一种基于超宽带通信的液压支架传感控制系统的制作方法

1.本实用新型一种基于超宽带通信的液压支架传感控制系统，属于液压支架传感控制技术领域。


背景技术：

2.在煤矿井下安装自动化控制系统时，在液压支架相应位置设置传感器采集数据作为控制器执行操作的参考依据，但目前安装的传感器基于有线信号的线缆传输模拟信号，传感器采集的信号在长距离传输过程中容易受到干扰，导致接收到的数据出现失真，不能准确反映现场液压支架的动作监控情况；另外，由于井下安装环境复杂，设置传感器进行布线时也将受到很多限制，受空间影响安装一套有线的传感控制系统需要耗费大量人力和时间，且在使用过程中连接传感器的线缆很容易被支架等大型设备挤压，造成形变损坏，导致传感器不能正常工作。
3.针对上述问题，目前也在逐步使用无线传感器替换有线传感器进行安装布置，然而目前市面上提供的无线传感器种类较为单一，对现有无线采集装置进行改造，也只能够实现特定类型的传感数据采集，且在井下进行常规的无线信号传输效果差，信号传输速度慢、信号损失严重，不能实现对液压支架的实时动态调节。


技术实现要素：

4.本实用新型为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于超宽带通信的液压支架传感控制系统硬件结构的改进。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种基于超宽带通信的液压支架传感控制系统，包括设置在液压支架上的多个功能传感器、设置在控制室内的上位机、设置在液压支架一侧的无线采集装置，所述无线采集装置封装在壳体中，所述壳体内部封装有控制电路板，所述控制电路板上集成有微控制器，在微控制器的外围电路上还设置有电源模块、uwb通信模块、数据采集端口模块，所述微控制器通过导线分别与电源模块、uwb通信模块、数据采集端口模块相连，所述uwb通信模块通过无线网络与上位机无线连接，所述数据采集端口模块通过导线与各个功能传感器相连。
6.所述数据采集端口模块包括io采集端口、adc采集端口、rs485数据采集端口。
7.所述电源模块内部设置有电池包、充电模块、供电模块、升压模块、电压控制模块；
8.所述微控制器通过导线与充电调试端口模块相连，所述充电调试端口模块通过导线与充电模块相连，所述充电模块的输出端与电池包相连，所述电池包的输出端与供电模块相连，所述供电模块的输出端通过升压模块与电压控制模块相连；
9.所述微控制器的控制端通过导线与电压控制模块相连。
10.所述微控制器通过导线还连接有信号灯和报警蜂鸣器。
11.所述微控制器内部使用的控制芯片为stm32g0系列芯片；
12.所述uwb通信模块内部使用的通信芯片为dw1000系列芯片。
13.本实用新型相对于现有技术具备的有益效果为：本实用新型针对目前井下液压支架传感器的信号采集与传输缺陷，提出一种基于超宽带通信功能的控制系统，对液压支架传感器实时采集的控制参数通过超宽带网络实时发送至无线采集装置，控制系统中使用stm32g0系列的控制器与dw1000超宽带通信模块实现对信号的接收，并将处理后的信号实时上传至上位机，实现对液压支架控制状态的实时监控，整个控制过程基于在井下对信号实现稳定的无线传输，有效提高了井下通信的可靠性。
附图说明
14.下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
15.图1为本实用新型的电路结构示意图；
16.图2为本实用新型电源模块的电路结构示意图。
具体实施方式
17.如图1所示，本实用新型提供一种基于超宽带通信的液压支架传感控制系统，包括设置在液压支架上的多个功能传感器、设置在控制室内的上位机、设置在液压支架一侧的无线采集装置，所述无线采集装置封装在壳体中，所述壳体内部封装有控制电路板，所述控制电路板上集成有微控制器，在微控制器的外围电路上还设置有电源模块、uwb通信模块、数据采集端口模块，所述微控制器通过导线分别与电源模块、uwb通信模块、数据采集端口模块相连，所述uwb通信模块通过无线网络与上位机无线连接，所述数据采集端口模块通过导线与各个功能传感器相连。
18.所述数据采集端口模块包括io采集端口、adc采集端口、rs485数据采集端口。
19.如图2所示，所述电源模块内部设置有电池包、充电模块、供电模块、升压模块、电压控制模块；
20.所述微控制器通过导线与充电调试端口模块相连，所述充电调试端口模块通过导线与充电模块相连，所述充电模块的输出端与电池包相连，所述电池包的输出端与供电模块相连，所述供电模块的输出端通过升压模块与电压控制模块相连；
21.所述微控制器的控制端通过导线与电压控制模块相连。
22.本实用新型为实现井下快速稳定的无线数据通信，选择开发一种以微处理器为核心的传感器信号无线采集模块，整个无线采集模块的硬件方面主要由微控制器mcu、uwb超宽带通信模块、485串口通信芯片和一些必要的外围电路组成，本实用新型选用的mcu为意法半导体的stm32g0系列芯片，性能高效稳定、结构简单，属于超低功耗微控制器，选用的uwb通信模块为decawave公司生产的dw1000芯片，是一款符合ieee802.15.4-2011超宽带标准的完全集成的低功耗无线收发器。
