基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種所述基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，包括終端節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過以太網(wǎng)與上位機相連，所述終端節(jié)點和路由器包括：輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點、輸送帶速度測量節(jié)點、輸送帶溫度測量節(jié)點、輸送帶煙霧測量節(jié)點和輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點；每個終端節(jié)點和路由器均將傳感器的核心處理器和ZigBee模塊集成在一塊芯片上；輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點的傳感器采用對射式光電開關(guān)；輸送帶速度測量節(jié)點采用增量式光電編碼器；輸送帶溫度測量節(jié)點采用紅外溫度傳感器，輸送帶煙霧測量節(jié)點采用煙霧傳感器，輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點采用激光距離傳感器。本發(fā)明采用無線ZigBee數(shù)據(jù)采集能更方便的進行數(shù)據(jù)的采集，能方便的更換采集位置。
【專利說明】基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域，具體是一種能夠測量帶式輸送機多種運行環(huán)境參數(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，輸送機被廣泛的應(yīng)用于礦山、碼頭、冶金、建材、機械及倉儲業(yè)的物料輸送。在輸送機運行中就需要對輸送機本身狀況進行監(jiān)測，以達到減少人身損害及提高生產(chǎn)效率的目的。因此，設(shè)計既可靠又實用的輸送帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是非常必要的。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，節(jié)點之間采用有線方式連接，存在布線施工量大、工期長、成本高、功耗高、可移植性差的問題。以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的隨機部署、自動組網(wǎng)的無線傳輸方式可以很好地解決這些問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測帶式輸送機的運行環(huán)境參數(shù)，以便于管理人員對帶式輸送機的運行狀況進行管理。
[0004]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)包括:終端節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過以太網(wǎng)與上位機相連，終端節(jié)點和路由器通過自組織方式形成無線網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將采集到的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器；其中，所述終端節(jié)點和路由器包括:輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點、輸送帶速度測量節(jié)點、輸送帶溫度測量節(jié)點、輸送帶煙霧測量節(jié)點和輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點；每個終端節(jié)點和路由器均將傳感器的核心處理器和ZigBee模塊集成在一塊芯片上；所述輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點的傳感器采用對射式光電開關(guān)，所述對射式光電開關(guān)的接收端與ZigBee模塊集成在一塊芯片上，安裝于輸送帶上側(cè)，對射式光電開關(guān)的發(fā)射端安裝于輸送帶下側(cè)，一對對射式光電開關(guān)的連線位于輸送帶的跑偏界限上；所述輸送帶速度測量節(jié)點的傳感器采用增量式光電編碼器，輸送帶速度測量節(jié)點安裝在驅(qū)動滾筒和機尾改向滾筒上；所述輸送帶溫度測量節(jié)點的傳感器采用紅外溫度傳感器，輸送帶煙霧測量節(jié)點的傳感器采用煙霧傳感器，輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點的傳感器采用激光距離傳感器。
[0005]系統(tǒng)通過所述輸送帶速度測量節(jié)點實時檢測驅(qū)動滾筒的線速度和機尾改向滾筒的線速度，并對兩者進行比較。如果兩者速度大小相等，則說明輸送機運行正常；如果驅(qū)動滾筒的線速度大于機尾改向滾筒的線速度，則說明輸送機運輸過程中存在打滑。
[0006]所述輸送帶溫度測量節(jié)點和輸送帶煙霧測量節(jié)點安裝在輸送帶機架上，每隔50?80m的距離安裝一個溫度測量節(jié)點。
[0007]所述輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點分別安裝在輸送機的料倉、加料口的正上方并高于允許物料堆積的最高高度。
