CN201358816Y - 基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，包括机载甲烷检测自动断电控制器、监控分站、防爆开关及远程控制器、中心监控计算机和系统处理工作站、网络交换设备，其特征在于：所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统还设置有N个无线数据收发与信号转换器；所述机载甲烷检测自动断电控制器采集瓦斯浓度参数值、传感器电源电压参数值、传感器交流/直流供电状态信号和机载甲烷检测自动断电控制器通电/断电状态信号，并将采集的信息数据经过处理，传输给无线数据收发与信号转换器；本实用新型具有传输质量稳定、成本低、功耗低、抗干扰性强、适用范围广的特点，非常适合我国煤矿等矿山行业使用。
Description
技术领域
本实用新型属于一种无线通信系统，尤其涉及一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统。
背景技术
在某些特定工作环境下，由于不便布置通信电缆线，此外，在出现冒顶等灾害情况下，采用有线连接方式的传统矿山安全监测监控系统安全可靠性和适用性受到了严重挑战。因此，迫切需要采用无线通信方式改进现有矿山安全监测传感器及监测监控系统。目前，基于ZigBee技术矿山无线监测监控数据传输系统及其产品虽已经开始面市，然而不足的是现有这些数据传输系统和产品往往是基于较为复杂完整的标准ZigBee协议直接实现的，没有根据应用需求进行通信机制简化和能量优化，而标准ZigBee网络协议带来的能耗和带宽开销通常较大。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统。
为了解决上述技术问题，根据本实用新型的一个技术方案，一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，包括机载甲烷检测自动断电控制器、监控分站、防爆开关及远程控制器、中心监控计算机和系统处理工作站、网络交换设备，其特征在于：所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统还设置有N个无线数据收发与信号转换器；其中，N大于等于1小于等于20；
所述机载甲烷检测自动断电控制器采集瓦斯浓度参数值、传感器电源电压参数值、传感器交流/直流供电状态信号和机载甲烷检测自动断电控制器通电/断电状态信号，并将采集的信息数据经过处理，传输给无线数据收发与信号转换器；
所述无线数据收发与信号转换器，将机载甲烷检测自动断电控制器传来的信息进行转换处理后输出到监控分站，或者传输给下一个或N个无线数据收发与信号转换器，再由第N个无线数据收发与信号转换器输出到监控分站；
监控分站一方面将接收到的信号或信息进行智能化处理，通过网络交换设备逐级传送到中心监控计算机和系统处理工作站，并且通过防爆开关及远程控制器控制相应煤矿电力设备及时断电；
中心监控计算机和系统处理工作站实时显示各个监测和监控点的相关信息。
根据本实用新型所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统的一个优选方案，所述无线数据收发与信号转换器通过信号线将数据传输到监控分站。
根据本实用新型所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统的一个优选方案，所述无线数据收发与信号转换器通过无线方式将数据传输到监控分站。
根据本实用新型所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统的一个优选方案，所述无线数据收发与信号转换器包括MCU单片机、看门狗电路、时钟晶振电路、本安直流电源转换电路，所述看门狗电路、时钟晶振电路的输出端分别与MCU单片机连接；本安直流电源转换电路将外部本安电源配接设备提供的本安直流输入电压转换成电路单元需要的工作电压；
所述MCU单片机的输出端连接模拟和数字制式信号转换电路的输入端，所述模拟和数字制式信号转换电路接收MCU单片机输出的控制信号，提供连接监控分站的数字接口和模拟接口，输出模拟信号和数字频率制式信号；