23.本实用新型为实现井下数据的无线通信功能，无线采集模块采用了可充电电池包作为电源来源，使得无线采集模块的连续工作时间能够超过6个月，内部电池可通过配置充电模块外接电源或者无线充电的方式进行充电；为了兼容连接多种不同功能的传感器，无线采集模块一共提供了四个对外端口，其中一个端口用于给设备电池充电和配置无线采集模块的工作参数，另外三个端口给用来连接外部传感器；在无线采集模块参数设置方面，模块在使用前需要通过配置端口无线连接上位机，通过配置协议对其进行配置操作，配置信
息主要包括外接的传感器种类、采集周期、传感器查询协议、传感器挂接端口等。
24.本实用新型为了进一步降低功耗，延长无线采集装置的续航能力，对每个传感器端口都配置了独立电源供电，当无线采集装置成功配置好参数以后，端口将在到达采样周期时间后打开相应端口的供电，当采集到了传感器的数据以后，无线采集装置通过内置的uwb通信模块将采集到的数据发送到就近的uwb基站并断开端口供电，uwb基站收到消息以后将数据通过无线网络上传至上位机进行统一处理；如果是串口类传感器，采集模块将会发送相应的查询命令，传感器回复消息以后，将采集到的数据发送到uwb基站并断开端口供电；对于传感器采集的工作数据，上位机会进行统计分析，与预设的工作阈值进行对比，查看各传感器是否在稳定正常的工作，如果检测到传感器数据异常，则会将错误信息发送到井下基站，通过井下基站将信息发送至无线采集装置，由装置外接的信号灯和蜂鸣器进行声光报警。
25.进一步的，本实用新型使用的无线采集装置支持连接的传感器主要分为三种：rs485类传感器、模拟量传感器、开关量传感器；
26.其中rs485传感器包括：倾角传感器、激光传感器、采高传感器等；
27.模拟量传感器包括：压力传感器、行程传感器等；
28.具体设置时，无线采集装置外接配置两个信号灯，可以用来指示模块的工作状态如：待机模式、工作模式、睡眠模式以及电池的电量情况；本实用新型提供的各适配终端应用场景为煤矿综采工作、综掘进工作面等甲烷及煤尘爆炸场所，隔爆形式选择矿用本质安全型。
29.进一步的，本实用新型选用的电子元器件包括微控制器stm32g0、485ic接口芯片、dw1000模块，由于携带了uwb模块，所以具有自定位功能，当无线采集模块采集到传感器数据以后，会将数据发送到就近基站，可根据位置来灵活选择通信时的目的基站；本实用新型提供了完善的通信协议，配合上位机软件可以成功显示和配置相应的工作参数，能够实时检测液压支架传感器的工作状态，传感器出现故障时将报错数据实时反馈回无线采集装置，进行声光报警，使得本实用新型运行的可靠性程度高、运行稳定、维护简单。
30.进一步的，本实用新型在硬件组成方面，无线信号采集装置主要包括微控制器核心电路、充电模块、电池包电池保护板、供电模块、升压模块、电压控制模块、uwb通信模块、唤醒模块、rs485-1通信模块、rs485-2通信模块、adc采集端口模块、io采集端口电模块和充电调试端口模块，上述电路模块由壳体统一封装；其中充电调试端口模块和充电模块组合，用于为无线采集装置的电池包进行充电操作，微控制器通过adc采集端口来采集充电电流，从而监控充电完成与否。
31.供电模块、升压模块和电压控制模块结合微控制器来实现对io采集端口、adc采集端口、rs485-2数据采集端口的电源开关进行控制；唤醒模块用于产生一个外部的激励信号，从而作为微控制器判断整个传感器是否需要进入待机模式，或是否需要从待机模式中唤醒的依据；uwb通信模块负责和基站进行通信，当微控制器有消息需要发送或者有基站向采集模块发送消息时，将会通过spi接口将发送的数据或者收到的数据传输到uwb通信模块；rs485-2通信、adc采集端口、io采集端口主要负责为微控制器和传感器之间的通信提供物理接口。
32.进一步的，本实用新型在硬件功能的配置方面，采用唤醒中断负责处理无线采集
模块待机模式的进入和退出，当采集模块处于工作状态的时候，唤醒中断相应引脚处于外部中断模式，当收到了一个外部激励信号以后，模块将会配置该引脚为weakup状态，并进入待机模式，当采集模块处于待机状态的时候，唤醒中断相应引脚处于weakup状态，当收到一个外部激励信号以后，模块将会从待机模式被唤醒进入正常工作状态，并在启动过程中将唤醒中断相应的引脚配置为外部中断模式。
33.本实用新型提供硬件的串口调试主要负责和基站以及上位机进行通信，用于配置采集模块中的系统参数，串口数据采集线程、开关量采集线程和模拟量采集线程主要负责对传感器的参数值进行采集操作，并将收到的消息通过消息队列的方式发送到微控制器的核心线程，核心线程对收到的消息进行分析处理以后，再通过队列发送到uwb通信模块，将微控制器发送过来的消息再次进行发送，并将基站发回的消息通过消息队列发送到微控制器的核心处理线程。
34.关于本实用新型具体结构需要说明的是，本实用新型采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本实用新型提出的技术问题，本实用新型中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
35.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。