矿用本安型无线自组网汇聚装置.pdf

本发明公开了一种矿用本安型无线自组网汇聚装置，属网络间通信设备。主要由微处理器、A/D转换模块、存储模块、无线通信模块、网络模块和电源管理模块组成；完成煤矿井下数据接收，处理以及无线自组网与外部网络互联。无线自组网汇聚装置向区域内的节点发送数据采集命令，节点接收到命令后以多跳中继的方式将采集到的数据发送到无线自组网汇聚装置，汇聚装置通过协议转换，把无线自组网信息数据进行融合并汇接到矿井骨干通信网络。无线自组网汇聚装置为本安型，可以用于煤矿井下监测信息融合、转发、传输以及地面的监控调度。优点是：适用性强，可以取代现有的井下分站或者井下中心站，提高了井下通信系统的鲁棒性和信息传输的有效性。

1、  一种矿用本安型无线自组网汇聚装置，其特征在于：电路主要由微处理器U1、存储器芯片U2、U3、U4、无线通信模块U6、网络模块U7、U8、A/D转换模块U5、电源管理模块U9、U10、U11几个主要部分组成；使用嵌入式实时操作系统linux，兼容TCP/IP协议IPV6，微处理器U1经数据总线、地址总线以及片选和相应的读写信号线分别与存储器芯片U2、U3、U4相连，实现无线自组网信息数据、以太网信号、开关量以及模拟信号的相互转化，射频芯片U6与微处理器U1相连，以太网收发器U7与处理器U1相连，以太网接口U8与以太网收发器U7相连，稳压器U9分别与LDO芯片U10、U11相连，开关量S1经数据总线与处理器U1相连，模拟量经A/D转换芯片U5转换为数字信号后通过数据总线与处理器U1相连，由处理器U1统一对各控制芯片的片选及读写控制，完成数据在数据和地址总线上的有效传输，实现该无线自组网汇聚装置的功能，系统将所有外围模块通过总线的方式与主控制器相连，实现数据和协议与以太网信号的转换，其供电电源为本安型，整个电路安装在一个密闭的壳体中。

2、  根据权利要求1所述的矿用本安型无线自组网汇聚装置，其特征在于：所述的嵌入式微处理器核心芯片采用AT91RM9200型，SDRAM芯片采用HY57V281620型，FLASH芯片采用AM29LV160型，无线通信模块采用Chipcon的CC2420射频芯片实现，以太网收发器采用LXT971A，以太网接口采用RJ45接口，电源管理模块稳压芯片采用LM7805CT，LDO低压差电源芯片采用SPX1117-3.3和SPX1117-1.8。

