7001/X芯片，具有网络变压，同时进行滤波，以太网接口电平变换，支持10M/100M适应、TCP/IP等网络协议。

6)RF射频模块：

RF射频模块采用主芯片AD9865、AD4310来实现。采用变压器与保护二极管进行接入保护；

在模式前端加入低噪声放大器(LNA)、双向过滤、可编程序的获取放大器(PGA)、数字式转换(ADC和DAC)；在数字信号处理方面加入过滤频段、OFDM同步、FFT/IFFT、信道预算和更正、相位震动、调制器/解调器、SNR估算、数字式功率控制的功能。

本实施例的485转换模块结构如图4所示：该模块功能是双向互传数据，具体描述如下：

485网络转换模块主要有电源模块、以太网接口、以太网协议电平转换、处理器、串口转换、485接口、FLASH/RAM、及其晶体组成；485网络转换模块内部的连接关系为：所述电源模块分别与以太网协议电平转换器、处理器、串口转换器、FLASH/RAM存储器、晶体相连，所述分别与以太网协议电平转换器、串口转换器、FLASH/RAM存储器、晶体相连，所述以太网协议电平转换器与以太网接口相连，所述串口转换器与485接口相连。其工作原理为：电源模块为以太网协议电平转换、处理器、串口转换及其FLASH/RAM提供5V、3.3V、1.8V的直流电压。晶体为处理器提供固定时钟周期频率，FLASH/RAM是处理器计算处理时候要做记录保存之处，同时也是整个485转换模块工作程序的存放之处。各部件的具体实施例分别说明如下：

本实施例的电源模块：采用LM2596S芯片，把输入的9-24V电压转换成各部分芯片需要的电压。

以太网接口：采用通用的直接连线的RJ45接头。

以太网协议电平转换：采用RTL8019AS芯片来实现。

处理器：采用RABBIT2000芯片，该芯片内支持TCP/IP协议栈，方便网络编程。

串口转换：采用IS61C1024AL-12JLI芯片实现。

485接口：使用8芯排插。间距是5MM。

FLASH/RAM：采用RABBIT2000内置的RAM和FLASH。

晶体：采用11.0592M晶体为RABBIT2000提供晶振；采用20M晶体为RTL8019提供晶振。

485-IP转换过程：485信号由485接口进入，然后经过串口转换的电平变换到TTL电平，然后经由处理器计算处理变换成标准的TCP/IP认识的IP数据包，送上以太网协议电平转换，变换后数据包经由以太网接口送上以太网。

IP-485转换过程：以太网数据经由以太网接口，之后转到以太网协议电平转换进行处理，然后经由处理器计算处理变换回485信号，并由串口转换的电平变换，然后经由485接口送上原始485总线。

本实施例的以太交换模块结构如图5所示：该模块功能是对网络数据进行交换处理，具体描述如下：

以太交换模块主要由电源模块、以太网协议处理器、处理器、网络接口、FLASH存储器、及其晶体组成；以太交换模块内部的连接关系为：所述电源模块分别与以太网协议处理、处理器、FLASH存储器、晶体相连，所述分别与以太网协议处理、FLASH存储器、晶体相连，所述以太网协议处理与以太网接口相连。其工作原理为：电源模块为以太网协议处理、处理器及其FLASH提供3.3V、1.8V的直流电压。晶体为处理器提供固定时钟周期频率，FLASH是处理器计算处理时候要做记录保存之处，同时也是整个以太交换模块各端口的参数记录和工作程序的存放之处。各部件的具体实施例分别说明如下：

本实施例的电源模块：采用MC34063等芯片为电路提供3.3V和1.8V电压。

以太网接口：采用4个通用的直接连线的RJ45接头。

以太网协议处理：采用MII MAC IC175C芯片来实现。同时用2片PM48-2064K来实现以太网接口变换。

处理器：采用TF470芯片，该芯片支持NAT/NAPT 4K entries/PPTP chint/MultiSession PPPOE等协议栈，方便网络编程。

FLASH：采用EQ16162VT-6芯片。

晶体：采用25M晶体为处理器提供晶振。

Claims (6)

1、一种煤矿安全共缆以太网传输系统，其特征在于，该系统由煤矿企业局域网及光纤环网，井上监控中心、井下共缆以太网传输网络所组成，该井上监控中心、井下共缆以太网传输网络通过双绞线、光纤与该煤矿企业局域网及光纤环网相互连接组成以太网传输系统；所述的井上监控中心包括共缆设备网管服务器、视频监控服务器和人员定位服务器、瓦斯监控服务器，以及通过485数据线与人员定位服务器、瓦斯监控服务器相连的485转换模块；所述井下共缆以太网传输网络：包括同轴电缆及其相连的分支分配器，通过分支分配器进行级连的多个机站、及通过485接口及485数据总线连接的多个485数据采集终端，以及各机站直接引出的音视频线连接的音视频终端。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述同轴电缆采用矿用非泄漏同轴射频75欧姆电缆。

3、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机站包括：同轴电缆接入模块、同轴电缆输出模块、以太交换模块、视频服务器、485转换模块；上述各模块的连接关系为：以太交换模块分别通过网络数据线与同轴电缆接入模块、同轴电缆输出模块、视频服务器、485转换模块相连；同轴电缆接入模块通过同轴电缆连接上一级的同轴电缆输出模块；同轴电缆输出模块通过同轴电缆连接下一级的同轴电缆输入模块；视频服务器与摄像机相连，485转换模块与485数据采集终端相连，以太交换模块还通过光纤接入接口与以太网线相连。

4、如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述同轴电缆接入模块或同轴电缆输出模块包括：核心处理模块、VOIP模块、SDRAM和FLASH存储器、电源处理模块、网络处理模块、RF射频模块；各模块的连接关系为：电源处理模块分别与核心处理模块、VOIP模块、SDRAM和FLASH存储器、网络处理模块、RF射频模块相连，为各模块提供12V的直流电源；核心处理模块分别与VOIP模块、SDRAM和FLASH存储器、网络处理模块相连，VOIP模块与电话相连，网络处理模块与以太网接口相连，RF射频模块与同轴电缆接口相连。

5、如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述485网络转换模块主要由电源模块、以太网接口、以太网协议电平转换器、处理器、串口转换器、485接口、FLASH/RAM存储器、及其晶体所组成，其连接关系为：所述电源模块分别与以太网协议电平转换器、处理器、串口转换器、FLASH/RAM存储器、晶体相连，所述分别与以太网协议电平转换器、串口转换器、FLASH/RAM存储器、晶体相连，所述以太网协议电平转换器与以太网接口相连，所述串口转换器与485接口相连。

6、如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述以太交换模块主要由电源模块、以太网协议处理器、处理器、网络接口、FLASH存储器、及其晶体组成；以太交换模块内部的连接关系为：所述电源模块分别与以太网协议处理、处理器、FLASH存储器、晶体相连，所述分别与以太网协议处理、FLASH存储器、晶体相连，所述以太网协议处理与以太网接口相连。

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