所述RS485通信转换电路的控制端与MCU单片机的输出端连接；所述RS485通信转换电路的第一输出端与MCU单片机的信号接收端连接，所述RS485通信转换电路的第一输入端与MCU单片机的信号发送端连接，所述RS485通信转换电路的第二输出端与RF无线模块电路的第一信号接收端连接，所述RS485通信转换电路的第二输入端与RF无线模块电路的第一信号发送端连接，同时所述RS485通信转换电路提供连接监控分站的通讯信号接口，所述RS485通信转换电路接收MCU单片机输出的控制信号，实现MCU单片机串口和RF无线模块电路之间或者MCU单片机串口和监控分站之间通信数据的接收和发送转换；
所述RF无线模块电路的第二信号输入、输出端连接RF天线，通过RF天线接收和发送无线信号。
根据本实用新型所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统的一个优选方案，所述模拟和数字制式信号转换电路由模拟制式信号转换电路和数字制式信号转换电路构成，所述模拟制式信号转换电路受所述MCU单片机的控制，输出模拟信号，所述数字制式信号转换电路受所述MCU单片机的控制，输出数字频率制式信号。
根据本实用新型所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统的一个优选方案，所述数字制式信号转换电路包括光电耦合器U9，所述光电耦合器U9的其中一个输入端通过电阻R5连接本安直流电源转换电路的输出端VCC，光电耦合器U9的另一个输入端接MCU单片机的一个输出端，所述光电耦合器U9的其中一个输出端通过电阻R6接电源，光电耦合器U9的另一输出端输出数字信号。
根据本实用新型所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统的一个优选方案，所述模拟制式信号转换电路包括光电耦合器U14和恒流源电路，所述光电耦合器U14的其中一个输入端通过电阻R32连接本安直流电源转换电路的输出端VCC，光电耦合器U14的另一个输入端接MCU单片机的一个输出端，所述光电耦合器U14的其中一个输出端连接恒流源电路的输出端，光电耦合器U14的另一输出端输出模拟信号；所述恒流源电路的输入端连接MCU单片机的其中一个输出端。
根据本实用新型所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统的一个优选方案，所述恒流源电路由光电耦合器U11、电阻R4、R11、R19、R25、R23、R26、放大器U10A、三极管Q2构成，所述光电耦合器U11的其中一个输入端通过电阻R11接本安直流电源转换电路的输出端VCC，光电耦合器U11的另一个输入端接MCU单片机的一个输出端，所述光电耦合器U11的其中一个输出端连接电源，光电耦合器U11的另一个输出端通过电阻R19连接电源，并通过串联连接的电阻R23、R25连接本安直流电源转换电路的输出端VSS，电阻R23、R25的连接节点接放大器U10A的正输入端，放大器U10A的负输入端连接三极管Q2的发射极，放大器U10A的输出端通过电阻R4连接三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极连接光电耦合器U14的一个输出端，三极管Q2的发射极通过电阻R26接电源。
本实用新型所述的一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统的有益效果是：本实用新型综合采用了基于多跳无线Mesh网络和低功耗远距离Super-ZigBee数据传输技术，通过无线路由和中继传输方式实现了矿山安全监测监控系统，具有传输质量稳定、成本低、功耗低、使用方便、安全可靠性高、适用范围广的特点，因此，极大地提高了产品的应用领域和不同恶劣环境下的适应性能，非常适合我国煤矿使用，具有极大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本实用新型所述的一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统原理框图。
图2是本实用新型所述的一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统中无线数据收发与信号转换器22的原理框图。
图3是本实用新型所述的一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统中模拟和数字制式信号转换电路2的电路原理图。
