CN117527761A - 一种矿用传感器全ip组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿用传感器全IP组网方法，属于煤矿安全监控***领域。本方法至少进行如下配置：至少架设一个中心站，其用于各项传感器的数据收发和处理；中心站通过交换机与若干个采集分站连接，每个采集分站再与多个传感器连接；基于架设的网路结构，所述方法还包括传感器入网、传感器脱网、传感器与网络通信设备进行UDP通信、传感器作为服务端与网络通信设备进行TCP通信以及传感器作为客户端与网络通信设备进行TCP通信。本发明既控制了大量矿用传感器的布设成本，无需采用新的安装方式，能够快速推广使用，也解决了矿用传感器彼此之间通信困难、无法兼容的问题，进一步满足矿井下的智能设备与矿用传感器之间的信息交互。

Description

一种矿用传感器全IP组网方法

技术领域

本发明属于煤矿安全监控***领域，涉及一种矿用传感器全IP组网方法。

背景技术

根据《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，推动智能化技术与煤炭产业融合发展，将先进的制造业，互联网、大数据、人工智能和煤炭行业深度融合，助力能源领域高端化、绿色化、智能化发展是目前比较重要的工作。在智能矿山建设中，IP通信已经得到了大面积的应用。一是解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通；二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于两者的独立发展。

随着煤矿井下的数字化建设不断推进，对井下各工作区域的监控及管理提出了更高的要求，目前井下围绕监测监控***、人员定位***、紧急避险***、压风自救***、供水施救***和通信联络***进行建设，在井下巷道中安装设置有大量网络通信硬件设施，在安装调试过程中发现，由于矿用基站内部设置的控制模块存在的改装与升级上的不平衡，其内部连接的端口协议与新装置不兼容不匹配的问题较为突出，使设置的传感器及其他数据采集装置无法与基站进行直连，有些需要额外安装数据转换模块，有些需要将整个巷道内埋设电缆进行更换，安装建设费时费力，对现有资源造成浪费。换言之，传统的矿用传感器采用自定义协议的通信方式，存在协议不兼容，互通难、寻址难，各种智能应用不易扩展等问题。

如公告号为CN211429451U的现有技术提供一种具备多协议接口的矿用综合基站硬件结构，基站箱体的正面设置有显示屏、键盘、指示灯，基站箱体的侧壁与箱底设置有多个接线端口，接线端口通过导线与数据交换模块相连，基站箱体的顶部还封装有数据通信模块；数据交换模块通过导线分别与有线CAN接口模块、有线485接口模块、有线光口模块、VDSL双绞线接口模块相连。数据交换模块通过有线CAN接口模块与多个气体传感器、温湿度传感器、报警器相连；数据交换模块通过有线485接口模块与多个超声波感应模块、红外传感器相连。

上述现有技术仅仅只在一定程度上解决了少量不同类型的矿用传感器与综合基站之间的数据传输问题，通过设置多协议接口来接收不同类型的矿用传感器信息。但是，这种方案会由于矿山井下工作年限较长，一般采矿开拓工程分多期(基建期、一期、二期、深部等)建设，在持续开采工程建设过程中，所需的传感器的数量和类型相较建设初期有大规模的增加，需要不断地扩充综合基站的多协议接口，造成成本的增加。并且，该种方案仍未解决传统矿用传感器彼此之间寻址难、互通难的问题，从而导致矿井下的智能设备布设困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种矿用传感器全IP组网方法。本发明采用分站虚拟IP技术实现煤矿井下传感器全IP通信方法。考虑煤矿井下传感器和普通网络交换机接口和功能上的不同，仅将采集分站和传感器通信协议进行了改进，原物理传输介质和传输接口不变。采集分站采用嵌入式Linux操作***，通过Linux强大的网络功能，虚拟多个IP地址，一个IP地址对应一个传感器。采集分站对外完成网络寻址、IP路由、数据收发等。对内做一个数据转发，所有和这个IP通信的数据包都通过采集分站转发给对应的传感器，从面达到传感器全IP组网通信的目的。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种矿用传感器全IP组网方法，所述方法至少进行如下配置：至少架设一个中心站，其用于各项传感器的数据收发和处理；中心站通过交换机与若干个采集分站连接，每个采集分站再与多个传感器连接；基于架设的网路结构，所述方法还包括传感器入网、传感器脱网、传感器与网络通信设备进行UDP通信、传感器作为服务端与网络通信设备进行TCP通信以及传感器作为客户端与网络通信设备进行TCP通信。

