CN115167242A - 基于物联网的智慧矿山数据采集*** - Google Patents

基于物联网的智慧矿山数据采集*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网的智慧矿山数据采集***，包括：采集模块，用于基于无线传感器组网采集矿山数据；传输模块，与所述采集模块连接，用于通过以太无源光网络进行数据的传输；接口模块，与所述传输模块连接，用于基于若干个通信协议传输所述矿山数据；处理模块，与所述接口模块连接，用于基于FPGA芯片将所述通信协议进行汇总处理并上传到云端服务器。本发明采用FPGA处理模块，能够同时处理所述以太网总线接口单元的数据、CAN总线接口单元的数据、USB总线接口单元的数据、串口接口单元的数据，且各数据之间互不干扰，进一步提高***数据的采集效率。

Description

基于物联网的智慧矿山数据采集***
技术领域
本发明属于矿山智能传感和通信技术领域，特别是涉及一种基于物联网的智慧矿山数据采集***。
背景技术
矿山地质环境监测***能够实时准确的对矿山地形变、地面塌陷、地裂缝、地下水等进行监测，指导人们的矿山开采及矿山灾难的应急预案工作。需要通过采集仪器进行现场数据的收集，传统的矿山地质环境数据调查是用户现场勘察，需要携带相机、GPS、绘图工具，手工纪录各种测量信息，再通过电脑录入到***并上传到云服务器，费时耗力，容易出错。目前通过专业装置或者仪器进行现场数据采集，在现场不具备信号传输的条件下，致使监测工作因受技术手段的制约，***不能在信号弱、环境恶劣的野外数据采集现场实现数据的查看与录入，无法实现数据的离线应用。
目前，普通的数据采集***通过有线或无线的数据通等信方式实现了数据的实时集抄，但是现有技术的信息传输往往是每个数据采集传感器均与数据采集分站进行连接，形成多个数据采集传感器对应一个数据采集分站的信息传输方式，该种信息传输方式没有充分利用网络资源，网络负载大，***内供电设备能量消耗大，影响电池使用时长，通信性能差，网络震荡明显，建立和维护开销大。因此，需要一种数据采集***实现数据的采集和在线传输。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于物联网的智慧矿山数据采集***，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于物联网的智慧矿山数据采集***，包括：
采集模块，用于基于无线传感器组网采集矿山数据；
传输模块，与所述采集模块连接，用于通过以太无源光网络进行数据的传输；
接口模块，与所述传输模块连接，用于基于若干个通信协议传输所述矿山数据；
处理模块，与所述接口模块连接，用于基于FPGA芯片将所述通信协议进行汇总处理并上传到云端服务器。
优选的，所述无线传感器组网包括：
数据采集传感器，用于采集矿山数据生成传感器节点数据；
无线路由器，用于将所述传感器节点数据上传到数据传输终端；
数据传输终端，用于接收所述传感器节点数据并传输到处理模块。
优选的，所述数据采集传感器包括综采支架数字压力计、钻孔应力传感器、围岩移动传感器、锚杆索应力传感器、温度传感器和湿度传感器。
优选的，所述无线路由器的微控制单元采用ZigBee无线收发芯片或LoRa无线收发芯片。
优选的，所述以太网无源光网络将以太网和PON技术相结合，采用点到多点结构、无源光纤传输，在物理层采用PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。
优选的，所述接口模块包括：
以太网接口单元：用于通过以太网接口接收遵守TCP/IP协议的矿山数据；
CAN总线接口单元，用于通过CAN总线接口接收遵守CAN协议的矿山数据；
串口接口单元，用于通过串口接口接收遵守串口通信协议协议的矿山数据；
USB总线接口单元，用于通过USB总线接口接收遵守USB网络协议协议的矿山数据。
优选的，所述处理模块包括：
