一種基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置。該裝置包括傳感器、微處理控制器、SD卡、報警指示燈、液晶顯示屏、無線路由器、4G網(wǎng)卡、網(wǎng)絡(luò)擴展板、移動電源、機殼以及開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺。通過移動電源為機殼內(nèi)的各設(shè)備供電。風(fēng)機振動信號經(jīng)傳感器采集后送與微處理器分析處理，并分別送入SD卡，液晶顯示器，現(xiàn)場PC機與物聯(lián)網(wǎng)平臺。該裝置具有便攜性，可靈活安置于風(fēng)機現(xiàn)場，且充分利用微處理控制器的數(shù)據(jù)處理能力，對風(fēng)機狀態(tài)做初步判斷，既可為現(xiàn)場工作人員提供故障診斷參考，同時又能傳輸數(shù)據(jù)至開放的網(wǎng)絡(luò)平臺，供專家與相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員對風(fēng)機狀態(tài)及故障做深層次分析，解決了只能在單一服務(wù)器上查詢和分析數(shù)據(jù)的問題。
【專利說明】
一種基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置，具體是一 種主要獲取礦井風(fēng)機運轉(zhuǎn)中振動信號并傳輸至開放式物聯(lián)網(wǎng)平臺供下載分析使用的采集 及遠(yuǎn)程傳輸裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 礦井風(fēng)機是用于向井下輸送新鮮空氣，并將有毒有害氣體及粉塵從井下帶走，保 證井下工作順利進行及工作人員的人身安全。煤礦通風(fēng)機作為通風(fēng)系統(tǒng)中至關(guān)重要的機械 設(shè)備，其工作狀態(tài)正常與否嚴(yán)重影響著礦井通風(fēng)質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，70%以上的煤礦事故是由于 通風(fēng)設(shè)備出現(xiàn)故障致使通風(fēng)不良，通風(fēng)管理不善等原因造成的，而煤礦事故的發(fā)生不僅會 給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失，嚴(yán)重時更會危及工作人員的生命安全，產(chǎn)生惡劣的社會影響。我國故 障診斷技術(shù)近些年發(fā)展迅速，從開始的依靠工人的經(jīng)驗，憑眼看、手摸、耳聽監(jiān)視設(shè)備的運 行狀態(tài)，到依靠檢測儀表及相關(guān)軟硬件分析裝置，再到現(xiàn)在在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)。但由 于大部分礦山機械所處環(huán)境復(fù)雜偏遠(yuǎn)，致使風(fēng)機現(xiàn)場的傳感器難以合理有效的布置與傳輸 信號，而且礦山普遍偏離市區(qū)，通常不能保證現(xiàn)場具有可靠通信的互聯(lián)網(wǎng)信號，使得專家與 相關(guān)技術(shù)人員不能即時獲得檢測到的傳感器信號，從而難以對風(fēng)機的運行狀態(tài)做出準(zhǔn)確及 時的判斷，難以使風(fēng)機故障診斷系統(tǒng)發(fā)揮真正的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的在于將現(xiàn)場檢測的風(fēng)機振動傳感器信號通過微型處理器進行采集及 預(yù)處理，以簡化風(fēng)機現(xiàn)場的傳感器布線工作及采集所需的采集卡及工業(yè)控制計算機等較大 型設(shè)備;通過3G無線網(wǎng)絡(luò)將傳感器信號發(fā)布至物聯(lián)網(wǎng)，解決了只能在現(xiàn)場計算機上查詢和 分析數(shù)據(jù)的問題，為專家和專業(yè)技術(shù)人員提供實時可靠的傳感器數(shù)據(jù)，以便于其準(zhǔn)確及時 的對風(fēng)機運行狀態(tài)做出判斷。