进一步地，所述方法在进行传感器入网时，按照如下步骤执行：传感器主动向采集分站发送设备编码以提出入网请求；采集分站收到传感器的设备编码和入网请求后将设备编码传递至中心站，并请求中心站配置该设备的网络参数；中心站查询该设备编码的网络配置信息，若该设备未入网的情况下将网络配置参数返回至采集分站；采集分站将网络配置参数中的虚拟IP地址与传感器的设备编号进行绑定，传感器入网完成。

进一步地，所述方法在进行传感器脱网时，按照如下步骤执行：在正常入网时，传感器周期性地发送带设备编码的心跳包至采集分站，采集分站根据心跳包判断矿用传感器是否处于正常入网状态；当某个设备编号的传感器的心跳包超时或者采集分站接收到其发送的主动脱网请求时，采集分站向中心站发出请求注销该设备编号的传感器的网络配置参数；中心站完成注销后将注销成功的信息反馈至采集分站，采集分站解除虚拟IP地址与设备编号的绑定，传感器完成脱网。

进一步地，所述方法在传感器与网络通信设备进行UDP通信时，按照如下步骤执行：传感器发送UDP端口绑定请求至采集分站；采集分站在对应的虚拟IP地址上绑定UDP端口，并将端口绑定成功的消息反馈至传感器；传感器与采集分站之间进行数据收发；网络通信设备通过UDP通信协议与采集分站进行数据收发；数据收发完成后，传感器向采集分站发出UDP端口绑定取消请求；采集分对应的虚拟IP地址上取消UDP端口绑定，并将取消成功的信息反馈至矿用传感器。

进一步地，所述方法在传感器作为服务端与网络通信设备进行TCP通信时，按照如下步骤执行：传感器发送TCP端口绑定请求至采集分站；采集分站在对应的虚拟IP地址上绑定TCP端口，并将端口绑定成功的消息反馈至传感器；网络通信设备向采集分站发出TCP连接请求；采集分站将客户端连接信息发送至传感器；传感器与采集分站之间进行数据收发；采集分站与网络通信设备之间按照TCP协议进行数据收发；数据收发完成后，网络通信设备向采集分站发出TCP连接中断请求，同时传感器向采集分站发出连接断开的消息；采集分站在对应的虚拟IP地址上取消TCP端口绑定，并将取消成功的信息反馈至传感器。

进一步地，所述方法在传感器作为客户端与网络通信设备进行TCP通信时，按照如下步骤执行：传感器发送TCP端口绑定请求以及客户端请求至采集分站；采集分站在对应的虚拟IP地址上绑定TCP端口，并向网络通信设备发出TCP连接请求；网络通信设备通过TCP连接请求，并将连接成功的信息反馈至采集分站；采集分站将客户端连接成功的信息发送至传感器；传感器与采集分站之间进行数据收发；采集分站与网络通信设备之间按照TCP协议进行数据收发；数据收发完成后，网络通信设备向采集分站发出TCP连接中断请求，同时矿用传感器向采集分站发出连接断开的消息；采集分站在对应的虚拟IP地址上取消TCP端口绑定，并将取消成功的信息反馈至传感器。

本发明的有益效果在于：

本发明的矿用传感器全IP组网方法采集分站虚拟IP技术实现煤矿井下传感器全IP通信，传统的传感器在不修改硬件接口的情况下，只需要修改软件，就可以实现IP通信。本发明还通过采集分站代理的方式实现了UDP的服务端和客户通信以及通过采集分站代理的方式实现了TCP的服务端和客户通信。

本发明的采集分站与矿用传感器之间采用常规的传统的RS485或者其他成本较少的不需要具备IP功能的传输介质与采集分站连接，通过该种方案，既控制了大量矿用传感器的布设成本，无需采用新的安装方式，能够快速推广使用，也解决了矿用传感器彼此之间通信困难、无法兼容的问题，进一步满足矿井下的智能设备与矿用传感器之间的信息交互，有助于推进煤矿智能化发展。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明的矿用传感器全IP组网方法示意图；

图2为本发明的矿用传感器全IP组网方法数据传输示意图；

图3为本发明的采集分站与矿用传感器的连接结构示意图；

图4为本发明的矿用传感器入网分配IP地址流程图；

图5为本发明的矿用传感器脱网流程图；

图6为本发明的矿用传感器UDP通信方法示意图；

图7为本发明的矿用传感器TCP服务器端通信方法示意图；

图8为本发明的矿用传感器TCP客户端通信方法示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图8，为一种矿用传感器全IP组网方法，结合TCP/IP寻址、路由、数据收发等特点，实现了矿用传感器全IP组网。