3、  根据权利要求1所述的矿用本安型无线自组网汇聚装置，其特征在于：所述密闭壳体为金属或非金属制成的符合煤矿井下安全规范的密闭容器。

矿用本安型无线自组网汇聚装置
技术领域
本发明涉及一种数据汇接、融合、转发，能够完成网络间通信的设备，具体是一种矿用本安型无线自组网汇聚装置。用于实现井下无线信道的有效传输，尤其适合于在煤矿井下含瓦斯及煤尘较多的危险易燃易爆的环境中使用。
背景技术
目前，井下安全监测系统中，针对煤矿矿井下地形复杂，有些区域无法布置有线网络，以及对单一环境参数的监控不能及时反映整个煤矿的安全状况问题。针对上述情况提出了把无线自组织网络应用在井下安全监测系统中。无线自组网可以在任何时刻任何地方构建，而不需要现有的信息基础网络设施的支持，就可以形成通信网络。当网络中一个或几个节点不能工作时，节点会自动地重新组网。但由于无线自组网与外部网络的通信制式不相同，都是独立成系统，致使相互之间不兼容，不利于统一的调度指挥，给安全生产带来了隐患。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种矿用本安型无线自组网汇聚装置，解决目前煤矿安全生产监控系统中有线传输的弊端和无法对井下含瓦斯及煤尘较多的危险易燃易爆环境进行实时监控和处理这一制约煤矿井下的瓶颈问题。可以对井下无线自组网信息进行汇接、整体融合，传输到矿井骨干通信网络，得到煤矿环境的实时状况。能直接和井下互联网相连，执行协议和数据的转换。
本发明是以如下技术方案实现的：一种矿用本安型无线自组网汇聚装置，电路主要由微处理器U1、存储器芯片U2、U3、U4、无线通信模块U6、网络模块U7、U8、A/D转换模块U5、电源管理模块U9、U10、U11几个主要部分组成；使用嵌入式实时操作系统Linux，兼容TCP/IP协议IPV6，具有远程web管理和在线系统升级的功能。微处理器U1经数据总线、地址总线以及片选和相应的读写信号线分别与存储器芯片U2、U3、U4相连，实现无线自组网信息数据、以太网信号、开关量以及模拟信号的相互转化。无线通信模块U6射频芯片与处理器U1相连，以太网收发器U7与处理器U1相连，以太网接口U8与以太网收发器U7相连，电源管理模块中的稳压器U9分别与LDO芯片U10、U11相连，开关量S1经数据总线与处理器U1相连，模拟量经A/D转换芯片U5转换为数字信号后通过数据总线与处理器U1相连，由处理器U1统一对各控制芯片的片选及读写控制，完成数据在数据和地址总线上的有效传输，实现该无线自组网汇聚装置的功能，系统将所有外围模块通过总线的方式与主控制器相连，实现数据和协议与以太网信号的转换，其供电电源采用本质安全型，整个电路安装在一个密闭的壳体中。
无线自组网汇聚装置可以将传感器(模拟量)、控制器(开关量)、无线自组网信息数据、以太网信号以及其他系统的数据汇集，通过核心控制板进行协议转换。该无线自组网汇聚装置有一个以太网接口和一个无线接口。通过以太网接口与路由器相连，无线接口支持IEEE802.15.4标准，可以与无线自组网内的任何节点通信。比如：当无线自组网的节点信息数据(如定时采样数据和报警信息)要传到信息管理层时，可将数据发送到无线自组网汇聚装置，通过协议转换程序将无线自组网信息数据封装成TCP/IP协议的以太网数据帧发送到以太网上。其他总线协议的数据和一些传感器的数据量也通过相同的方式转换成以太网数据帧发送到以太网上的监控计算机。每个以太网信息管理终端都是一个根据用户的具体要求设计的用户应用软件，实时监控网络上的数据，为设备提供较复杂的数据处理工作。
本发明的有益效果是：矿用本安型无线自组网汇聚装置是一种新型的网络通信设备。用于对煤矿井下的各种安全参数进行实时监测和处理，适用性强，可以取代现有的井下分站或者井下中心站，解决井下复杂环境的综合布线和无线自组网数据信息融合、转发的问题。节点和无线自组网汇聚装置可以自组织形成通信网络，无线自组网汇聚装置向区域内的节点发送数据采集命令，节点接收到命令后以多跳中继的方式将采集到的数据发送到汇聚装置，实现了广播信道多跳共享，从而大大提高了井下通信系统的鲁棒性和信息传输的有效性，对煤矿安全生产具有深远的意义。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明型进一步说明。
图1是本发明原理框图；
图2是电路原理图；
图3密闭容器外壳图。
具体实施方式