图4是MCU单片机1的程序流程框图。
具体实施方式
参见图1，一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，由机载甲烷检测自动断电控制器21、监控分站23、防爆开关及远程控制器24、中心监控计算机25和系统处理工作站26、网络交换设备27、20个无线数据收发与信号转换器22构成，所述机载甲烷检测自动断电控制器21采集瓦斯浓度参数值、传感器电源电压参数值、传感器交流/直流供电状态信号和机载甲烷检测自动断电控制器通电/断电状态信号，并将采集的信息数据经过弱信号放大电路和A/D转换，再由单片机存储管理和处理，然后通过其自身配置的RF无线模块与无线数据收发与信号转换器22进行点对点、点对多点或者多跳无线中继传输；
所述无线数据收发与信号转换器22，将机载甲烷检测自动断电控制器21传来的信息进行转换处理后输出到监控分站23，或者传输给下一个或多个无线数据收发与信号转换器22，再由第20个无线数据收发与信号转换器22输出到监控分站23；
监控分站23一方面将接收到的信号或信息进行智能化处理，通过TCP/IP工业以太网平台的网络交换设备27逐级传送到中心监控计算机25和系统处理工作站26，并且通过防爆开关及远程控制器24控制相应煤矿电力设备及时断电；所述网络交换设备27可以选用集线器或者网络交换机；
中心监控计算机25和系统处理工作站26实时显示各个监测和监控点的相关信息。
其中，根据用户需要，所述无线数据收发与信号转换器22可以通过信号线将数据传输到监控分站23，所述无线数据收发与信号转换器22还可以通过无线方式将数据传输到监控分站23。
参见图2，所述无线数据收发与信号转换器22包括MCU单片机1、看门狗电路5、时钟晶振电路6、本安直流电源转换电路7，所述看门狗电路5、时钟晶振电路6的输出端分别与MCU单片机1连接；本安直流电源转换电路7将外部本安电源配接设备提供的本安直流输入电压转换成电路单元需要的工作电压；
所述MCU单片机1的输出端连接模拟和数字制式信号转换电路2的输入端，所述模拟和数字制式信号转换电路2接收MCU单片机1输出的控制信号，提供连接监控分站23的数字接口和模拟接口，输出模拟信号和数字频率制式信号；
所述RS485通信转换电路3的控制端与MCU单片机1的输出端连接；所述RS485通信转换电路3的第一输出端与MCU单片机1的信号接收端连接，所述RS485通信转换电路3的第一输入端与MCU单片机1的信号发送端连接，所述RS485通信转换电路3的第二输出端与RF无线模块电路4的第一信号接收端连接，所述RS485通信转换电路3的第二输入端与RF无线模块电路4的第一信号发送端连接，同时所述RS485通信转换电路3提供连接监控分站23的通讯信号接口，所述RS485通信转换电路3接收MCU单片机1输出的控制信号，实现MCU单片机1串口和RF无线模块电路4之间或者MCU单片机1串口和监控分站23之间通信数据的接收和发送转换；
所述RF无线模块电路4的第二信号输入、输出端连接RF天线8，通过RF天线8接收和发送无线信号。
其中，所述模拟和数字制式信号转换电路2由模拟制式信号转换电路11和数字制式信号转换电路10构成，所述模拟制式信号转换电路11受所述MCU单片机1的控制，输出模拟信号，所述数字制式信号转换电路10受所述MCU单片机1的控制，输出数字频率制式信号。
参见图3，所述数字制式信号转换电路10包括光电耦合器U9，所述光电耦合器U9的其中一个输入端通过电阻R5连接本安直流电源转换电路7的输出端VCC，光电耦合器U9的另一个输入端连接MCU单片机1的一个输出端(P12)，所述光电耦合器U9的其中一个输出端通过电阻R6接电源，光电耦合器U9的另一输出端输出数字信号。
所述模拟制式信号转换电路11包括光电耦合器U14和恒流源电路，所述光电耦合器U14的其中一个输入端通过电阻R32连接本安直流电源转换电路7的输出端VCC，光电耦合器U14的另一个输入端接MCU单片机1的一个输出端(P16)，所述光电耦合器U14的其中一个输出端连接恒流源电路的输出端，光电耦合器U14的另一输出端输出模拟信号；所述恒流源电路的输入端连接MCU单片机1的其中一个输出端(P13)。