第一处理单元，用于接收符合TCP/IP协议、CAN协议、串口通信协议、USB网络协议的矿山数据，并将所述矿山数据的协议类型汇总转化为OPCUA协议，上传到云端服务器；
第二处理单元，用于将所述OPCUA协议转化为目标协议，通过对应的接口单元传输到对应的现场设备，对所述现场设备进行统一管理。
优选的，所述FPGA芯片包括去耦电容，用于调制芯片工作的稳定性。
本发明的技术效果为：
(1)本发明能够采集TCP/IP协议，CAN协议、USB网络协议和串口通信协议，数据采集效率高，同时以太网总线接口单元、CAN总线接口单元、USB总线接口单元、串口接口单元均与FPGA处理模块连接，有利于实现各模块信息的共享，提高信息的传输效率，并且本发明采用FPGA处理模块，能够同时处理以太网总线接口单元的数据、CAN总线接口单元的数据、USB总线接口单元的数据、串口接口单元的数据，且各数据之间互不干扰，进一步提高***数据的采集效率。
(2)本发明采用无线传感器组网模式进行采集。无线路由器的无线收发芯片为zigbee无线芯片或者LoRa无线芯片，两者均可实现自组网模式进行数据采集，以低功耗、低成本、远距离的无线射频收发技术以应对复杂多变的矿区环境。使用两种网络制式的无线装置进行采集，可以使得***具有良好的通用性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的智慧矿山数据采集***示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种基于物联网的智慧矿山数据采集***，包括：
采集模块，基于无线传感器组网采集矿山数据；其中，无线传感器组网包括：数据采集传感器，采集矿山数据生成传感器节点数据；无线路由器，将所述传感器节点数据上传到数据传输终端；数据传输终端，接收传感器节点数据并传输到处理模块。
可实施的，数据采集传感器内设可定时的实时时钟RTC模块。实时时钟RTC模块可以用于触发唤醒传感器进行采样，同时可以配合时间同步指令进行各个传感器的时间信息同步校正，达到精准同步。进一步的，数据采集传感器内置可记录采集数据的存储卡。在网络出现异常时，存储卡可记录数据采集传感器的采集数据，用于保证数据的完整不丢失。进一步的，数据采集传感器包括综采支架数字压力计、钻孔应力传感器、围岩移动传感器、锚杆索应力传感器、温度传感器和湿度传感器。设置多个传感器进行信息采集，可以方便对矿山各项数据进行采集，提高数据采样量。
可实施的，无线路由器的数量根据矿山现场采集数据的需要设置，无线路由器与数据传输终端通过无线通信，数据传输终端作为主站，各无线路由器作为从站，组成无线局域网络。本实施例装置中可以根据无线路由器的传输距离设置无线路由器的数量，例如无线路由的传输距离为80m，则每80m或者小于80m设置一个无线路由器，直到能够覆盖要采集数据的矿山区域。每个无线路由器跟传感器模块连接。无线路由器包括无线传输芯片和与各传感器连接的接口。无线传输芯片为ZigBee芯片或LoRa芯片。无线路由器接收数据后通过另外的无线路由器传输到数据传输终端，也可以直接连接数据传输终端进行数据的传输。可以根据矿山现场具体采集要求的选取多种网络模式的底层采集方式可以为ZigBee无线局域网络采集、LoRa无线局域网络采集或者两种局域网络结合使用。本实施例所述ZigBee芯片及LoRa芯片均可通过芯片自带的内置软件直接设置配置进行自组网络的建立。ZigBee与LoRa指不同网络制式，区别是传输距离的不同。均可配置为一主多从的网络模式，采用透传实现数据传输。针对测点多且区域较小的矿区，如矿区面积小于十公顷，采用ZigBee无线路由器和现有技术中的方法自动组成无线网络。现场安装无需设置，不必布线，上电即用，并且能够自动跳频进行抗干扰，除此之外，具有自动屏蔽故障节点及修复能力。ZigBee自组网穿透能力强，抄表速度快，功耗及成本可控，并且能够将设备模块定义为分时段休眠状态降低整体功耗。