如图1所示，矿用本安型无线自组网汇聚装置主要由嵌入式微处理器U1、存储模块U2、U3、U4、A/D转换模块U5、无线通信模块U6、电源管理模块U9、U10、U11、网络模块U7、U8几个主要部分组成，使用嵌入式实时操作系统Linux。实现无线自组网信息数据通过协议转换为以太网信号，无线自组网汇聚装置可以将传感器(模拟量)、控制器(开关量)、无线自组网信息数据、以太网信号以及其他系统的数据汇集，通过核心控制板进行协议转换。
如图2电路原理图所示，图2由a.b、c三部分组合衔接成。所述各主要芯片采用的型号及各主要芯片功能是：
U1：嵌入式微处理器，是电路的核心部分，它是一款基于ARM920T核的32位微处理器，工作主频为180MHz，处理速度可达200MIPS。主要实现将外围模块接收到的数据通过内部的软件协议转换部分转换为适合网络传输的以太网信号或者将以太网信号转换为其他的协议信号。
U2、U3、U4：U2、U3为SDRAM内存芯片，用于执行用户的程序。U4为FLASH ROM存储芯片，用于存放BOOTLOADER、OS内核、文件系统以及用户应用程序。
U5为A/D转换芯片，完成模拟信号向数字信号的转化；
S1为各种控开关量的接口；
U6是无线通信模块，采用Chipcon公司的CC2420，它是一款符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz射频芯片，确保短距离通信的有效性和可靠性。可以与无线自组网内的任何节点通信。
CC2420使用RESETn引脚复位，使用VREG_EN引脚使能U1的电压调整器，使其产生U1所需要的电压，从而使无线通信模块进入正常的工作状态。使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态，通过SPI接口(CSn、SO、SI、SCLK)与处理器交换数据，由ARM处理器来完成数据的处理工作。
U7、U8：以太网控制器、以太网接口，自行完成介质访问控制、CRC效验以及以太网数据帧的发送和接收。
U7为以太网控制器，本发明型无线自组网汇聚装置用LXT971A作为快速以太网物理层自适应收发器。由于LXT971A支持IEEE 802.3标准，提供MII(media independentinterface)接口，可以支持MAC，而U1内部集成有以太网媒体存取控制器，所以U7可以和U1实现无缝连接。U7通过1∶1的隔离变压器和RJ-45接口连接。从U1传输过来的数据通过U7转换为以太网物理层能接收的数据后，通过RJ-45转发出去。
U9、U10、U11：U9为稳压芯片将电源稳压至5V，再使用LDO芯片U10、U11稳压输出3.3V和1.8V电压，向微处理器U1和其它器件供电。
电路各芯片的连接关系是：微处理器U1经数据总线、地址总线以及片选和相应的读写信号线分别与存储器芯片U2、U3、U4相连，实现无线自组网信息数据、以太网信号、开关量以及模拟信号的相互转化。具体主要由U6射频芯片与处理器U1相连，以太网收发器U7与处理器U1相连，以太网接口U8与以太网收发器U7相连，稳压器U9分别与LDO芯片U10、U11相连，开关量S1经数据总线与处理器U1相连；模拟量经A/D转换芯片U5转换为数字信号后通过数据总线与处理器U1相连，由处理器U1统一对各控制芯片的片选及读写控制，完成数据在数据和地址总线上的有效传输，实现该无线自组网汇聚装置的功能。在外围模块中，无线通信模块U6可以与无线自组网内的任何节点通信，U6通过4线SPI总线与AT91RM9200相连，通过该总线设置芯片的工作模式，实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态设置发射/接收缓存器。在数据传输过程中CSn作为数据传输使能。通过CCA管脚状态的设置控制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置控制时钟/定时信息的输入。A/D模块中是将各种传感器的模拟量采集过来通过U5转换成数字信号后，在控制信号的控制下将这些信号读到处理器进行处理。LXT971A与AT91RM9200的接口采用标准的MII接口，LXT971A通过TXD0-TXD3与RXD0-RXD3与处理器相连，实现并行数据的发送和接收。在数据传输过程中TX_EN作为发送使能，RX_DV用于指示接收数据正常，TX_ER与RX_ER管脚分别是错误数据发送端和错误数据接收端，COL是冲突检测端，CRS是载波检测端。无线通信模块是通过CC2420接收到的无线自组网信息数据，通过U1控制器将接收到的数据进行处理后，通过协议转换程序转换为以太网信号，通过U8发到以太网上。
上述电路安装在图3所示的一个密闭的壳体中，所述密闭壳体为金属或非金属制成的符合煤矿井下安全规范的密闭容器。