基于Zigbee技术的煤矿通风机无线监控系统

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基于Zigbee技术的煤矿通风机无线监控系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及煤矿安全生产监控领域，具体为一种基于Zigbee技术的煤矿用通风机无线监控系统。
背景技术
[0002] 近几年，随着国民经济的快速发展和基础设施建设步伐的加快，能源需求增长加速，煤炭产量也迅速增长。煤矿生产的一个最重要的问题之一便是安全问题，而矿井通风是煤矿安全生产中不可缺少的主要环节，如何实现煤矿通风机在线监测，实时观察各个通风机的运行状态并且要求能有效、快速对井下设备执行相应的控制操作变得至关重要。通风机是一种促使空气流通的一种电机设备，煤矿上主要是用来将地面上的新鲜空气输送到井下巷道中，保证井下新鲜空气充足，降低瓦斯浓度等作用。它的安全运行是整个煤矿正常安全生产的必要保证。目前矿用通风机监控系统信息集成能力不强，系统不开放、成本较高而效率较低。首先，矿用通风机需要监控的参数众多，如电动机电压、电流、轴温、风速、风量和瓦斯浓度等，每个参数测量位置大不相同，监控系统的布线复杂繁琐，容易出错。其次，矿用通风机采用有线监控，由于监控参数众多，位置不同，需要布设大量通讯线，成本较高。再次，若采用普通无线通信方式设计监控系统，则通讯的可靠性又会大大降低。另外现有通风机监控系统的扩展性较差，若要增加或者减少若干个监控点，则需要重新增加或者减少布线，系统程序也将需要重新设置，十分繁琐。以上这些说明现有矿用通风机的监控系统还存在着些许的不足需要改进。目前基于Zigbee技术的无线监控系统正在迅速发展，将各个监控点和上位机都设为各个通信节点，通过Zigbee无线通信技术实现监控点和上位机的数据传输，这种监控系统既节省了成本，减轻了布线的工作量，更加保证了数据的实时性和安全性，增加了系统的可拓展性。
实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的是提供一种基于Zigbee技术的通风机无线监控系统，以实现煤矿通风机的无线监控、降低成本和减少系统的繁复程度。
[0004] 为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
[0005] 基于Zigbee技术的煤矿通风机无线监控系统，其特征是由上位机主站和传感器分站两部分组成，上位机主站是由上位机和网关节点组成，网关节点由CC2530最小系统、电源模块、 电平变换和显示电路组成，传感器分站由C C2530最小系统、电源模块、电压互感器、电流互感器、温湿度传感器、瓦斯传感器、气压传感器电路组成，上位机主站和传感器分站之间通过Zigbee技术进行无线通信，将传感器分站采集到的数据发送到上位机主站中进行监控。
[0006] 所述的基于Zigbee技术的煤矿通风机无线监控系统，其特征在于：各种传感器模块不再通过有线的方式与上位机进行相连接，而是通过各自连接的终端节点，通过天线与上位机进行无线连接。
[0007] 所述的基于Zigbee技术的煤矿通风机无线监控系统，其特征在于：电源模块、相应的传感器模块和以C C2530为主控芯片的终端节点三者相连，构成相应的传感器分站。 [0008] 所述的基于Zigbee技术的煤矿通风机无线监控系统，其特征在于：电源模块、上位机和以CC2530为主控芯片的网关节点通过USB接口进行相连，组成了上位机主站。 [0009] 本实用新型的工作原理是：所有传感器模块采集到的数据直接传输到终端节点中。所有终端节点与网关节点组成Zigbee无线网络，各个终端节点收到的传感器模块发送的数据后通过无线通信传输给网关节点。网关节点通过USB接口再送到上位机当中，上位机将这些传感器模块采集到的数据在监控软件的界面中相应的位置上实时显示出来。上位机的任何操作指令，通过USB接口先传送到网关节点，网关节点再通过无线通信发送到相应的终端节点上，终端节点根据接收到的操作指令直接对传感器模块进行操作，使传感器模块做出相应动作。整个过程中每个传感器分站和上位机主站之间的通信全部采用Zigbee技术进行无线通信。本实用新型将Zigbee技术用于通风机的监控当中，保障了煤矿恶劣环境中通风机监控的实时性和物理安全性。
