專利名稱：多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及礦井監(jiān)控領(lǐng)域，尤其是一種多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車 監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
礦井機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對(duì)大巷軌道機(jī)車運(yùn)輸進(jìn)行指揮調(diào)度、安全監(jiān)控和 生產(chǎn)管理。它可以改善生產(chǎn)條件、保障運(yùn)輸安全、提高指揮效率、增加經(jīng)濟(jì)效益，是現(xiàn)代化礦 井必不可少的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于采用有線聯(lián)網(wǎng)的礦井機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)則需 要開挖道路，鋪設(shè)管線，建設(shè)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高昂；完全利用公共無線網(wǎng)絡(luò)，通信成本過高，信 號(hào)的傳輸距離也要受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，以 解決現(xiàn)有技術(shù)存在的安裝不便、成本較高，工作不可靠的問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于包括有本安電 源模塊，與井上服務(wù)器通過以太網(wǎng)通訊連接的網(wǎng)關(guān)模塊，以及分別與網(wǎng)關(guān)模塊通過CAN總 線通訊連接的動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車載信號(hào)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊、計(jì)軸器模塊；所述本安電源模塊輸送本安電源至所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車載信號(hào)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍 機(jī)模塊、計(jì)軸器模塊，本安電源模塊包括供電模塊、多路輸出模塊、電池組、電池保護(hù)模塊、 電源控制模塊，所述輸出模塊分別與供電模塊電連接，供電模塊實(shí)現(xiàn)AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換， 輸出模塊實(shí)現(xiàn)DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換，所述電池組與輸出模塊電連接，電池組多組串用作為 備用電源，所述電池保護(hù)模塊對(duì)電池組進(jìn)行電池電壓檢測(cè)、斷電控制，電池保護(hù)模塊與電池 組封裝在一起成為本安部件，所述電源控制模塊包括MCU，電源控制模塊與供電模塊、輸出 模塊電連接，電源控制模塊通過Lin總線與網(wǎng)關(guān)通訊；所述網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN總線之間的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，網(wǎng)關(guān)模塊包括MCU 主控板，SPI-CAN轉(zhuǎn)接板，Switch連接板和底座板，所述底座板帶MCU主控板接口、SPI-CAN 轉(zhuǎn)接板接口、Switch連接板接口和電源接口，所述MCU主控板、SPI-CAN轉(zhuǎn)接板、Switch連 接板分別接入底座板上各自對(duì)應(yīng)的接口并通過底座板連接在井下工作面，所述底座板的電 源接口接外部電源并供電至MCU主控板，SPI-CAN轉(zhuǎn)接板，Switch連接板，所述MCU主控板 包括16位Freescale處理器，及分別接入16位Freescale處理器的以太網(wǎng)接口、時(shí)鐘芯 片、電平轉(zhuǎn)換芯片、SPI 口，MCU主控板通過以太網(wǎng)口與Switch板通訊連接，MCU主控板通 過SPI 口和SPI-CAN轉(zhuǎn)接板通信，所述SPI-CAN轉(zhuǎn)接板包括CAN控制器和CAN收發(fā)器，所述 CAN控制器和CAN收發(fā)器之間通過光電隔離器隔開，SPI-CAN轉(zhuǎn)接板的CAN控制器和CAN收 發(fā)器通過CAN總線與所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車載信號(hào)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊、計(jì)軸器模塊通訊 連接，所述Switch連接板包括HUB控制器芯片IP178CH、網(wǎng)絡(luò)變壓器，所述MCU主控板通過Switch連接板接入以太網(wǎng)；所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊安裝在井下軌道岔道處，動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊包括CPU、電源模 ±夬，以及接入CPU的CAN模塊、ZigBee模塊、信號(hào)顯示燈，所述電源模塊供電至CPU、CAN模 塊、ZigBee模塊和信號(hào)顯示燈，電源模塊包括電源、與電源電連接的電壓轉(zhuǎn)換芯，所述CAN 模塊包括CAN總線驅(qū)動(dòng)器芯片及其外圍電路，所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊通過其CAN模塊接入CAN 總線與網(wǎng)關(guān)模塊通訊，所述ZigBee模塊包括無線射頻芯片及其外圍電路，所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī) 模塊通過其ZigBee模塊與所述車載信號(hào)機(jī)模塊無線通信；所述車載信號(hào)機(jī)模塊安裝在井下機(jī)車上，車載信號(hào)機(jī)模塊采用PIC18F4680為主 控制芯片控制電源模塊、語(yǔ)音模塊、電壓采集模塊、信號(hào)顯示電路、速度傳感器接口、ZigBee 模塊；所述電源模塊采用LM2575芯片將外部提供的12V轉(zhuǎn)換為3. 3V供至所述語(yǔ)音模塊、電 壓采集模塊、信號(hào)顯示電路、速度傳感器接口、ZigBee接口，所述語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放，語(yǔ) 音模塊包括語(yǔ)音芯片，接入語(yǔ)音芯片的喇叭、功放芯片，所述信號(hào)顯示電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)顯示， 所述電壓采集模塊采用AD轉(zhuǎn)換得到電壓值，信號(hào)顯示電路包括達(dá)林頓功放三極管集成芯 片、接入達(dá)林頓功放三極管集成芯片的LED發(fā)光，所述ZigBee模塊包括無線射頻芯片及其 外圍電路，所述車載信號(hào)機(jī)通過其ZigBee模塊與動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)無線通信；所述轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊安裝在井下軌道岔道處，轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊包括電源模塊，8位 Freescale處理器，以及接入8位Freescale處理器的CAN收發(fā)器、譯碼器、光電隔離器、固 態(tài)繼電器，所述電源模塊供電至8位Freescale處理器的CAN收發(fā)器、譯碼器、光電隔離器、 固態(tài)繼電器，所述轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊通過其CAN收發(fā)器接入CAN總線與網(wǎng)關(guān)模塊通訊； 所述計(jì)軸器模塊安裝在井下軌道側(cè)部，計(jì)軸器模塊包括8位Freescale處理器，接 入8位Freescale處理器的、CAN收發(fā)器、電源轉(zhuǎn)換芯片、多個(gè)計(jì)軸傳感器，所述計(jì)軸傳感器 分別通過計(jì)軸器信號(hào)放大電路接入8位Freescale處理器中，所述計(jì)軸器模塊通過CAN收 發(fā)器接入CAN總線與網(wǎng)關(guān)模塊通訊。所述的多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于還包括 有多個(gè)安裝在井下的攝像機(jī)，所述攝像機(jī)接入網(wǎng)關(guān)模塊的Switch連接板中。所述的多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述計(jì) 軸傳感器兩個(gè)成一組安裝在井下軌道兩側(cè)，且同組的計(jì)軸傳感器位置錯(cuò)開。所述的多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控方法，其特征在 于包括以下步驟(1)、井上服務(wù)器通過網(wǎng)關(guān)模塊、Lin總線和本安電源模塊通訊，檢測(cè)本安電源運(yùn)行 情況和控制本安電源模塊關(guān)閉或者打開；O)、井上服務(wù)器通過以太網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)模塊的Switch連接板通訊，同時(shí)攝像頭通過 網(wǎng)關(guān)模塊的Switch連接板和井上服務(wù)器通訊，工作人員在井上服務(wù)器通過攝像頭觀察井 下情況；(3)、計(jì)軸器模塊通過檢測(cè)電流的變化，計(jì)算出礦車的車速、方向、軸數(shù)、漏軸數(shù)信 息，并通過CAN總線傳送至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊通過以太網(wǎng)向井上服務(wù)器上計(jì)軸器模塊的 傳數(shù)據(jù)；(4)、井上服務(wù)器根據(jù)井下的工作狀態(tài)首先通過網(wǎng)關(guān)模塊，由網(wǎng)關(guān)模塊通過CAN總 