实施例1

本实施例提出一种基于本发明的矿用传感器全IP组网方法架设的网络拓扑结构。

根据图1示出的矿用传感器全IP组网方法示意图，本发明的矿用传感器全IP组网方法至少需要架设一个中心站，其用于各项传感器的数据收发和处理。中心站通过交换机与若干个采集分站连接，每个采集分站再与多个传感器连接。

进一步地，在本发明的矿用传感器全IP组网方法中，采集分站被配置为具有网络处理功能，其能够将矿用传感器的普通串口数据转换为网络数据，从而用通过常见的网线或者光纤和交换机进行数据传输，如图2所示。

进一步地，当传感器接入采集分站后，主动向采用采集分站发送设备编码，采集分站通过交换机和中心站进行TCP/IP通信，从中心站数据库中获得此设备的网络配置参数，一般为IP地址，网络掩码，网关，域名配置信息。采集分站在以此参数在本机虚拟一个IP地址，同时通知传输器IP地址分配成功。并且在采集分站中建立此传感器和IP地址对应关系。

更具体地，假设中心站的虚拟IP地址为192.168.1.250，其通过交换机连接若干个采集分站可以分为：采集分站1、采集分站2…采集分站n,其采集分站对应的虚拟IP地址可以配置为：192.168.1.0、192.168.2.0…192.168.n.0。再假设采集分站1下行连接有传感器1、传感器2、传感器3、传感器4，那么它们对应的虚拟IP地址可以被配置为：192.168.1.1、192.168.1.2、192.168.1.3、192.168.1.4。其他采集分站连接的传感器的虚拟IP地址的配置方式同理。

进一步地，当传感器网络地址分配成功后，主动周期性发带设备编码的心跳包到采集分站，采集分站保留此设备和虚拟IP地址关系。心跳包是指在客户端和服务器间定时通知对方自己状态的一个自己定义的命令字，按照一定的时间间隔发送，类似于心跳，因此叫做心跳包。当心跳包超时或者传感器主动发送脱网请求后，采集分站取消此设备和虚拟IP地址对应关系。

进一步地，由于普通的矿用传感器本身并不支持UDP传输协议，所有数据包都需要通过采集分站代理，因此，本发明的采集分站还被配置为能够直接绑定UDP端口，进而采集分站可以作为矿用传感器的数据转换接口进行UDP数据收发。

进一步地，由于普通的矿用传感器本身也并不支持TCP协议，所有数据包都需要通过采集分站代理，因此本发明的采集分站还被配置为能够在对应的虚拟IP地址上直接绑定TCP端口，进而使得矿用传感器能够进行TCP通信。

更具体地，在矿用传感器进行TCP通信时，其需要分别作为服务端和客户端进行通信。其中，当矿用传感器作为服务端进行通信时，包括如下步骤：传感器发起TCP端口绑定请求，由采集分站在对应的虚拟IP地址上直接绑定TCP端口，然后等待其它网络通信设备TCP连接。然后作传感器数据转换TCP收发即可。当矿用传感器作为客户端进行通信时，传感器发起客户端连接请求，由采集分站在对应的虚拟IP地址上直接连接指定的TCP服务器，然后等待指定的TCP服务器连接成功。然后作传感器数据转换TCP收发即可。

本发明的采集分站与矿用传感器之间采用常规的传统的RS485或者其他成本较少的不需要具备IP功能的传输介质与采集分站连接，如图3所示。通过该种方案，既控制了大量矿用传感器的布设成本，无需采用新的安装方式，能够快速推广使用，也解决了矿用传感器彼此之间通信困难、无法兼容的问题，进一步满足矿井下的智能设备与矿用传感器之间的信息交互，有助于推进煤矿智能化发展。

实施例2

本实施例提出一种基于本发明的矿用传感器全IP组网方法的每个步骤的具体操作。本发明的矿用传感器全IP组网方法中，基于构建的网络拓扑，在进行矿井下网络通信时，至少包括矿用传感器入网操作、矿用传感器脱网操作、矿用传感器UDP通信操作、矿用传感器TCP服务端通信操作以及矿用传感器TCP客户端通信操作。

