基于STM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)研究

馬媛 王昊星 胡小旗

摘 要：煤炭資源的開采和利用長期以來一直是我國工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，但是煤炭資源的開采大多工作于地下，并且周邊地質(zhì)水文環(huán)境較為復(fù)雜，這樣便會(huì)給煤炭企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來不利影響。為此建立一種高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確且能夠適應(yīng)多種環(huán)境的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。文章主要對水文監(jiān)測系統(tǒng)的組成、STM32對礦井水文監(jiān)測的改進(jìn)和應(yīng)用，重點(diǎn)對礦井水文應(yīng)用STM32單片機(jī)技術(shù)改善后的優(yōu)勢進(jìn)行了簡單闡述，可以為研究基于STM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：STM32；礦井；水文監(jiān)測系統(tǒng)

前言

煤炭資源長期以來一直是我國極為重要的自然資源，煤炭資源對于人們生活質(zhì)量以及工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)有著極為重要的影響。我國是煤炭資源勘探大國，近些年越來越多的煤炭資源被開采，但與此同時(shí)，由于對礦井水文監(jiān)測缺乏重視，常常會(huì)因?yàn)槊旱V滲水和漏水引發(fā)許多礦井生產(chǎn)安全事故，為此加強(qiáng)煤礦礦井水文系統(tǒng)的監(jiān)測具有十分重要的意義。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，一種以STM32微處理器為核心的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)被開發(fā)和利用，基于STM32微處理器技術(shù)的信息平臺(tái)將水位、水溫、水壓和流量等水文信息通過智能傳感器監(jiān)測再通過RS-485總線傳送，并可以通過以太網(wǎng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對礦井水文情況進(jìn)行系統(tǒng)性、科學(xué)性以及實(shí)時(shí)性監(jiān)測。

1 水文監(jiān)測系統(tǒng)的組成

礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)組成包括傳感器系統(tǒng)（其中包括智能水位傳感器、智能水壓傳感器以及智能水位移傳感器）、通信線路、監(jiān)測分站、通信接口以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。各類傳感器完成對水文系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)監(jiān)測，并通過總線和通信電纜進(jìn)行傳輸，最終進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測系統(tǒng)各項(xiàng)功能的核心，功能實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容包括各項(xiàng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，測量間隔的任意設(shè)定，可查的歷史數(shù)據(jù)和曲線，數(shù)據(jù)報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)等。水文監(jiān)測系統(tǒng)儲(chǔ)存、計(jì)算、處理并完成報(bào)警的數(shù)據(jù)一般包括：礦井各含水層的水位水壓變化情況；礦井降水量及涌水量變化；礦井受害地點(diǎn)水文變化情況；礦井防水設(shè)備的維護(hù)情況；礦井排水系統(tǒng)的工況運(yùn)行情況以及礦井周圍地面地質(zhì)鉆孔水位及水溫變化情況。經(jīng)過多年的發(fā)展我國的水文監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，尤其是在江河湖泊泥沙流域等的水文監(jiān)測已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。但是在煤礦行業(yè)當(dāng)中的水文監(jiān)測系統(tǒng)方面依然還需諸多地方地方得到提高。主要體現(xiàn)在水文監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性不夠理想，上層服務(wù)器數(shù)據(jù)處理的配套系統(tǒng)還不夠先進(jìn)，在一些領(lǐng)域應(yīng)經(jīng)無法滿足煤礦產(chǎn)業(yè)的水文監(jiān)測要求，因此必須要建立和建設(shè)一種基于STM32的礦漿水文監(jiān)測系統(tǒng)。

2 STM32對礦井水文監(jiān)測的改進(jìn)和應(yīng)用

STM32是一種高性能ARM Cortex-M內(nèi)核微處理器，其主要的優(yōu)點(diǎn)是高性能、低功耗?；赟TM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)是一種充分利用先進(jìn)傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù)的綜合性技術(shù)，其主要是利用先進(jìn)的傳感技術(shù)將井下水溫、水壓、水位、及流量等巷道充水性和礦井涌水量等水文數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，測得的數(shù)據(jù)再通過現(xiàn)場總線技術(shù)、微處理器技術(shù)以及以太網(wǎng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，按照相關(guān)的工藝要求等進(jìn)行處理分析，從而實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)對于礦井水文信息的監(jiān)測，同時(shí)也能夠?yàn)槊旱V企業(yè)在生產(chǎn)過程中提供水害威脅報(bào)警，進(jìn)而保證煤礦企業(yè)的安全高效生產(chǎn)。