[0004] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置，包括傳感器、微處理 控制器、信號采集單元、無線路由器、無線網(wǎng)卡、網(wǎng)絡(luò)擴展板、SD卡、SD卡接口板、液晶顯示 屏、移動電源、機殼及開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺。其中所述的傳感器負(fù)責(zé)將礦機風(fēng)機的振動信號傳 輸至信號采集單元。所述信號采集單元接受傳感器信號，完成信號采集及預(yù)處理，并在微處 理器的控制下完成的數(shù)據(jù)的緩存、分析處理、狀態(tài)顯示、報警、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及本地存儲。
[0006] 所述傳感器為振動速度傳感器與鍵相信號傳感器，其中：振動傳感器獲取風(fēng)機振 動模擬數(shù)據(jù)，選擇風(fēng)機電機輸出端、風(fēng)機轉(zhuǎn)子前端和后端作為振動監(jiān)測點，每點分別設(shè)置橫 向和縱向監(jiān)測點；鍵相信號傳感器采用霍爾式接近開關(guān)，將鍵相傳感器置于電機輸出軸部 位，以獲取風(fēng)機轉(zhuǎn)動的鍵相信號，觸發(fā)采集程序。
[0007] 所述微處理控制器根據(jù)程序指令控制振動速度傳感器采集風(fēng)機振動信號。所述信 號處理單元首先對傳感器采集數(shù)據(jù)進行預(yù)處理并將數(shù)據(jù)暫存于處理器閃存。然后將處理后 數(shù)據(jù)加標(biāo)志位存儲于SD儲存卡內(nèi)完成本地儲存。利用微處理控制器的數(shù)據(jù)處理能力，計算 分析風(fēng)機振動信號的時域指標(biāo)并在振動烈度指標(biāo)超過預(yù)設(shè)值后報警，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備及需求 情況將傳感器數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸至PC機完成本地儲存與分析。最后將處理后數(shù)據(jù)通過 HTTP請求方式傳輸至開放的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺，完成數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸。
[0008] 所述移動電源為機殼內(nèi)的微處理控制器、無線路由器、網(wǎng)絡(luò)擴展板及機殼外的傳 感器供電。其中移動電源由兩部分組成，一部分為路由器供電，另一部分為微處理控制器、 網(wǎng)絡(luò)擴展板及機殼外的傳感器供電。
[0009] 所述機殼上設(shè)有兩個電源槽，一個SD儲存卡插槽，一個電源適配器接口，一個與PC 機連接的USB通訊接口，一個無線路由器充電口，與各傳感器連接的信息采集接口以及擴展 接口，各傳感器設(shè)置于機殼外部。
[0010] 所述無線路由器和網(wǎng)絡(luò)擴展板之間通過有線方式連接，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性更 強。信號采集單元通過采集接口與機殼外的傳感器連接，無線路由器內(nèi)置4G S頂卡插槽，為 路由器提供Internet網(wǎng)絡(luò)連接。
[0011]所述開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺，可在Internet網(wǎng)頁上進行傳感器數(shù)據(jù)的實時曲線顯示存 儲及歷史數(shù)據(jù)查詢與分析，實現(xiàn)物與物的信息交流，在傳輸過程中無需人為干預(yù)。所述的傳 感器數(shù)據(jù)包括采集的振動信號、采集時間、設(shè)備的ID及傳感器ID，所述的利用互聯(lián)網(wǎng)顯示終 端，所采用的技術(shù)為用統(tǒng)一資源定位符表示從互聯(lián)網(wǎng)上得到的資源位置和表示方法，定位 符中的協(xié)議采用超文本傳輸協(xié)議資源。所述的數(shù)據(jù)傳輸方式為采集時間和傳感器數(shù)據(jù)采用 標(biāo)準(zhǔn)HTTP協(xié)議支持的6種請求方法中的POST方法，即向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)的方法完成提交操 作，設(shè)備ID和傳感器ID采用標(biāo)準(zhǔn)HTTP協(xié)議支持的PUT方法，通過指定資源的存放位置向服務(wù) 器提交數(shù)據(jù)。