本发明采用分站虚拟IP技术实现煤矿井下传感器全IP通信方法。考虑煤矿井下传感器和普通网络交换机接口和功能上的不同，仅将采集分站和传感器通信协议进行了改进，原物理传输介质和传输接口不变。采集分站采用嵌入式Linux操作***，通过Linux强大的网络功能，虚拟多个IP地址，一个IP地址对应一个传感器。采集分站对外完成网络寻址、IP路由、数据收发等。对内做一个数据转发，所有和这个IP通信的数据包都通过采集分站转发给对应的传感器，从面达到传感器全IP组网通信的目的。

进一步地，根据图4示出的矿用传感器入网分配IP地址流程图，在矿用传感器与采集分站的物理连接完成的情况下，矿用传感器在进入本发明的矿用传感器全IP组网时包括如下步骤：(1)矿用传感器主动向采集分站发送设备编码以提出入网请求；(2)采集分站收到矿用传感器的设备编码和入网请求后将设备编码传递至中心站，并请求中心站配置该设备的网络参数；(3)中心站查询该设备编码的网络配置信息，若该设备未入网的情况下将网络配置参数返回至采集分站；(4)采集分站将网络配置参数中的虚拟IP地址与矿用传感器的设备编号进行绑定，矿用传感器入网完成。具体地，采集分站通过交换机和中心站进行TCP/IP通信。中心站返回的网络配置参数中一般包括IP地址、网络掩码、网关、域名配置信息等。

进一步地，根据图5示出的矿用传感器脱网流程图，在正常入网时，矿用传感器需要主动周期性地发送带设备编码的心跳包至采集分站，采集分站根据心跳包判断矿用传感器是否处于正常入网状态。当某个设备编号的矿用传感器的心跳包超时或者采集分站接收到其发送的主动脱网请求时，采集分站向中心站发出请求注销该设备编号的矿用传感器的网络配置参数；中心站完成注销后将注销成功的信息反馈至采集分站，采集分站解除虚拟IP地址与设备编号的绑定，该矿用传感器完成脱网。

进一步地，根据图6示出的传感器UDP通信方法示意图，当矿井下智能网络通信设备需要与组网内的矿用传感器进行通信时，可以采用UDP通信方式。具体包括如下步骤：(1)矿用传感器发送UDP端口绑定请求至采集分站；(2)采集分站在对应的虚拟IP地址上绑定UDP端口，并将端口绑定成功的消息反馈至传感器；(3)传感器与采集分站之间进行普通传感器串口数据收发；(4)网络通信设备通过UDP通信协议与采集分站进行数据收发；(5)数据收发完成后，矿用传感器向采集分站发出UDP端口绑定取消请求；(6)采集分站在对应的虚拟IP地址上取消UDP端口绑定，并将取消成功的信息反馈至矿用传感器。

进一步地，根据图7示出的矿用传感器TCP服务端通信方法示意图，当矿井下智能网络通信设备需要与组网内的矿用传感器进行通信时，可以采用矿用传感器作为TCP服务端的方式进行通信。具体包括如下步骤：(1)矿用传感器发送TCP端口绑定请求至采集分站；(2)采集分站在对应的虚拟IP地址上绑定TCP端口，并将端口绑定成功的消息反馈至传感器；(3)网络通信设备通过TCP通信协议向采集分站发出TCP连接请求；(4)采集分站将客户端连接信息发送至矿用传感器；(5)传感器与采集分站之间进行普通传感器串口数据收发；(5)采集分站与网络通信设备之间按照TCP协议进行数据收发；(6)数据收发完成后，网络通信设备向采集分站发出TCP连接中断请求，同时矿用传感器向采集分站发出连接断开的消息；(6)采集分站在对应的虚拟IP地址上取消TCP端口绑定，并将取消成功的信息反馈至矿用传感器。

进一步地，根据图8示出的矿用传感器TCP客户端通信方法示意图，当矿井下智能网络通信设备需要与组网内的矿用传感器进行通信时，可以采用矿用传感器作为TCP客户端的方式进行通信。具体包括如下步骤：(1)矿用传感器发送TCP端口绑定请求以及客户端请求至采集分站；(2)采集分站在对应的虚拟IP地址上绑定TCP端口，并向网络通信设备发出TCP连接请求；(3)网络通信设备通过TCP连接请求，并将连接成功的信息反馈至采集分站；(4)采集分站将客户端连接成功的信息发送至矿用传感器；(5)传感器与采集分站之间进行普通传感器串口数据收发；(5)采集分站与网络通信设备之间按照TCP协议进行数据收发；(6)数据收发完成后，网络通信设备向采集分站发出TCP连接中断请求，同时矿用传感器向采集分站发出连接断开的消息；(6)采集分站在对应的虚拟IP地址上取消TCP端口绑定，并将取消成功的信息反馈至矿用传感器。