所述恒流源电路由光电耦合器U11、电阻R4、R11、R19、R25、R23、R26、放大器U10A、三极管Q2构成，所述光电耦合器U11的其中一个输入端通过电阻R11接本安直流电源转换电路7的输出端VCC，光电耦合器U11的另一个输入端接MCU单片机1的一个输出端(P13)，所述光电耦合器U11的其中一个输出端连接电源，光电耦合器U11的另一个输出端通过电阻R19连接电源，并通过串联连接的电阻R23、R25连接本安直流电源转换电路7的输出端VSS，电阻R23、R25的连接节点接放大器U10A的正输入端，放大器U10A的负输入端连接三极管Q2的发射极，放大器U10A的输出端通过电阻R4连接三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极连接光电耦合器U14的一个输出端，三极管Q2的发射极通过电阻R26接电源。
通常，煤矿井下大多数检测传感器设备采用1mA/5mA二态传输制式或者5mA/1mA/0mA三态模拟传输制式信号电路和分站相连接。所述模拟制式信号转换电路11的工作原理及实现方法如下：参见图3和图4，当MCU单片机1程序将MCU单片机1输出端P16置1时，MCU单片机1的P16输出引脚输出高电平，光电耦合器U14不导通，则提供连接外部监控分站的模拟信号接口输出端S_ONOFF端的输出电流为约0mA状态；反之，当MCU单片机1程序将MCU单片机1输出端P16置0时，MCU单片机1的P16输出引脚输出低电平，光电耦合器U14导通，则提供连接外部监控分站的模拟信号接口输出端S_ONOFF端的输出状态由MCU单片机1的P13输出引脚输出电平来决定；当MCU单片机1程序将MCU单片机1的输出端P13置1时，MCU单片机1的P13输出引脚输出高电平，光电耦合器U11不导通，则通过恒流源电路中的三极管Q2输出约1mA电流，则提供连接外部监控分站的模拟信号接口输出端S_ONOFF端的输出电流为约1mA。当MCU单片机1程序将MCU单片机1的输出端P13置0时，MCU单片机1的P13输出引脚输出低电平，光电耦合器U11导通，则通过衡流源电路中的三极管Q2输出约5mA电流，则提供连接外部监控分站的模拟信号接口输出端S_ONOFF端输出电流为约5mA。
所述数字制式信号转换电路10的工作原理是：通过MCU单片机1程序控制内部定时计数器，并通过MCU单片机1的P12输出引脚输出高低电平分别控制光电耦合器U9开闭，从而控制连接外部监控分站的数字信号输出端C_CH4端。
Claims (8)
1、基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，包括机载甲烷检测自动断电控制器(21)、监控分站(23)、防爆开关及远程控制器(24)、中心监控计算机(25)和系统处理工作站(26)、网络交换设备(27)，其特征在于：所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统还设置有N个无线数据收发与信号转换器(22)，其中，N大于等于1小于等于20；
所述机载甲烷检测自动断电控制器(21)采集瓦斯浓度参数值、传感器电源电压参数值、传感器交流/直流供电状态信号和机载甲烷检测自动断电控制器通电/断电状态信号，并将采集的信息数据经过处理，传输给无线数据收发与信号转换器(22)；
所述无线数据收发与信号转换器(22)，将机载甲烷检测自动断电控制器(21)传来的信息进行转换处理后输出到监控分站(23)，或者传输给下一个或N个无线数据收发与信号转换器(22)，再由第N个无线数据收发与信号转换器(22)输出到监控分站(23)；
监控分站(23)一方面将接收到的信号或信息进行智能化处理，通过网络交换设备(27)逐级传送到中心监控计算机(25)和系统处理工作站(26)，并且通过防爆开关及远程控制器(24)控制相应煤矿电力设备及时断电；
中心监控计算机(25)和系统处理工作站(26)实时显示各个监测和监控点的信息。
2、根据权利要求1所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，其特征在于：所述无线数据收发与信号转换器(22)通过信号线将数据传输到监控分站(23)。
3、根据权利要求1所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，其特征在于：所述无线数据收发与信号转换器(22)通过无线方式将数据传输到监控分站(23)。