通過串口通訊將數(shù)據(jù)顯示于本地PC機上，存儲于數(shù)據(jù)庫中并通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)對歷史數(shù)據(jù)進行顯示和分析。通過SD卡接口板將采集到的傳感器數(shù)據(jù)儲存于SD的文件 內(nèi)，可定期更換SD卡以取回傳感器數(shù)據(jù)進一步分析。用戶或?qū)＜铱梢酝ㄟ^任意一臺連接 Internet的計算機查看或獲取物聯(lián)網(wǎng)平臺上的傳感器實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2為本發(fā)明的微處理控制器與網(wǎng)絡(luò)擴展板、振動傳感器的連接原理圖。
[0014]圖3為本發(fā)明的傳感器信號分壓電路原理圖。
[0015] 圖4為本發(fā)明的微處理控制器與SD卡接口板、報警指示燈的連接原理圖。
[0016] 圖5為本發(fā)明的微處理控制器與液晶顯示器的連接原理圖。
[0017]圖6為本發(fā)明的程序流程圖。
[0018]圖7為本發(fā)明的外形主視圖。
[0019] 圖8為本發(fā)明的外形左視圖。
[0020] 圖9為本發(fā)明的外形俯視圖。
【具體實施方式】
[0021] 為使本發(fā)明的上述目的、特征更易懂，下面通過【具體實施方式】和附圖對本發(fā)明做 詳細(xì)說明。
[0022]圖1是本發(fā)明一種基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置，包括微 處理控制器、振動傳感器、鍵相信號傳感器、SD卡及SD卡接口板、報警指示燈、液晶顯示屏、 網(wǎng)絡(luò)擴展板、無線路由器、無線網(wǎng)卡以及移動電源。其中：
[0023] 微處理控制器采用ATmega328微處理器，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定 時器，14個數(shù)字I/O端口，6個模擬輸入端口，32KB Flash內(nèi)存即可用來編程也可用做存儲易 失性數(shù)據(jù)。工作時微處理控制器可以通過USB數(shù)據(jù)線、9V干電池或?qū)Ｓ玫碾娫催m配器供電。 微處理控制器可為各傳感器提供3.3V或5V直流電源并且可以通過USB數(shù)據(jù)線實現(xiàn)與PC機串 口通訊。
[0024] 其中振動傳感器包括6個，分別放置于風(fēng)機電機輸出端、風(fēng)機轉(zhuǎn)子前端和后端，用 于監(jiān)測風(fēng)機的振動情況，以判斷風(fēng)機運行狀態(tài)。
[0025] 鍵相信號傳感器使用霍爾式接近開關(guān)嗎，放置于電機軸輸出端，以間接獲取風(fēng)機 軸鍵相信號，用于控制信號采集程序整周期采集。
[0026] SD卡及其接口板用于實時儲存?zhèn)鞲衅餍盘?。SD安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快 閃記憶器的記憶設(shè)備，并廣泛應(yīng)用于便捷式裝置，具有大容量、體積小、高性能、安全等特 點，可保證傳感器信號數(shù)據(jù)完整無損的保存下來，且便于專家或相關(guān)技術(shù)人員取回分析。 [0027]液晶顯示屏用于顯示風(fēng)機振動狀態(tài)，采集后的振動信號經(jīng)微處理控制器數(shù)據(jù)處理 單元計算分析后，計算其時域指標(biāo)如烈度、裕度、歪度、峭度等，將其顯示于液晶顯示屏上， 供現(xiàn)場人員監(jiān)控風(fēng)機運行狀態(tài)。
[0028] 報警指示燈包括風(fēng)機報警燈與SD卡報警燈。其中，在風(fēng)機振動烈度值超過預(yù)設(shè)危 險值后，點亮風(fēng)機報警燈，以提醒工作人員及時處理故障；SD卡報警燈監(jiān)測SD卡的儲存狀 態(tài)，當(dāng)SD卡內(nèi)儲存空間裝滿時，點亮該指示燈，提醒工作人員及時更換SD卡，以保證風(fēng)機振 動數(shù)據(jù)完整保存。