可实施的，本实施例所述无线路由器的微控制单元(又称为MCU)选用TI公司的无线芯片CC2430，有8路数字信号AD输入，工作电压为3v，通过电池就可以实现***的供电。优选的，本实施例数据传输终端的MCU选用TI公司的无线芯片CC2431，与CC2430相比增加了定位引擎，可以连接LCD显示屏进行数据的显示。
可实施的，针对测点较少但面积较大的矿区，如矿区面积大于十公顷，采用LoRa无线路由器和现有技术中的方法自动组成无线网络。LoRa无线路由器包括无线路由器处理器、SX1278芯片以及相应芯片***电路组成。芯片***电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路三个部分。无线路由器处理器采用STM32单片机作为CPU。由于LoRa技术的特有优势，使得本采集子***解决了传输距离、功耗、成本之间矛盾问题。
本实施例采用无线传感器组网模式进行采集。无线路由器的无线收发芯片为zigbee无线芯片或者LoRa无线芯片，两者均可实现自组网模式进行数据采集，以低功耗、低成本、远距离的无线射频收发技术以应对复杂多变的矿区环境。使用两种网络制式的无线装置进行采集，可以使得***具有良好的通用性。
传输模块，与采集模块连接，用于通过以太无源光网络进行数据的传输；其中以太网无源光网络将以太网和PON技术相结合，采用点到多点结构、无源光纤传输，在物理层采用PON技术，在链路层使用以太网协议，利用PON的拓扑结构实现了以太网的接入。
以太网无源光网络***使用单模单芯光纤，采用波分复用技术实现双向传输(上行波长：1310nm，下行波长：1490nm)；在物理编码子层，继承千兆以太网的原有标准，实现上下行对称1Gbit/s数据传输速率。在数据链路层，多点MAC控制协议(MPCP)在一个点到多点的以太网无源光网络***中实现点对点的仿真，主要处理ONU的发现和注册，ONU上传资源请求、OLT动态带宽分配、ONU状态统计和汇报上传等。
以太网无源光网络的传输原理简述如下：当OLT启动后，会周期性的广播发送允许接入的发现时隙信息；ONU上电后，根据OLT广播的允许接入信息，主动发起注册请求，OLT通过对ONU的认证，允许ONU接入，并给请求注册的ONU分配一个***中唯一的一个逻辑链路标识；同时，OLT对ONU进行测距，测量OLT与ONU之间的环路时延RTT，为后续的带宽分配提供时隙补偿参数，同时OLT向该ONU下发注册响应时隙信息；ONU在注册响应时隙内上传注册响应，OLT确认在注册响应时隙内收到注册响应信息后，完成ONU***接入，可进行正常数据通信，下行数据从OLT以广播形式下发到所有ONU，每个ONU根据下行数据的标识信息接收属于自己的数据，丢弃其他用户的数据，上行数据采用TDMA技术，ONU根据OLT发送的带宽授权发送上行业务。
接口模块，与传输模块连接，用于将矿山数据转化为通信协议；接口模块包括：以太网接口单元：通过以太网接口接收TCP/IP协议；CAN总线接口单元，通过CAN总线接口接收CAN协议；串口接口单元，通过串口接口接收串口通信协议；USB总线接口单元，通过USB总线接口接收USB网络协议。
处理模块，与接口模块连接，基于FPGA芯片将所述通信协议进行汇总处理并上传到云端服务器。
可实施的，FPGA处理模块包括FPGA电路、调试电路；其中，FPGA电路分别与调试电路、CAN总线接口单元、USB总线接口单元、串口接口单元、太网总线接口单元连接；FPGA电路的每个电源管脚都有一个去耦电容，所述串口接口模块中包括多个瞬态二极管，所述USB总线接口模块采用USBL C6芯片。
可实施的，FPGA处理模块分别与CAN总线接口单元、USB总线接口单元、串口接口单元、太网总线接口单元连接；FPGA处理模块，用于将接收到的通信协议进行汇总并转换为OPCUA协议并通过以太网端口直接上传到本地服务器或云服务器，还用于将OPCUA协议转换为目标协议；FPGA处理模块用于通过控制接口模块来控制与该接口模块连接的设备。