4、根据权利要求2或3所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，其特征在于：所述无线数据收发与信号转换器(22)包括MCU单片机(1)、看门狗电路(5)、时钟晶振电路(6)、本安直流电源转换电路(7)，所述看门狗电路(5)、时钟晶振电路(6)的输出端分别与MCU单片机(1)连接；本安直流电源转换电路(7)将外部本安电源配接设备提供的本安直流输入电压转换成电路单元需要的工作电压；
所述MCU单片机(1)的输出端连接模拟和数字制式信号转换电路(2)的输入端，所述模拟和数字制式信号转换电路(2)接收MCU单片机(1)输出的控制信号，提供连接监控分站(23)的数字接口和模拟接口，输出模拟信号和数字频率制式信号；
所述RS485通信转换电路(3)的控制端与MCU单片机(1)的输出端连接；所述RS485通信转换电路(3)的第一输出端与MCU单片机(1)的信号接收端连接，所述RS485通信转换电路(3)的第一输入端与MCU单片机(1)的信号发送端连接，所述RS485通信转换电路(3)的第二输出端与RF无线模块电路(4)的第一信号接收端连接，所述RS485通信转换电路(3)的第二输入端与RF无线模块电路(4)的第一信号发送端连接，同时所述RS485通信转换电路(3)提供连接监控分站(23)的通讯信号接口，所述RS485通信转换电路(3)接收MCU单片机(1)输出的控制信号，实现MCU单片机(1)串口和RF无线模块电路(4)之间或者MCU单片机(1)串口和监控分站(23)之间通信数据的接收和发送转换；
所述RF无线模块电路(4)的第二信号输入、输出端连接RF天线(8)，通过RF天线(8)接收和发送无线信号。
5、根据权利要求4所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，其特征在于：所述模拟和数字制式信号转换电路(2)由模拟制式信号转换电路(11)和数字制式信号转换电路(10)构成，所述模拟制式信号转换电路(11)受所述MCU单片机(1)的控制，输出模拟信号，所述数字制式信号转换电路(10)受所述MCU单片机(1)的控制，输出数字频率制式信号。
6、根据权利要求5所述的基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，其特征在于：所述数字制式信号转换电路(10)包括光电耦合器(U9)，所述光电耦合器(U9)的其中一个输入端通过电阻(R5)连接本安直流电源转换电路(7)的输出端(VCC)，光电耦合器(U9)的另一个输入端接MCU单片机(1)的一个输出端，所述光电耦合器(U9)的其中一个输出端通过电阻(R6)接电源，光电耦合器(U9)的另一输出端输出数字信号。
7、根据权利要求6所述的一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，其特征在于：所述模拟制式信号转换电路(11)包括光电耦合器(U14)和恒流源电路，所述光电耦合器(U14)的其中一个输入端通过电阻(R32)连接本安直流电源转换电路(7)的输出端(VCC)，光电耦合器(U14)的另一个输入端接MCU单片机(1)的一个输出端，所述光电耦合器(U14)的其中一个输出端连接恒流源电路的输出端，光电耦合器(U14)的另一输出端输出模拟信号；所述恒流源电路的输入端连接MCU单片机(1)的其中一个输出端。
8、根据权利要求7所述的一种基于无线数据收发与信号转换器的矿山安全监测监控系统，其特征在于：所述恒流源电路由光电耦合器(U11)、电阻(R4、R11、R19、R25、R23、R26)、放大器(U10A)、三极管(Q2)构成，所述光电耦合器(U11)的其中一个输入端通过电阻(R11)接本安直流电源转换电路(7)的输出端(VCC)，光电耦合器(U11)的另一个输入端接MCU单片机(1)的一个输出端，所述光电耦合器(U11)的其中一个输出端连接电源，光电耦合器(U11)的另一个输出端通过电阻(R19)连接电源，并通过串联连接的电阻(R23、R25)连接本安直流电源转换电路(7)的输出端(VSS)，电阻(R23、R25)的连接节点连接放大器(U10A)的正输入端，放大器(U10A)的负输入端连接三极管(Q2)的发射极，放大器(U10A)的输出端通过电阻(R4)连接三极管(Q2)的基极，三极管(Q2)的集电极连接光电耦合器(U14)的一个输出端，三极管(Q2)的发射极通过电阻(R26)接电源。
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