基于Cortex－M3的井下報(bào)警及定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 瑩

(渭南師范學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，陜西渭南714099)

近年來(lái)，全國(guó)煤炭產(chǎn)量迅速攀升，由2001年的1.1×1012kg上升到2014年的3.87×1012kg.與此同時(shí)，不斷發(fā)生的各類(lèi)煤礦事故造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2001—2013年全國(guó)煤礦共發(fā)生各類(lèi)死亡事故30 487起，死亡人數(shù)達(dá)52 329人，引起了社會(huì)乃至國(guó)際上的廣泛關(guān)注［1］.在頻發(fā)的煤礦安全事故中，瓦斯爆炸占了很大一部分.因此，如何實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯爆炸的早期預(yù)測(cè)及預(yù)報(bào)，消除因瓦斯爆炸造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失就變得尤為重要.本文提出了一種智能井下預(yù)警及求救系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)以Cortex－M3為控制核心，采用ZigBee無(wú)線組網(wǎng)和CAN總線技術(shù)通信，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下各種環(huán)境參數(shù)，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將向礦工及監(jiān)控中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以降低礦難事故發(fā)生的概率，提高礦井的事故預(yù)防能力.

1 系統(tǒng)框架及功能

作為一個(gè)集預(yù)警、求助、定位于一體的智能型預(yù)警裝置，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能:一是用于檢測(cè)井下作業(yè)人員所處的環(huán)境狀況，包括甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、煙霧、溫度、光照等5個(gè)環(huán)境參數(shù)，并能夠?qū)崟r(shí)地將各測(cè)量值發(fā)送到地面監(jiān)控中心的主控計(jì)算機(jī)上顯示和記錄，當(dāng)某個(gè)環(huán)境參數(shù)超過(guò)閾值時(shí)能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒作業(yè)人員注意;二是向周?chē)鳂I(yè)人員發(fā)出信號(hào)，引導(dǎo)周?chē)藛T前來(lái)救助;三是實(shí)時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)出遇困人員的求救信號(hào)和位置信息，以便遇困人員及時(shí)得到解救.

系統(tǒng)框圖如圖1所示.每個(gè)井下作業(yè)人員均配備有一個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，在礦井通道的不同位置放置一些轉(zhuǎn)發(fā)器，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)器都有唯一的ID號(hào).井下作業(yè)人員在移動(dòng)過(guò)程中，身上所攜帶的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)地與距離它最近的轉(zhuǎn)發(fā)器之間形成一個(gè)臨時(shí)的傳感器網(wǎng)絡(luò).傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地采集環(huán)境參數(shù)，如果超過(guò)閾值，將通過(guò)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲以提醒井下作業(yè)人員注意.同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的環(huán)境參數(shù)和其自身的ID組成一個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)幀發(fā)送到轉(zhuǎn)發(fā)器.轉(zhuǎn)發(fā)器收到來(lái)自于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀后，在數(shù)據(jù)幀前面加上自身ID，按照CAN總線協(xié)議規(guī)范的要求，組成一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀發(fā)送到CAN總線上.MCU主控制器收到CAN總線上傳送來(lái)的數(shù)據(jù)幀后，將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成能夠通過(guò)串口或者以太網(wǎng)方式傳送的串口幀或者以太網(wǎng)幀發(fā)送到地面主控計(jì)算機(jī).當(dāng)環(huán)境參數(shù)值超過(guò)閾值時(shí)，主控計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，以提醒地面監(jiān)控人員注意.此外，主控計(jì)算機(jī)中將記錄任意時(shí)刻收到的數(shù)據(jù)，為發(fā)生事故之后對(duì)事故原因分析提供依據(jù).由于轉(zhuǎn)發(fā)器的位置相對(duì)固定，而ZigBee無(wú)線通信距離有限，因此，監(jiān)控中心從接收到的數(shù)據(jù)中，不僅能解析出井下環(huán)境參數(shù)，而且可以獲知作業(yè)人員當(dāng)前所處的大致位置，這也為發(fā)生礦難之后的營(yíng)救工作提供了一定的參考依據(jù).

圖1 系統(tǒng)方案框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU 主控制器

主控制器選擇TI公司Cortex－M3系列的LM3S9B96微處理器，該芯片支持CAN2.0協(xié)議，通信速率最高可達(dá)1 Mbps;支持32個(gè)擁有獨(dú)立標(biāo)識(shí)的消息對(duì)象，完全滿(mǎn)足CAN總線上數(shù)據(jù)的收發(fā)要求;支持串口和以太網(wǎng)，便于同PC機(jī)通信并進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)［2］.

2.2 CAN 總線

CAN總線作為一種串行通信協(xié)議，具有如下幾個(gè)方面特點(diǎn):(1)成本低，易于架設(shè)，可隨著采礦的不斷深入而逐漸延伸;(2)通信距離遠(yuǎn)，在5 Kbps的傳輸速率下通信距離可達(dá)10 km，通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)能夠進(jìn)一步擴(kuò)大其通信范圍;(3)使用差分電壓通信，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合在井下這種環(huán)境惡劣的條件下使用;(4)網(wǎng)絡(luò)容量大，標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線使用11位作為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，能夠支持2 048個(gè)節(jié)點(diǎn)，而擴(kuò)展格式時(shí)使用29位作為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，大大增加了所支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)目.