線將控制命令發(fā)給動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊，然后由動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊通過ZigBee模塊傳送至井下機(jī)車的車載信號(hào)機(jī)模塊；(5)、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊接收到由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)自井上服務(wù)器的控制命令后完成轉(zhuǎn)轍，還通 過本地控制命令將轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊的控制權(quán)交出由人工按鈕完成轉(zhuǎn)轍，左右轉(zhuǎn)動(dòng)和本地控制在 電路上都有相應(yīng)的LED指示，并且可以實(shí)時(shí)上報(bào)當(dāng)前道岔位置及電機(jī)的工作電壓信息。所述的多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述步 驟中，動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊安裝在井下軌道的岔道處形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，車載信號(hào)機(jī)模塊安裝 在井下機(jī)車上，動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車載信號(hào)機(jī)模塊之間同步顯示路況信息。本發(fā)明安裝便捷、價(jià)格低廉、工作可靠，是一種全局協(xié)調(diào)控制的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)礦井機(jī)車 運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，能夠適應(yīng)數(shù)字化礦井行業(yè)發(fā)展的需求。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在1、先進(jìn)性系統(tǒng)的設(shè)備大量采用低功耗器件，引入了智能控制，探索出一系列柔性調(diào)度算法， 解決了動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤中的前向不定性和后向不定性問題，行車路徑的動(dòng)態(tài)鏈接問題，信號(hào) 連鎖關(guān)系的自動(dòng)判斷問題，設(shè)備損壞時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自適應(yīng)重組問題；以任務(wù)和任務(wù)串調(diào)度 方式增強(qiáng)了傳統(tǒng)的進(jìn)路調(diào)度方式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化調(diào)度。2、實(shí)用性針對(duì)煤礦井下環(huán)境惡劣，運(yùn)輸生產(chǎn)規(guī)律性較差、運(yùn)輸設(shè)備完好率不高、人為干擾大 的客觀條件而設(shè)計(jì)的，在設(shè)備制照和軟件編制時(shí)也充分考慮了這些不利因素，可以在煤礦 現(xiàn)有管理水平和客觀環(huán)境下良好運(yùn)行。3、可靠性系統(tǒng)的井下分站采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，各設(shè)備大量采用工業(yè)級(jí)芯片，提高了設(shè)備 對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力，全部電路中沒有一個(gè)繼電器動(dòng)觸點(diǎn)，從根本上消滅了接觸不良這 一最大的故障源；各級(jí)遠(yuǎn)地分站之間實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，即使電纜上竄入1000V的高壓電流， 也能將損失壓縮在極小范圍內(nèi)。由于采用了適度的冗余設(shè)計(jì)，并在三級(jí)計(jì)算機(jī)中均編制了大量抗干擾、糾錯(cuò)和故 障定位程序，使得系統(tǒng)有很強(qiáng)的容錯(cuò)工作能力。系統(tǒng)中所有設(shè)備都被另外的智能設(shè)備所監(jiān) 視，全部信號(hào)線都有短路、斷路、漏地的保護(hù)和檢測(cè)，任何設(shè)備或電纜發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)都能 準(zhǔn)確定位，立即報(bào)警。各級(jí)計(jì)算機(jī)及電源箱均采用板極維護(hù)，任何井下設(shè)備電路發(fā)生故障 時(shí)，維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，一般都能在15min內(nèi)處理完畢，恢復(fù)運(yùn)行。系統(tǒng)以編碼信號(hào)取代電平信號(hào)對(duì)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制，有效地解決了雜散電流引起 設(shè)備誤動(dòng)作的問題。