[发明专利]基于ZigBee无线技术的煤矿井下电力监控系统

说明书

技术领域

本发明主要涉及技术领域，尤其涉及一种基于ZigBee无线技术的煤矿井下电力监控系统。

背景技术

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

(2) 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元， 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

(4) 网络容量大： 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络， 而且网络组成灵活。

(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6) 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

随着煤矿现代化程度的不断提高和井下供电距离的增加，煤矿井下电力系统设备运行的可靠性、连续性和安全性成了煤矿安全生产的关键之一。早期以 PC 和 PLC 为代表的计算机技术己在我国煤炭行业得到广泛的应用。目前煤矿供电系统计算机应用主要体现在煤矿井上变电所的微机保护、微机管理、微机检测等方面，并取得了较好的应用效果。然而，与此相比煤矿井下采区变电所主要为采煤、通风、掘进、运输、排水等重要生产环节服务，由于这些工作场所地质条件复杂，存在瓦斯煤尘积聚、滴水冒顶事故等事件，会使电气设备绝缘强度逐渐降低，容易出现漏电及单相接地等一系列故障。这类故障若不及时排除，会导致电网各相线长期运行在线电压下，以致绝缘击穿，甚至发生两相或三相短路事故。发生故障时产生的电弧能量会引起瓦斯、煤尘爆炸，直接危及人身安全和矿井生产。所以，对煤矿井下供电系统实时监控显得十分重要了。

另外，由于矿井下需要监控的区域广、监控点分散、监控的对象种类繁多，需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的管理和维护，而维护人员不足、维护手段落后己成为

管理中的薄弱环节。而且这类事件的发生几率较小，并具有随机性和不确定性，传统的监控

系统方法不能在线监测现场所有的设备运行状态，及时进行故障诊断，提前将故障排除，而

是等到设备瘫痪后才进行故障诊断，为此将增加维修的难度，有可能使此设备由于没有及

时抢修而报废，设备停止运行会影响整个生产线的工作，而且大部分事故是由于这些隐患

而发生的。

鉴于此，本发明设计了出基于ZigBee无线网络的煤矿井下电力安全监控系统，

该系统通过监控分站作为中继站，来提高系统采集数据的速度和缩短系统巡测周

期，从而提高系统的整体性能，在整个系统结构中起着承上启下的作用。智能电力装置面向

现场电力设备进行实时数据采集。

监控分站设计了CAN总线通信接口、ZigBee无线网络通信接口和RS-485及RS－232

串口，这样就形成了两层网和多级控制的监控系统。即通过 CAN 总线连接到地面接收ZigBee无线网络监测数据或发送指令数据的ZigBee收发器，ZigBee无线网络通信接口连接到 Intranet 和 Internet 上，同时通过 RS-485 与智能电力装置进行通信。

发明内容