在本实施例中，FPGA芯片每个电源管脚都有一个去耦电容，用于提高芯片的稳定性和抗干扰能力。调试电路为J-Link电路，用于对***中的程序进行调试，并将程序输入到FPGA芯片中。在本实施例中，FPGA芯片可以将接收到的通信协议转化为OPCUA协议并通过以太网端口直接上传到本地服务器或云服务器，FPGA芯片还可以将接收到的通信协议转化为OPCUA协议后，再转换为其他目标协议，并从其他端口发送出去，譬如，USB总线接口单元连接的第一设备想要获取CAN总线接口单元连接的第二设备的数据时，FPGA芯片将第二设备发出的ISO15765的CAN协议转化为OPCUA协议，FPGA芯片再将OPCUA协议转换为USB网络协议，通过USB总线接口单元将该USB网络协议发送到第一设备上，从而实现信息的共享。
本实施例能够采集TCP/IP协议，CAN协议、USB网络协议和串口通信协议，数据采集效率高，同时以太网总线接口单元、CAN总线接口单元、USB总线接口单元、串口接口单元均与FPGA处理模块连接，有利于实现各模块信息的共享，提高信息的传输效率，并且本实施例采用FPGA处理模块，能够同时处理以太网总线接口单元的数据、CAN总线接口单元的数据、USB总线接口单元的数据、串口接口单元的数据，且各数据之间互不干扰，进一步提高***数据的采集效率。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于物联网的智慧矿山数据采集***，其特征在于，包括：
采集模块，用于基于无线传感器组网采集矿山数据；
传输模块，与所述采集模块连接，用于通过以太无源光网络进行数据的传输；
接口模块，与所述传输模块连接，用于基于若干个通信协议传输所述矿山数据；
处理模块，与所述接口模块连接，用于基于FPGA芯片将所述通信协议进行汇总处理并上传到云端服务器。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的智慧矿山数据采集***，其特征在于，
所述无线传感器组网包括：
数据采集传感器，用于基于若干个传感器节点采集矿山数据；
无线路由器，用于将所述传感器节点数据上传到数据传输终端；
数据传输终端，用于接收所述传感器节点数据并传输到处理模块。
3.根据权利要求2所述的基于物联网的智慧矿山数据采集***，其特征在于，
所述数据采集传感器包括数字压力计、钻孔应力传感器、围岩移动传感器、锚杆索应力传感器、温度传感器和湿度传感器。
4.根据权利要求2所述的基于物联网的智慧矿山数据采集***，其特征在于，
所述无线路由器的微控制单元采用ZigBee无线收发芯片或LoRa无线收发芯片。
5.根据权利要求1所述的基于物联网的智慧矿山数据采集***，其特征在于，
所述以太网无源光网络包括：
物理层传输单元，用于基于PON技术实现以太网的接入；
链路层传输单元，用于基于以太网进行数据传输。
6.根据权利要求1所述的基于物联网的智慧矿山数据采集***，其特征在于，
所述接口模块包括：
以太网接口单元：用于通过以太网接口接收遵守TCP/IP协议的矿山数据；
CAN总线接口单元，用于通过CAN总线接口接收遵守CAN协议的矿山数据；
串口接口单元，用于通过串口接口接收遵守串口通信协议协议的矿山数据；
USB总线接口单元，用于通过USB总线接口接收遵守USB网络协议协议的矿山数据。
7.根据权利要求1所述的基于物联网的智慧矿山数据采集***，其特征在于，
所述处理模块包括：
第一处理单元，用于接收符合TCP/IP协议、CAN协议、串口通信协议、USB网络协议的矿山数据，并将所述矿山数据的协议类型汇总转化为OPCUA协议，上传到云端服务器；
第二处理单元，用于将所述OPCUA协议转化为目标协议，通过对应的接口单元传输到对应的现场设备，对所述现场设备进行统一管理。
8.根据权利要求1所述的基于物联网的智慧矿山数据采集***，其特征在于，
所述FPGA芯片包括去耦电容，用于调制所述FPGA芯片工作的稳定性。
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