系統(tǒng)全部設(shè)備、配備件來源可靠，備有多種專用檢測(cè)儀表，方便用戶自行維修。系 統(tǒng)的配件供應(yīng)，用戶培訓(xùn)及維修保障等工作均集中負(fù)責(zé)，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了可靠保障。4、經(jīng)濟(jì)性系統(tǒng)所有強(qiáng)電設(shè)備采用干線供電，直接弱電控制，省去了配電箱及專門供電電纜， 減少了設(shè)備數(shù)量。系統(tǒng)盡量采用以軟代硬的設(shè)計(jì)思想，強(qiáng)化軟件，簡(jiǎn)化硬件，降低了設(shè)備的 造價(jià)。系統(tǒng)為集散式結(jié)構(gòu)，控制分站就近安裝在控制現(xiàn)場(chǎng)大巷側(cè)壁上，大大減少了電纜投 資，也減少了施工費(fèi)用。系統(tǒng)利用監(jiān)測(cè)過程中采集的數(shù)據(jù)開發(fā)了生產(chǎn)管理功能，在不增加井
6下設(shè)備的前提下，增加了信息的利用深度。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖。圖2為本發(fā)明所涉及的本安電源模塊硬件框圖。圖3為本發(fā)明所涉及的網(wǎng)關(guān)模塊硬件框圖。圖4為本發(fā)明所涉及的信號(hào)機(jī)模塊硬件框圖。圖5為本發(fā)明所涉及的轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊硬件框圖。圖6為本發(fā)明所涉及的計(jì)軸器模塊硬件框圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示。本發(fā)明系統(tǒng)組成包括本安電源模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車 載信號(hào)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊、計(jì)軸器模塊。本安電源模塊安置在井下，當(dāng)交流來電時(shí)，由供電模塊向母線提供27. 6V直流電 壓，供各輸出模塊使用，同時(shí)給電池組充電；當(dāng)交流掉電后，電池組向母線放電，維持輸出模 塊工作。網(wǎng)關(guān)模塊安置在礦井下，對(duì)上連接以太網(wǎng)，對(duì)下連接CAN總線。其主要功能是實(shí)現(xiàn) CAN總線和以太網(wǎng)的異型網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。同時(shí)，攝像頭通過Swtich連接板和井上服務(wù)器通信，操 作員可以在井上服務(wù)器通過攝像頭觀察井下情況。動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊安置在交通路口，在監(jiān)控系統(tǒng)中用來給出進(jìn)路開放與閉鎖以及運(yùn) 行方向信號(hào)。動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊既是CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，也是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)， 承擔(dān)著CAN網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間相互通信的重要使能。車載信號(hào)機(jī)模塊安裝在井下機(jī)車上，通過ZigBee模塊無線通信與動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)上報(bào)車號(hào)、車類、車速、電壓等信息，同時(shí)接收上位機(jī)控制命令，具有前方 信號(hào)燈指示與限速預(yù)警報(bào)告功能。轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊安裝在軌道的岔道處，用于改變道岔開通方向、鎖閉道岔尖軌，同時(shí)可 以上報(bào)當(dāng)前道岔位置及電機(jī)的工作電壓等信息。計(jì)軸器模塊中，計(jì)軸傳感器兩個(gè)成一組工作，安裝在軌道兩側(cè)，采集經(jīng)過礦車的車 速、方向、軸數(shù)、漏軸數(shù)等實(shí)時(shí)信息，并通過CAN總線向控制中心上傳這些數(shù)據(jù)，以及完成故 障檢測(cè)和報(bào)警等功能。具體實(shí)施中，井上服務(wù)器通過光纖以太網(wǎng)與嵌入式CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行 通信，網(wǎng)關(guān)模塊通過CAN總線與掛載在CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互。動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī) 模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊、計(jì)軸器模塊都是掛載在CAN網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中，動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊 通過無線通信方式與井下機(jī)車上的車載信號(hào)機(jī)模塊進(jìn)行通信。