[0008]所述終端節(jié)點和路由器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行判定，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化量超過設(shè)定閾值或者監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定的正常值范圍時才發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0009]本發(fā)明優(yōu)點如下:
1.基于ZigBee的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)采用了短距離、低成本、低功耗的無線通信技術(shù)。解決了布線施工量大、工期長、成本高、功耗高、可移植性差的問題。
[0010]2.協(xié)調(diào)器通過以太網(wǎng)與上位機進行通信，適用于帶式輸送機車間的網(wǎng)絡(luò)布局，并且以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量大于RS232串口的數(shù)據(jù)流量，有利于大數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)通信。
[0011]3.該帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)針對帶式輸送機在運輸時常見的5種故障(即輸送帶跑偏、打滑、火災(zāi)、煙霧故障、堆料事故)，對輸送帶跑偏、速度、溫度、煙霧、堆料共5種信號進行實時監(jiān)測，保證帶式輸送機的安全生產(chǎn)。
[0012]4.另外，考慮到降低功耗，可以在節(jié)點運行程序中加入數(shù)據(jù)發(fā)送判定，即當(dāng)數(shù)據(jù)變化微小可以忽略時，就不發(fā)送數(shù)據(jù)；反之，發(fā)送數(shù)據(jù)。從而有利于減少微處理器的能耗，延長其工作周期。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的節(jié)點中ZigBee無線控制模塊電路圖。
[0015]圖3為輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點電路圖。
[0016]圖4輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點的布置圖。
[0017]圖5為輸送帶速度測量節(jié)點電路圖。
[0018]圖6為輸送帶速度測量節(jié)點布置圖。
[0019]圖7為輸送帶溫度測量節(jié)點電路圖。
[0020]圖8為煙霧測量節(jié)點電路圖。
[0021]圖9為堆料監(jiān)測節(jié)點電路圖。
[0022]圖10為堆料測量節(jié)點布置圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖來和實施例做進一步的說明。
[0024]本發(fā)明基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成本低、功耗小、布置靈活方便等特點，設(shè)計了一種基于ZigBee的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的無線傳感器節(jié)點具有自組網(wǎng)和無線路由功能，可以對整個需要監(jiān)控的環(huán)境區(qū)域進行自由的接觸式節(jié)點布置，并可實時采集、上傳數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)將采集網(wǎng)絡(luò)通過以太網(wǎng)與上位機相連，實現(xiàn)帶式輸送機的實時監(jiān)控。
[0025]如圖1，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種節(jié)點，分別是終端節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的葉子節(jié)點，僅與它的父節(jié)點相互通訊；路由器是能夠提供路由服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，路由設(shè)備也能夠充當(dāng)終端節(jié)點使用；協(xié)調(diào)器的主要功能是建立網(wǎng)絡(luò)，及接收前兩個節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，上位機連接至協(xié)調(diào)器并顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)。在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署一定數(shù)量的廉價微型終端節(jié)點和路由器，通過自組織方式形成無線網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將采集到的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過以太網(wǎng)與上位機相連，最終在上位機上實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。