2.3 ZigBee無(wú)線通信

ZigBee是一種低成本、低功耗、低速率的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接.它采用IEEE802.15.4無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，可在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信.這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳遞到另一個(gè)傳感器，通信效率高［3］.由于井下作業(yè)人員具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，而ZigBee的網(wǎng)絡(luò)自組織功能能夠自動(dòng)斷開(kāi)已建的網(wǎng)絡(luò)并切換到新的網(wǎng)絡(luò)，從而便于工人從一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器網(wǎng)絡(luò)切換到另一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器網(wǎng)絡(luò).系統(tǒng)中ZigBee節(jié)點(diǎn)的主控芯片選用CC2530，該芯片內(nèi)置工業(yè)級(jí)的8051內(nèi)核，可實(shí)現(xiàn)各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)的采集.

2.4 SPI總線轉(zhuǎn)CAN總線模塊

由于ZigBee轉(zhuǎn)發(fā)器模塊不具備CAN總線接口，不能夠直接連到CAN總線上，因此，需要在ZigBee轉(zhuǎn)發(fā)器模塊與CAN總線之間添加一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊.本設(shè)計(jì)中采用MCP2515和TJA1050相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案［4］.MCP2515 CAN總線接口電路如圖2所示，圖中省略了MCP2515和Cortex－M3的接口部分.為提高數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的抗干擾能力，在MCP2515與CAN總線收發(fā)器TJA1050之間采用高速光耦進(jìn)行完全的電氣隔離.此外，TJA1050的CANH和CANL引腳與地之間連接2個(gè)30 pF左右的電容，可以過(guò)濾CAN總線上的高頻干擾;2個(gè)二極管可以在總線電壓發(fā)生瞬變干擾時(shí)起到保護(hù)作用.

2.5 傳感器及報(bào)警電路

系統(tǒng)中，井下作業(yè)人員攜帶的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括環(huán)境參數(shù)采集電路和報(bào)警電路.由于瓦斯的主要成分包括甲烷(CH4)和一氧化碳(CO)，需對(duì)這兩種氣體的濃度進(jìn)行檢測(cè)，一旦達(dá)到閾值，將啟動(dòng)報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào).此外，為了更好地了解井下作業(yè)環(huán)境，可同時(shí)對(duì)煙霧濃度、光照強(qiáng)度、溫度3個(gè)參數(shù)進(jìn)行采集，地面監(jiān)控中心的主控計(jì)算機(jī)上可以實(shí)時(shí)顯示任一井下作業(yè)人員所處環(huán)境的這5個(gè)參數(shù).

圖2 MCP2515 CAN總線接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控軟件設(shè)計(jì)

基于Cortex－M3的主控軟件需完成的功能包括:(1)接收CAN總線上的數(shù)據(jù)幀，并將其轉(zhuǎn)換成能在串口或者以太網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式;(2)根據(jù)傳輸方式的設(shè)置，將數(shù)據(jù)通過(guò)串口或者以太網(wǎng)傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī);(3)通過(guò)串口接收從計(jì)算機(jī)發(fā)出的測(cè)量請(qǐng)求，并將其轉(zhuǎn)換成適合在CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀;(4)Shell負(fù)責(zé)接收從串口或者以太網(wǎng)傳送來(lái)的調(diào)試命令，并返回執(zhí)行結(jié)果.

3.2 PC端監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

主控計(jì)算機(jī)需要完成的任務(wù)主要包括:(1)根據(jù)監(jiān)控人員需要通過(guò)串口或者以太網(wǎng)方式連接到MCU主控制器;(2)允許監(jiān)控人員根據(jù)實(shí)際情況添加或刪除節(jié)點(diǎn).考慮到不同井下作業(yè)人員作業(yè)范圍不同，為各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置允許的環(huán)境測(cè)量值;(3)監(jiān)控人員可以設(shè)置各個(gè)節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)的閾值，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)閾值時(shí)通過(guò)報(bào)警裝置通知監(jiān)控人員;(4)在收到井下作業(yè)人員的求救信號(hào)之后通過(guò)報(bào)警裝置通知監(jiān)控人員;(5)記錄所有接收到的環(huán)境參數(shù)測(cè)量值，并根據(jù)需要增加繪制各測(cè)量值的波形圖譜功能，方便以后查看和研究分析;(6)為了方便監(jiān)控人員的操作，提供配置文檔的保存和加載功能.

圖3 濾波效果

3.3 噪聲抑制軟件設(shè)計(jì)

由于傳感器在測(cè)量周?chē)h(huán)境參數(shù)時(shí)會(huì)受到一些突發(fā)因素的影響，從而導(dǎo)致測(cè)量得到的數(shù)據(jù)中會(huì)有一些噪點(diǎn)，如果直接使用這些數(shù)據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)警，為避免這種情況出現(xiàn)，有必要對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波.考慮到效果和實(shí)現(xiàn)上的難易程度，設(shè)計(jì)中采用一維均值濾波法［5］.Matlab仿真結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出濾波之后的數(shù)據(jù)變得比較平滑，大部分噪點(diǎn)都被濾除.

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行界面

主控計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面如圖4所示，在實(shí)驗(yàn)室中模擬井下環(huán)境，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置1個(gè)協(xié)調(diào)器和3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，采集溫度、光強(qiáng)、CO濃度、CH4濃度和煙霧濃度等環(huán)境參數(shù).測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行正常.

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行界面

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用有線通信(CAN總線)和無(wú)線通信(ZigBee)相結(jié)合的方式，克服了有線通信方式移動(dòng)性能差以及無(wú)線通信方式通信距離受限并容易產(chǎn)生多徑干擾的缺點(diǎn)，保證了在發(fā)生坍塌事故時(shí)，只要CAN總線未被完全壓斷并且井下作業(yè)人員周?chē)锌捎玫霓D(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，依然能夠和地上監(jiān)控中心取得聯(lián)系，為井下作業(yè)人員的安全提供了可靠的保障，可有效降低礦井事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn).

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