如圖2所示，本安電源模塊包括供電模塊、輸出模塊、電池組、電池保護(hù)模塊、控制 模塊，其中供電模塊包括自帶A/D轉(zhuǎn)換的微控制器STC2052AD、Lin控制器TJA1020、溫度 控制芯片T0P258YN、溫度傳感器、變壓器、光隔、負(fù)溫度系數(shù)電阻器、全橋整流器，完成AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換功能，供電模塊即AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊，輸入85-250V交流電，輸出 12V/1. 5A直流電，并具有交流掉電信號(hào)輸出。輸出模塊包括電源控制芯片LT3837、電源MOS管、線性穩(wěn)壓器LT1963、三極管、光 隔、電壓比較器LM339，實(shí)現(xiàn)本安輸出，能嚴(yán)格限制輸出最高電壓和最大電流，并且在單個(gè)元 件故障時(shí)不喪失本安保護(hù)功能；輸出模塊即DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊包括5路模塊，1路 5V輸出模塊輸入16-28V直流電，輸出5V/500mA直流電，該模塊無需外部輸出控制，一直 供電；但要有漏地檢測(cè)信號(hào)輸出，4路15V輸出模塊輸入9-16V直流電，輸出15V/800mA直 流電，該模塊有分站控制輸出啟/停命令和檢測(cè)模塊供電/保護(hù)狀態(tài)，并有漏地檢測(cè)信號(hào)輸 出。最大輸入10W，最大輸出6W。電池組采用LC-R127CH1鉛酸膠體電池(12V/7Ah/20HR)，84Wh，放電下限電壓8V， 浮充電壓13. 8V，最大充電電流2. 8A，用作備用電源。電池保護(hù)模塊包括電池電壓檢測(cè)電路，斷電控制電路，整個(gè)模塊與電池封裝在一 起，使之成為本安部件；電池保護(hù)模塊可以限制最大充電電流、最高浮充電壓、最低放電電壓。控制模塊包括MCU檢測(cè)各種監(jiān)測(cè)信號(hào)和發(fā)出控制信號(hào)，并以Lin總線和網(wǎng)關(guān)交換 數(shù)據(jù)。如圖3所示，網(wǎng)關(guān)模塊包括MCU主控板，SPI-CAN轉(zhuǎn)接板，Switch連接板和底座板， 其中MCU主控板包括16位Freescale嵌入式處理器、以太網(wǎng)接口、時(shí)鐘芯片、電平轉(zhuǎn)換 芯片74HCT245等，用于維持精確的本地時(shí)鐘、存儲(chǔ)信息和控制數(shù)據(jù)、實(shí)施優(yōu)化算法；MCU的 以太網(wǎng)口與Switch板相連，接入以太網(wǎng)，另一方面通過SPI 口和SPI-CAN轉(zhuǎn)接板通信。SPI-CAN轉(zhuǎn)接板主要包括CAN控制器MCP2515、CAN收發(fā)器SJA1040以及12V轉(zhuǎn)5V 電源芯片78L05，主要完成對(duì)井下工作面的CAN數(shù)據(jù)和MCU板需要的SPI數(shù)據(jù)的收發(fā)和轉(zhuǎn) 換；CAN控制器MCP2515和CAN收發(fā)器SJA1040之間通過光隔隔開，保證SJA1040的信號(hào)不 被干擾。Switch連接板包括HUB控制器芯片IP178CH、網(wǎng)絡(luò)變壓器和相應(yīng)的外圍器件，將以 太網(wǎng)和MCU板連接。這塊板是Khernet的集線器，將其單獨(dú)作為一塊板而沒有并入主功 能板是因?yàn)榇藟K板本身面積較大，走線比較復(fù)雜，而且其功能獨(dú)立，單獨(dú)畫板有利于系統(tǒng)調(diào) 試。板上面只有+5V—種電平，它也實(shí)現(xiàn)了主功能板與Khernet之間的隔離；Switch連接 板選用HUB控制器芯片IP178CH，將以太網(wǎng)和MCU板連接。底座板包括以上幾個(gè)板子的接口以及電源接口等，用于對(duì)MCU控制板，SPI-CAN轉(zhuǎn) 接板，Switch連接板整體供電以及連接井下工作面。如圖4所示，信號(hào)機(jī)包括動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊和車載信號(hào)機(jī)模塊。動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊是 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與車載信號(hào)機(jī)模塊通信的橋梁，完成車載信號(hào)機(jī)模塊與網(wǎng)關(guān)模塊之間的信息轉(zhuǎn) 發(fā)。將車載信號(hào)機(jī)模塊上行的ZigBee數(shù)據(jù)幀解析并封裝成CAN數(shù)據(jù)幀上傳；接收上位機(jī) 下行給車載信號(hào)機(jī)模塊的控制命令解析并打包成ZigBee數(shù)據(jù)幀通過ZigBee無線通信技術(shù) 傳送到車載信號(hào)機(jī)模塊。同時(shí)該模塊本身有信號(hào)顯示功能，根據(jù)下行給動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)的命令， 進(jìn)行不同的模式顯示。