[0029] 無線路由器、無線網(wǎng)卡、網(wǎng)絡(luò)擴展板組合使用，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。應(yīng)用無線網(wǎng)卡 和無線路由器組建無線網(wǎng)絡(luò)，解決了礦井風(fēng)機布線困難、網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達等問題。同時，考慮到 傳輸速度及傳輸穩(wěn)定性問題，選用網(wǎng)絡(luò)擴展板作為連接自建網(wǎng)絡(luò)與Internet之間的橋梁， 通過有線連接的方式將網(wǎng)絡(luò)擴展板與路由器相連，最終把傳感器采集信息打包發(fā)送到開放 的物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。
[0030] 電源由兩部分組成。其中，一部分為可重復(fù)充放電的為路由器供電的移動電源，另 一部分是為傳感器、微處理控制器以及網(wǎng)絡(luò)擴展板供電的9V干電池。
[0031] 圖2 -圖5為本發(fā)明的原理圖，包括微處理控制器、網(wǎng)絡(luò)擴展板、SD卡接口板、液晶 顯示器、振動傳感器、鍵相信號傳感器和報警指示燈。其中：
[0032]圖2為微處理控制器與網(wǎng)絡(luò)擴展板、振動傳感器的連接原理圖。按照引腳對應(yīng)關(guān)系 將網(wǎng)絡(luò)擴展板插入到微處理控制器上，各傳感器的電源Vcc引腳與網(wǎng)絡(luò)擴展板5V引腳相連， GND引腳與網(wǎng)絡(luò)擴展板的GND引腳相連，振動傳感器1~6分別與微處理控制器的模擬輸入引 腳A0~A5相連。由于微處理控制器的模擬輸入引腳只能識別0~5V電壓，所以在振動傳感器 信號輸出端與微處理控制器模擬輸入引腳之間加入分壓電路U1，將振動信號傳感器輸出的 正負(fù)交替電壓轉(zhuǎn)換為模擬輸入引腳能夠識別的電壓范圍。
[0033]圖3為圖2中的U1，其輸入端INP與傳感器信號輸出端相連，輸出端OUT與微處理控 制器模擬輸入引腳相連，其輸入輸出關(guān)系如下式：
[0034]
[0035 ]可以將-5~+5 V的輸入信號轉(zhuǎn)換為1.7 6~2.7 5 V之間的輸出信號，可以使模擬輸出 引腳接受到完整的傳感器信號。
[0036]圖4為微處理控制器與SD卡接口板、報警指示燈的連接原理圖。其中SD卡接口板、 報警指示燈通過網(wǎng)絡(luò)接口板上引腳與微處理控制器相連。SD卡與微處理控制器使用SPI協(xié) 議進行數(shù)據(jù)傳輸，其CS引腳、DI引腳、D0引腳、CLK引腳、GND引腳、Acc引腳分別與網(wǎng)絡(luò)擴展板 上的D10(SS)引腳、Dll(MOSI)引腳、D12(MIS0)引腳、D13(SCK)引腳、GND引腳、+3.3V引腳相 連。SD卡報警燈與D7引腳相連，風(fēng)機報警燈與D6引腳相連。鍵相信號傳感器與D8引腳相連。 [0037]圖5為微處理控制器與液晶顯示器的連接原理圖。IXD顯示器與微處理控制器之間 采用SPI傳輸協(xié)議，與SD卡同為微處理控制器的傳輸從設(shè)備，通過片選信號選擇通信設(shè)備。 IXD的D4~D7引腳與微處理控制器的D5~D2引腳相連以傳輸數(shù)據(jù)。同時，接入了一個電位 器，向IXD顯示器的V0輸出一個可調(diào)電壓，用于控制屏幕的顯示對比度。
[0038] 圖6是本發(fā)明的程序流程圖。首先運行初始程序，成功建立網(wǎng)絡(luò)連接和SD卡連接 后，檢查SD卡可用存儲空間，若SD卡已滿，則點亮SD卡報警燈并停止采集。若SD卡狀態(tài)良好， 則控制傳感器采集信號，并根據(jù)傳感器信號計算風(fēng)機振動時域特征，若時域特征超出警戒 值則點亮風(fēng)機報警燈以提醒現(xiàn)場人員。另一方面發(fā)送數(shù)據(jù)至Internet網(wǎng)絡(luò)平臺并存儲數(shù)據(jù) 至SD卡，同時，若裝置連接PC機串口，則將數(shù)據(jù)同步發(fā)送至PC機儲存分析。Internet方面，通 過HTTP請求方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺。采集時間和傳感器數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)HTTP協(xié) 議支持的6種請求方法中的POST方法，即向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)的方法完成提交操作，設(shè)備ID和 傳感器ID采用標(biāo)準(zhǔn)HTTP協(xié)議支持的PUT方法，通過指定資源的存放位置向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)。 