[0010] 与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：
[0011] 本实用新型采用上位机主站和传感器分站之间通过Zigbee技术组成无线网络，从而实现对煤矿用通风机进行实时监控，其中传感器分站与上位机主站通过无线通信，避免了传统监控系统中，传感器与上位机进行有线连接通信的布线复杂，设置繁琐，工作量大，容易出错的缺点，更进一步降低了布线所需要的成本投入。采用基于Zigbee技术组成无线网络，则提高了通信的准确性，增加了系统的可扩展性。使得本实用新型更加简单，准确，可靠。
附图说明
[0012] 图1为本实用新型的矿用通风机无线监控系统示意图。
[0013] 图2为本实用新型的上位机主站结构框图。
[0014] 图3为本实用新型的传感器分站结构框图。
[0015] 图4为本实用新型的电源模块电路图。
[0016] 图5为本实用新型的LCD显示模块电路图。
[0017] 图6为本实用新型的电平变换模块电路图。
[0018] 图7为本实用新型的CC2530最小系统电路图。
[0019] 图8为本实用新型的温湿度传感器模块电路图。
[0020] 图9为本实用新型的电压互感器模块电路图。
[0021] 图10为本实用新型的电流互感器模块电路图。
[0022] 图11为本实用新型的瓦斯传感器模块电路图。
[0023] 图12为本实用新型的气压传感器模块电路图。
具体实施方式
[0024] 如图1所示，基于Zigbee技术的煤矿通风机无线监控系统示意图，它由2部分构成：上位机主站和传感器分站。上位机主站结构框图如图2所示，它由上位机、网关节点和电源模块组成，上位机和网关节点通过USB相连；传感器分站结构框图如图3所示，它由传感器模块、终端节点和电源模块组成，传感器模块和终端节点直接相连；煤矿通风机需要监控的各种参数通过安装相应的传感器分站采集数据获得，这些传感器模块包括：电压互感器、电流互感器、温湿度传感器、气压传感器和瓦斯传感器。传感器分站主要分别布置在风机、风道等各个便于准确采集数据的位置上。上位机主站设置在监控室当中。 [0025] 如图4所示是本实用新型电源模块电路图。其主要为提供电路中所需电源的作用，其中开关S1用来选择是由外部供电还是内部电池供电。F1为保险丝，用来保护电路防止电路中电流过大。
[0026] 网关节点由图5，图6和图7的电路组成。图5为本实用新型的LCD显示模块的电路图，图6为本实用新型的电平变换模块的电路图，图7为本实用新型的CC2530最小系统电路图。图5中的LCD接口装上LCD显示屏之后可以显示网关节点的工作状态和相应参数。
图6的电平转换电路主要用于网关节点与上位机通信，网关节点的数据电平为TTL电平，网关节点通过电平转换电路将TTL电平的数据转换成USB的数据，然后发给上位机接收。图
7为CC2530最小系统电路图，CC2530是整个网关节点的主控芯片，图中电阻电容和晶振组成的最小系统使CC2530正常工作。其中C15，C16，C17，C18，C19，L1，L2和天线Y1组成了天线电路，CC2530通过天线电路发送或者接收数据。
[0027] 终端节点由图5和图7的电路组成。图5的LCD显示模块用于显示工作状态和相关参数，图7的CC2530最小系统为整个温湿度传感器分站的主控单元，其中包括天线电路用于和网关节点进行无线通信。
[0028] 温湿度传感器分站由终端节点和温湿度传感器模块组成。图8为本实用新型的温湿度传感器模块电路图。图8的温湿度传感器模块用于采集通风机的温度和湿度数据，并将数据通 过终端节点发送给网关节点。
[0029] 电压互感器分站由终端节点和电压互感器模块组成。图9为本实用新型的电压互感器模块电路图。图9的电压互感器模块用于采集通风机的电压数据，并将数据通过终端节点发送给网关节点。
[0030] 电流互感器分站由终端节点和电流互感器模块组成。图10为本实用新型的电流互感器模块电路图。图10的电压互感器模块用于采集通风机的电流数据，并将数据通过终端节点发送给网关节点。
[0031] 瓦斯传感器分站由终端节点和瓦斯传感器模块组成。图11为本实用新型的瓦斯传感器模块电路图。图11的瓦斯传感器模块用于采集通风机的瓦斯浓度，并将数据通过终端节点发送给网关节点。
[0032] 气压传感器分站由终端节点和气压传感器模块组成。图12为本实用新型的气压传感器模块电路图。图12的气压传感器模块用于采集通风机的气压数据，并将数据通过终端节点发送给网关节点。