其主要由電源模塊、CAN模塊、ZigBee模塊以及信號(hào)顯示燈這幾個(gè)功 能塊組成。電源模塊用來給整個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)提供電源、CAN模塊實(shí)現(xiàn)CAN總線通信、ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)無線射頻通信、信號(hào)顯示燈用來進(jìn)行信號(hào)指示功能。車載信號(hào)機(jī)模塊通過ZigBee 無線通信，與動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)時(shí)上報(bào)車號(hào)、車類、車速、電壓等信息，同時(shí)接收 上位機(jī)控制命令，具有前方信號(hào)燈指示與限速預(yù)警報(bào)告功能。其主要包括電源模塊、語(yǔ)音模 塊、ZigBee模塊、信號(hào)顯示燈、速度傳感器接口、電壓采集電路等。動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊中，電源模塊主要由12V電源箱及電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2576組成，既 可以直接用12V電源箱對(duì)信號(hào)燈供電，又可以滿足CPU、無線射頻模塊、CAN收發(fā)器SJA1040 等對(duì)5V電源的需求；CAN模塊包括高速CAN總線驅(qū)動(dòng)器TJA1040芯片，ESD保護(hù)電路，濾波 電容等，用于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信；ZigBee模塊包括無線射頻芯片MC13192、復(fù)位開關(guān)、晶振 電路、調(diào)試接口，實(shí)現(xiàn)無線射頻通信。車載信號(hào)機(jī)中，電源模塊包括LM1117-ADJ 5V-3V電平轉(zhuǎn)換芯片、LM257612V-5V 電平轉(zhuǎn)換芯片，分別滿足模塊內(nèi)對(duì)各種電源的需求；語(yǔ)音模塊包括語(yǔ)音芯片ISD4002、喇 叭、功放芯片TDA2003，完成語(yǔ)音播報(bào)功能；信號(hào)顯示電路包括達(dá)林頓功放三極管集成芯片 UL擬803、LED發(fā)光管，主要用于信號(hào)顯示；ZigBee模塊包括無線射頻芯片MC13192、復(fù)位開 關(guān)、晶振電路、調(diào)試接口，實(shí)現(xiàn)無線射頻通信。如圖5所示，轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊包括8位Freescale處理器、CAN收發(fā)器、電源模塊、譯碼 器、光隔、固態(tài)繼電器等，它安裝在岔道處，用于改變道岔開通方向，同時(shí)可以上報(bào)當(dāng)前道岔 位置及電機(jī)的工作電壓等信息。如圖6所示，計(jì)軸器模塊包括多個(gè)計(jì)軸傳感器、8位Freescale處理器、CAN收發(fā)器 TJA1040、四運(yùn)放集成塊LMV324、電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2575等。計(jì)軸傳感器兩個(gè)成一組工作，交 錯(cuò)地安裝在軌道兩側(cè)，根據(jù)電壓變化計(jì)算礦車的車速、方向、軸數(shù)、漏軸數(shù)等實(shí)時(shí)信息，并通 過CAN總線向控制中心上傳這些數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于包括有本安電源 模塊，與井上服務(wù)器通過以太網(wǎng)通訊連接的網(wǎng)關(guān)模塊，以及分別與網(wǎng)關(guān)模塊通過CAN總線 通訊連接的動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車載信號(hào)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊、計(jì)軸器模塊；所述本安電源模塊輸送本安電源至所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車載信號(hào)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模 塊、計(jì)軸器模塊，本安電源模塊包括供電模塊、多路輸出模塊、電池組、電池保護(hù)模塊、電源 控制模塊，所述輸出模塊分別與供電模塊電連接，供電模塊實(shí)現(xiàn)AC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換，輸出 模塊實(shí)現(xiàn)DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換，所述電池組與輸出模塊電連接，電池組多組串用作為備用 電源，所述電池保護(hù)模塊對(duì)電池組進(jìn)行電池電壓檢測(cè)、斷電控制，電池保護(hù)模塊與電池組封 裝在一起成為本安部件，所述電源控制模塊包括MCU，電源控制模塊與供電模塊、輸出模塊 