設(shè)備ID和傳感器ID由物聯(lián)網(wǎng)平臺提供，在物聯(lián)網(wǎng)平臺創(chuàng)建設(shè)備及傳感器時生成。SD卡方面， 將傳感器數(shù)據(jù)加采集時間及傳感器標(biāo)志位儲存與SD卡的txt文件內(nèi)，供技術(shù)人員取回分析。 串口方面，數(shù)據(jù)包由傳感器標(biāo)志位和數(shù)據(jù)內(nèi)容組成，根據(jù)傳感器標(biāo)志位確定采集傳感器確 保上位機接收數(shù)據(jù)時不發(fā)生錯誤。
[0039] 圖7、圖8、圖9分半為本發(fā)明外形的主視圖、左視圖、俯視圖。外殼采用工程塑料制 作不僅滿足機械強度要求而且對無線信號的屏蔽作用很小，其中：
[0040] 標(biāo)號1分別為發(fā)明外殼的殼體，在主視圖圖7上，設(shè)有液晶顯示屏3、SD卡報警燈4、 風(fēng)機報警燈5與主控板接口 2,其中振動傳感器1~6分別與A0~A5相連、鍵相信號傳感器與 D8接口相連、其他未畫出的接口分別已連接振動傳感器、報警燈、液晶顯示屏或本系統(tǒng)占 用，未在殼體上設(shè)置，所設(shè)接口都采用杜邦線接口，方便傳感器信號線插拔連接。左視圖圖8 上設(shè)有9V電池插槽6、處理器網(wǎng)線接口 7、串口通信連接接口 8、處理器電源接口 9與4G路由器 10，10中由上至下分別為USB接口、路由器充電口與網(wǎng)線接口，用于網(wǎng)絡(luò)連接的4G S頂卡插 于路由器內(nèi)。俯視圖圖9上設(shè)有殼體門及門鎖11。裝置長度為120毫米，高度為60毫米，寬度 為100毫米。
【主權(quán)項】
1. 一種基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置，其特征是：由振動傳感 器、鍵相信號傳感器、信號采集單元、微處理控制器、無線路由器、無線網(wǎng)卡、網(wǎng)絡(luò)擴展板、SD 卡及SD卡接口板、液晶顯示器、移動電源與機殼組成該裝置，其中振動信號傳感器與鍵相信 號傳感器連接至微處理控制器，并將采集到的信號通過網(wǎng)絡(luò)上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置，其特 征是:振動傳感器分別放置于風(fēng)機電機輸出端、風(fēng)機轉(zhuǎn)子前端和后端的橫向監(jiān)測點和縱向 監(jiān)測點，經(jīng)信號調(diào)理電路將6路振動傳感器信號轉(zhuǎn)變?yōu)?.99~2.52V電流信號，分別送入AO ~A5模擬輸入引腳。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置，其特 征是:外殼采用工程塑料制作以保證其機械強度與無線信號的屏蔽要求。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置，其包 括：塑料外殼（1)、主控板接口（2)、液晶顯示屏(3)、SD卡報警燈(4)、風(fēng)機報警燈(5)、電池 插槽（6)、網(wǎng)線接口（7)、串口通信接口（8)、電源接口（9)、4G路由器（10)、殼體門及門鎖 (11)： 一所述主控板接口（ 2 )位于塑料外殼（1)正面； 一所述液晶顯示屏(3)、SD卡報警燈(4)、風(fēng)機報警燈(5)鑲嵌在塑料外殼（1)的正面，便 于現(xiàn)場人員查看風(fēng)機及裝置工作狀態(tài)； 一所述電池插槽(6)、網(wǎng)線接口（7)、串口通信接口（8)、電源接口（9)、4G路由器(10)，其 中4G路由器(10 )所露出的接口至少包括一個充電口及一個網(wǎng)線接口； 一所述殼體門及門鎖(11)位于塑料外殼（1)上面。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式的礦井風(fēng)機振動信號采集及遠(yuǎn)程傳輸裝置，其特 征是:裝置外形長度為120毫米，高度為60毫米，寬度為100毫米。
【文檔編號】F04D27/00GK205478472SQ201520895433
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2015年11月11日
【發(fā)明人】玄兆燕, 王凱良
【申請人】華北理工大學(xué)