基于STM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)一般多采用多層次網(wǎng)絡(luò)配置。第一層便是通過RS-485總線將各部分的智能傳感器采集來的水文數(shù)據(jù)傳送給通信分站，該通信分站就是以STM32為基礎(chǔ)建立的平臺(tái)。第二層便是將采集來的水文信息數(shù)據(jù)通過RS-485再次傳到以太網(wǎng)模塊當(dāng)中去進(jìn)而發(fā)送給第三層的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成為了數(shù)據(jù)的終端，依據(jù)接收到的信息數(shù)據(jù)建立各種水文信息監(jiān)測和預(yù)警模型，通過模型的計(jì)算，便可以利用得到的計(jì)算指數(shù)和結(jié)果判斷一些事故發(fā)生的可能性并發(fā)出預(yù)警。此外這些數(shù)據(jù)還能進(jìn)行記錄和保存，技術(shù)人員可以通過查詢和分析歷史數(shù)據(jù)進(jìn)而進(jìn)行精度分析和判斷。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，其功能還可以延伸至互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展?；赟TM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的主要參數(shù)一般包括：系統(tǒng)的巡檢周期小于30s；采用RS-485的總線以及工業(yè)以太網(wǎng)的接口形式；智能傳感器數(shù)目可達(dá)到80個(gè)；采用異步通信的方式以及四芯通信電纜速率可達(dá)15200bps，誤碼率小于0.000001。因此便可以在較短的時(shí)間內(nèi)甚至實(shí)時(shí)的監(jiān)測礦井的降水量，水域流量變化以及礦井含水層水位及水壓的變化。礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)水文綜合變化情況對礦井所可能遭到的危害進(jìn)行提前預(yù)警，這不僅達(dá)到監(jiān)測的目的，更保證了礦井的安全生產(chǎn)。

3 礦井水文應(yīng)用STM32單片機(jī)技術(shù)改善后的優(yōu)勢

基于STM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)相比較，其在設(shè)計(jì)和功能上具有十分突出的優(yōu)勢?；赟TM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)不僅擁有通用的通信分站、組網(wǎng)等功能，更為重要的是其因擁有高性能ARM Cortex-M內(nèi)核微處理器使得信息數(shù)據(jù)的采集速度得到了飛速提高，并且減輕了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作負(fù)載。采用RS-485總線通信的方式將智能傳感器采集的信息數(shù)據(jù)傳送給通信分站，數(shù)字信號(hào)在沒有改變形式的情況下直接傳送，從而提高了各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的可靠性。采取該方式的另一項(xiàng)優(yōu)勢便是使得智能傳感器以及通信分站在安裝位置上可以不受模擬信號(hào)傳輸?shù)木嚯x限制，因而增強(qiáng)了基于STM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的整體靈活性。

由于STM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)建立了通信分站因此其可以RS.485和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)智能傳感器測量的水文參數(shù)傳送給上位機(jī)，由于系統(tǒng)配備了高性能ARM Cortex-M內(nèi)核微處理器因此其具備了建立突水模型的條件。這樣一來上位機(jī)便可以利用STM32單片機(jī)的強(qiáng)大功能優(yōu)勢使得突水模型起到數(shù)據(jù)測量、傳輸、計(jì)算處理以及報(bào)警的功能。由于突水模型的建立以及STM32單片機(jī)的應(yīng)用，使得水文數(shù)據(jù)可以直接在服務(wù)器當(dāng)中進(jìn)行讀寫和處理。這樣便可以快速運(yùn)行算得出突水指數(shù)。在生產(chǎn)實(shí)際的過程中，利用生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)將突水指數(shù)設(shè)定一些閥值，這樣便可以將煤礦作業(yè)區(qū)劃分為突水危險(xiǎn)區(qū)、可能突水區(qū)和安全區(qū)三類，這樣通過檢測數(shù)據(jù)計(jì)算得出的情況與實(shí)際情況相互對比，進(jìn)而逐步建立正確的模型。由于在這一過程當(dāng)中需要海量的數(shù)據(jù)反復(fù)進(jìn)行運(yùn)算和對比而這一切都離不開基于STM32單片機(jī)的超強(qiáng)計(jì)算能力，如果沒有基于STM32單片機(jī)系統(tǒng)，礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的突水模型將很難被建立。

4 結(jié)束語

綜上所述，基于STM32的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)是一種可以高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確采集和處理礦井水文信息數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享的信息系統(tǒng)。由于所有數(shù)據(jù)均通過數(shù)字信號(hào)傳送，STM32單片機(jī)的超強(qiáng)計(jì)算能力使得其安全可靠性得到大幅提升，建立的可編程模型使得該系統(tǒng)可以對一些典型事故進(jìn)行預(yù)警，并對礦井水文的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，從而充分及時(shí)的掌握礦井水文動(dòng)態(tài)，這一平臺(tái)不僅提高了水文監(jiān)測工作的效率和可靠性，更為重要的是它能為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)提供更堅(jiān)實(shí)的保障。

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