電連接，電源控制模塊通過Lin總線與網(wǎng)關(guān)通訊；所述網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和CAN總線之間的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，網(wǎng)關(guān)模塊包括MCU主控 板，SPI-CAN轉(zhuǎn)接板，Switch連接板和底座板，所述底座板帶MCU主控板接口、SPI-CAN轉(zhuǎn)接 板接口、Switch連接板接口和電源接口，所述MCU主控板、SPI-CAN轉(zhuǎn)接板、Switch連接板 分別接入底座板上各自對(duì)應(yīng)的接口并通過底座板連接在井下工作面，所述底座板的電源接 口接外部電源并供電至MCU主控板，SPI-CAN轉(zhuǎn)接板，Switch連接板，所述MCU主控板包括 16位Freescale處理器，及分別接入16位Freescale處理器的以太網(wǎng)接口、時(shí)鐘芯片、電平 轉(zhuǎn)換芯片、SPI 口，MCU主控板通過以太網(wǎng)口與Switch板通訊連接，MCU主控板通過SPI 口 和SPI-CAN轉(zhuǎn)接板通信，所述SPI-CAN轉(zhuǎn)接板包括CAN控制器和CAN收發(fā)器，所述CAN控制 器和CAN收發(fā)器之間通過光電隔離器隔開，SPI-CAN轉(zhuǎn)接板的CAN控制器和CAN收發(fā)器通過 CAN總線與所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車載信號(hào)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊、計(jì)軸器模塊通訊連接，所述 Switch連接板包括HUB控制器芯片IP178CH、網(wǎng)絡(luò)變壓器，所述MCU主控板通過Switch連 接板接入以太網(wǎng)；所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊安裝在井下軌道岔道處，動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊包括CPU、電源模塊，以 及接入CPU的CAN模塊、ZigBee模塊、信號(hào)顯示燈，所述電源模塊供電至CPU、CAN模塊、 ZigBee模塊和信號(hào)顯示燈，電源模塊包括電源、與電源電連接的電壓轉(zhuǎn)換芯，所述CAN模塊 包括CAN總線驅(qū)動(dòng)器芯片及其外圍電路，所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊通過其CAN模塊接入CAN總 線與網(wǎng)關(guān)模塊通訊，所述ZigBee模塊包括無線射頻芯片及其外圍電路，所述動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模 塊通過其ZigBee模塊與所述車載信號(hào)機(jī)模塊無線通信；所述車載信號(hào)機(jī)模塊安裝在井下機(jī)車上，車載信號(hào)機(jī)模塊采用PIC18F4680為主控制 芯片控制電源模塊、語(yǔ)音模塊、電壓采集模塊、信號(hào)顯示電路、速度傳感器接口、ZigBee模 塊；所述電源模塊采用LM2575芯片將外部提供的12V轉(zhuǎn)換為3. 3V供至所述語(yǔ)音模塊、電壓 采集模塊、信號(hào)顯示電路、速度傳感器接口、ZigBee接口，所述語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放，語(yǔ)音 模塊包括語(yǔ)音芯片，接入語(yǔ)音芯片的喇叭、功放芯片，所述信號(hào)顯示電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)顯示，所 述電壓采集模塊采用AD轉(zhuǎn)換得到電壓值，信號(hào)顯示電路包括達(dá)林頓功放三極管集成芯片、 接入達(dá)林頓功放三極管集成芯片的LED發(fā)光，所述ZigBee模塊包括無線射頻芯片及其外圍 電路，所述車載信號(hào)機(jī)通過其ZigBee模塊與動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)無線通信；所述轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊安裝在井下軌道岔道處，轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊包括電源模塊，8位Freescale處 理器，以及接入8位Freescale處理器的CAN收發(fā)器、譯碼器、光電隔離器、固態(tài)繼電器，所 述電源模塊供電至8位Freescale處理器的CAN收發(fā)器、譯碼器、光電隔離器、固態(tài)繼電器，所述轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊通過其CAN收發(fā)器接入CAN總線與網(wǎng)關(guān)模塊通訊；所述計(jì)軸器模塊安裝在井下軌道側(cè)部，計(jì)軸器模塊包括8位Freescale處理器，接入8 位Freescale處理器的、CAN收發(fā)器、電源轉(zhuǎn)換芯片、多個(gè)計(jì)軸傳感器，所述計(jì)軸傳感器分別 通過計(jì)軸器信號(hào)放大電路接入8位Freescale處理器中，所述計(jì)軸器模塊通過CAN收發(fā)器 接入CAN總線與網(wǎng)關(guān)模塊通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，其特征 在于還包括有多個(gè)安裝在井下的攝像機(jī)，所述攝像機(jī)接入網(wǎng)關(guān)模塊的Switch連接板中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，其特征 在于所述計(jì)軸傳感器兩個(gè)成一組安裝在井下軌道兩側(cè)，且同組的計(jì)軸傳感器位置錯(cuò)開。