[0026]其中，終端節(jié)點和路由器采用SOC模型，即核心處理器與ZigBee模塊集成在一塊芯片上。這樣，只需要使用一塊芯片就能夠完成數(shù)據(jù)采集、處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和無線收發(fā)功能，大大降低了成本和功耗。
[0027]如圖2，傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器的ZigBee模塊電路相同。電路由模塊EMZ3018、晶振電路、LED電路、按鍵電路(其中，RST是強制設(shè)備復(fù)位按鍵，SI是設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)按鍵)、JTAG調(diào)試接口組成。其中，ADCl和ADC2是模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，RXD和TXD是串口通信發(fā)送接收端口，PAO、PAl和PBO是傳感器數(shù)據(jù)輸入I/O 口。
[0028]如圖3，輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點硬件電路的傳感器選用外形編號是E3F-DS5C1對射式光電開關(guān)，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間阻斷光線時，光電開關(guān)會產(chǎn)生開關(guān)信號，反之，不產(chǎn)生開關(guān)信號。本電路采用12V直流電壓作為光電開關(guān)的工作電壓。并采用PC817光電耦合器使前端傳感器輸入電路與輸出電路隔離，減小電路干擾，并使輸入到單片機PB 口引腳的高電平為3.3V。
[0029]如圖4，輸送帶I位于輸送帶機架2上的托輥3上，為了預(yù)防跑偏，可以在每隔40-80m長的距離安裝輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點。對射式光電開關(guān)的接收端與ZigBee模塊集成在一塊芯片上，安裝于輸送帶I上側(cè)，對射式光電開關(guān)的發(fā)射端安裝于輸送帶I下側(cè)。E3F-DS5C1對射式光電開關(guān)5安裝在傳感器支架4上，每個傳感器支架4上有一對光電開關(guān)
5,這一對光電開關(guān)5中間隔著輸送帶I。光電開關(guān)5安裝的位置和輸送帶I邊緣相差輸送帶寬度的5%-10%的距離。
[0030]輸送帶速度測量節(jié)點的傳感器采用德國倍加福RV158型增量式光電編碼器，利用光電編碼器工作時產(chǎn)生的脈沖對速度進行檢測。這種編碼器是全兼容性編碼器。如圖5所示，將編碼器A相和B相經(jīng)高速光耦6N135隔離后分別連接到PAO 口和PAl 口。
[0031]如圖6，輸送帶速度測量節(jié)點8安裝在驅(qū)動滾筒6和機尾改向滾筒7上，通過輸送帶速度測量節(jié)點8實時檢測驅(qū)動滾筒6的線速度和機尾改向滾筒7的線速度，并對兩者進行比較。如果兩者速度大小相等，則說明輸送機運行正常；如果驅(qū)動滾筒的線速度大于機尾改向滾筒的線速度，則說明輸送機運輸過程中存在一定范圍的打滑。輸送帶I的一端為張緊裝置9。輸送帶上承載物料10。
[0032]如圖7，輸送帶溫度測量節(jié)點電路采用KT15.81IIP型紅外溫度傳感器。這種傳感器可以輸出多種信號，這里選擇4~20mA的電流信號。ZigBee模塊中STM32W108的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊支持單端和差分輸入，這里使用單端轉(zhuǎn)換。由于使用輸入緩沖器會降低ADC的精度，所以禁止輸入緩沖器時，單端輸入范圍是O到VERF (即1.2V)。所以需要將1~20πιΑ的電流信號轉(zhuǎn)換為(Tl.2V的電壓信號。圖中Vol輸出的就是(T5V電壓信號，接著連接芯片LM324中一個運放構(gòu)成電壓跟隨器。對于輸出信號為0~5V的電壓信號,米用19kQ和61?Ω的電阻分壓，使最終輸出電壓范圍為(Tl.2V。
[0033]如圖8，輸送帶煙霧測量節(jié)點硬件電路的煙霧傳感器模塊由煙霧傳感器MQ-2和電壓比較器LM324組成。煙霧傳感器MQ-2的工作電壓是5V直流電壓，煙霧傳感器的輸出模擬電壓范圍是0-5V，所以采用19kQ和6kQ的電阻分壓，使最終輸出電壓范圍為(Tl.2V。為了便于單片機能及時報警，電路通過LM324將MQ-2輸出的模擬電壓AOUT與無火災(zāi)時MQ-2輸出的閥值電壓進行比較后輸出數(shù)字信號D0UT。當(dāng)AOUT大于閥值電壓時，DOUT輸出0，說明有火災(zāi)；反之，DOUT輸出I，說明沒有火災(zāi)。
[0034]輸送帶溫度測量節(jié)點和輸送帶煙霧測量節(jié)點安裝在輸送帶機架上，可以每隔50-80m的距離安裝一個溫度測量節(jié)點。
[0035]如圖9，輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點適用于輸送機的料倉，加料口等處，設(shè)計堆料監(jiān)測電路，起到了保護輸送機和防止機頭堆料的作用。本輸送機堆料監(jiān)測采用LDM42激光距離傳感器，采用激光相位法測量物體的距離。該傳感器輸出為4~20πιΑ模擬電流信號，由于STM32W108的ADC模塊的輸入范圍是(Tl.2V，所以要將4~20mA的電流信號轉(zhuǎn)換為(Tl.2V的電壓信號。圖中Vo2輸出為(T5V電壓信號，接著連接芯片LM324中一個運放構(gòu)成電壓跟隨器。對于輸出信號為0~5V的電壓信號，米用19kQ和6kQ的電阻分壓，使最終輸出電壓范圍為(Tl.2V。