本发明的矿用传感器全IP组网方法采集分站虚拟IP技术实现煤矿井下传感器全IP通信，传统的传感器在不修改硬件接口的情况下，只需要修改软件，就可以实现IP通信。本发明还通过采集分站代理的方式实现了UDP的服务端和客户通信以及通过采集分站代理的方式实现了TCP的服务端和客户通信。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种矿用传感器全IP组网方法，其特征在于：所述方法至少进行如下配置：至少架设一个中心站，其用于各项传感器的数据收发和处理；中心站通过交换机与若干个采集分站连接，每个采集分站再与多个传感器连接；

基于架设的网路结构，所述方法还包括传感器入网、传感器脱网、传感器与网络通信设备进行UDP通信、传感器作为服务端与网络通信设备进行TCP通信以及传感器作为客户端与网络通信设备进行TCP通信。

2.根据权利要求1所述的一种矿用传感器全IP组网方法，其特征在于：所述方法在进行传感器入网时，按照如下步骤执行：传感器主动向采集分站发送设备编码以提出入网请求；采集分站收到传感器的设备编码和入网请求后将设备编码传递至中心站，并请求中心站配置该设备的网络参数；中心站查询该设备编码的网络配置信息，若该设备未入网的情况下将网络配置参数返回至采集分站；采集分站将网络配置参数中的虚拟IP地址与传感器的设备编号进行绑定，传感器入网完成。

3.根据权利要求1所述的一种矿用传感器全IP组网方法，其特征在于：所述方法在进行传感器脱网时，按照如下步骤执行：在正常入网时，传感器周期性地发送带设备编码的心跳包至采集分站，采集分站根据心跳包判断矿用传感器是否处于正常入网状态；当某个设备编号的传感器的心跳包超时或者采集分站接收到其发送的主动脱网请求时，采集分站向中心站发出请求注销该设备编号的传感器的网络配置参数；中心站完成注销后将注销成功的信息反馈至采集分站，采集分站解除虚拟IP地址与设备编号的绑定，传感器完成脱网。

4.根据权利要求1所述的一种矿用传感器全IP组网方法，其特征在于：所述方法在传感器与网络通信设备进行UDP通信时，按照如下步骤执行：传感器发送UDP端口绑定请求至采集分站；采集分站在对应的虚拟IP地址上绑定UDP端口，并将端口绑定成功的消息反馈至传感器；传感器与采集分站之间进行数据收发；网络通信设备通过UDP通信协议与采集分站进行数据收发；数据收发完成后，传感器向采集分站发出UDP端口绑定取消请求；采集分对应的虚拟IP地址上取消UDP端口绑定，并将取消成功的信息反馈至矿用传感器。

5.根据权利要求1所述的一种矿用传感器全IP组网方法，其特征在于：所述方法在传感器作为服务端与网络通信设备进行TCP通信时，按照如下步骤执行：传感器发送TCP端口绑定请求至采集分站；采集分站在对应的虚拟IP地址上绑定TCP端口，并将端口绑定成功的消息反馈至传感器；网络通信设备向采集分站发出TCP连接请求；采集分站将客户端连接信息发送至传感器；传感器与采集分站之间进行数据收发；采集分站与网络通信设备之间按照TCP协议进行数据收发；数据收发完成后，网络通信设备向采集分站发出TCP连接中断请求，同时传感器向采集分站发出连接断开的消息；采集分站在对应的虚拟IP地址上取消TCP端口绑定，并将取消成功的信息反馈至传感器。

6.根据权利要求1所述的一种矿用传感器全IP组网方法，其特征在于：所述方法在传感器作为客户端与网络通信设备进行TCP通信时，按照如下步骤执行：传感器发送TCP端口绑定请求以及客户端请求至采集分站；采集分站在对应的虚拟IP地址上绑定TCP端口，并向网络通信设备发出TCP连接请求；网络通信设备通过TCP连接请求，并将连接成功的信息反馈至采集分站；采集分站将客户端连接成功的信息发送至传感器；传感器与采集分站之间进行数据收发；采集分站与网络通信设备之间按照TCP协议进行数据收发；数据收发完成后，网络通信设备向采集分站发出TCP连接中断请求，同时矿用传感器向采集分站发出连接断开的消息；采集分站在对应的虚拟IP地址上取消TCP端口绑定，并将取消成功的信息反馈至传感器。