4.一種基于權(quán)利要求1所述的多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)的 監(jiān)控方法，其特征在于包括以下步驟(1)、井上服務(wù)器通過網(wǎng)關(guān)模塊、Lin總線和本安電源模塊通訊，檢測(cè)本安電源運(yùn)行情況 和控制本安電源模塊關(guān)閉或者打開；(2)、井上服務(wù)器通過以太網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)模塊的Switch連接板通訊，同時(shí)攝像頭通過網(wǎng)關(guān) 模塊的Switch連接板和井上服務(wù)器通訊，工作人員在井上服務(wù)器通過攝像頭觀察井下情 況；(3)、計(jì)軸器模塊通過檢測(cè)電流的變化，計(jì)算出礦車的車速、方向、軸數(shù)、漏軸數(shù)信息， 并通過CAN總線傳送至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊通過以太網(wǎng)向井上服務(wù)器上計(jì)軸器模塊的傳數(shù) 據(jù)；(4)、井上服務(wù)器根據(jù)井下的工作狀態(tài)首先通過網(wǎng)關(guān)模塊，由網(wǎng)關(guān)模塊通過CAN總線將 控制命令發(fā)給動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊，然后由動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊通過ZigBee模塊傳送至井下機(jī)車 的車載信號(hào)機(jī)模塊；(5)、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊接收到由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)自井上服務(wù)器的控制命令后完成轉(zhuǎn)轍，還通過本地 控制命令將轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊的控制權(quán)交出由人工按鈕完成轉(zhuǎn)轍，左右轉(zhuǎn)動(dòng)和本地控制在電路上 都有相應(yīng)的LED指示，并且可以實(shí)時(shí)上報(bào)當(dāng)前道岔位置及電機(jī)的工作電壓信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，其特征 在于所述步驟中，動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊安裝在井下軌道的分道處形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，車載信號(hào) 機(jī)模塊安裝在井下機(jī)車上，動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車載信號(hào)機(jī)模塊之間同步顯示路況信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多層異構(gòu)工控網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)下的礦井機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)，包括有本安電源模塊，網(wǎng)關(guān)模塊，以及分別與網(wǎng)關(guān)模塊通訊連接的動(dòng)態(tài)信號(hào)機(jī)模塊、車載信號(hào)機(jī)模塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)模塊、計(jì)軸器模塊。本發(fā)明安裝便捷、價(jià)格低廉、工作可靠，是一種全局協(xié)調(diào)控制的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)礦井機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，能夠適應(yīng)數(shù)字化礦井行業(yè)發(fā)展的需求。
文檔編號(hào)E21F17/18GK102118427SQ20101058850
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者劉國(guó)田, 衛(wèi)星, 史久根, 夏鳳仙, 張建軍, 莫徐良, 陸陽(yáng), 韓江洪, 魏振春, 魏臻 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)