[0036]如圖10，輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點11安裝在物料堆放處的正上方并高于物料10堆積
的最聞聞度。
[0037]基于 ZigBee的帶式輸送機監(jiān)控系統(tǒng)，采用無線ZigBee數(shù)據(jù)采集能更好的，更方便的進行數(shù)據(jù)的采集，能方便的更換采集位置。同時，本系統(tǒng)中，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端和路由傳感器節(jié)點中都加入了相應(yīng)的算法以判定數(shù)據(jù)是否發(fā)送，這里，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化量超過設(shè)定閾值或者監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定的正常值范圍時才發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣減少傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)，降低能耗，同時又能夠較準(zhǔn)確的實時反映帶式輸送機的運行狀況。
【權(quán)利要求】
1.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，包括終端節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過以太網(wǎng)與上位機相連，終端節(jié)點和路由器通過自組織方式形成無線網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將采集到的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，其特征是，所述終端節(jié)點和路由器包括:輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點、輸送帶速度測量節(jié)點、輸送帶溫度測量節(jié)點、輸送帶煙霧測量節(jié)點和輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點；每個終端節(jié)點和路由器均將傳感器的核心處理器和ZigBee模塊集成在一塊芯片上； 所述輸送帶跑偏監(jiān)測節(jié)點的傳感器采用對射式光電開關(guān)，所述對射式光電開關(guān)的接收端與ZigBee模塊集成在一塊芯片上，安裝于輸送帶上側(cè)，對射式光電開關(guān)的發(fā)射端安裝于輸送帶下側(cè)，一對對射式光電開關(guān)的連線位于輸送帶的跑偏界限上； 所述輸送帶速度測量節(jié)點的傳感器采用增量式光電編碼器，輸送帶速度測量節(jié)點安裝在驅(qū)動滾筒和機尾改向滾筒上； 所述輸送帶溫度測量節(jié)點的傳感器采用紅外溫度傳感器，輸送帶煙霧測量節(jié)點的傳感器采用煙霧傳感器，輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點的傳感器采用激光距離傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，通過所述輸送帶速度測量節(jié)點實時檢測驅(qū)動滾筒的線速度和機尾改向滾筒的線速度，并對兩者進行比較； 如果兩者速度大小相等，則說明輸送機運行正常；如果驅(qū)動滾筒的線速度大于機尾改向滾筒的線速度，則說明輸送機運輸過程中存在打滑。
3.如權(quán)利要求1所述基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述輸送帶溫度測量節(jié)點和輸送帶煙霧測量節(jié)點安裝在輸送帶機架上，每隔50?80m的距離安裝一個溫度測量節(jié)點。
4.如權(quán)利要求1所述基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述輸送機堆料監(jiān)測節(jié)點分別安裝在輸送機的料倉、加料口的正上方并高于允許物料堆積的最聞聞度。
5.如權(quán)利要求1所述基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的帶式輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，其特征是，所述終端節(jié)點和路由器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行判定，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化量超過設(shè)定閾值或者監(jiān)測數(shù)據(jù)超過設(shè)定的正常值范圍時才發(fā)送數(shù)據(jù)。
【文檔編號】B65G43/00GK103863783SQ201410111039
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】紀(jì)志成, 吳定會, 王莉, 楊曉冬, 孔飛, 宋錦, 翟艷杰, 李意揚 申請人:江南大學(xué)