低功耗遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 杰，席志成，汪 嵩

（1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430000；2.武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430000）

0 引言

煤礦井下條件十分復(fù)雜，水、火、瓦斯、粉塵、頂板等諸多因素都嚴(yán)重威脅著煤礦工人的生命安全，因此實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦井下的這些危險(xiǎn)因素，對(duì)于掌控井下環(huán)境，制定相應(yīng)的安全防護(hù)措施，保證煤礦工人的生命安全極其重要[1]。本文設(shè)計(jì)的井下遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，就是針對(duì)礦井的復(fù)雜工作情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控井下的瓦斯?jié)舛?，氧氣濃度，粉塵濃度，溫度等關(guān)鍵量。

目前，傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)線(xiàn)路龐雜，可靠性差，功耗高，成本較高，且維護(hù)困難，擴(kuò)展性差[2]。針對(duì)這些問(wèn)題，本文基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[3]，設(shè)計(jì)了一種新型低功耗井下遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)由井下單元節(jié)點(diǎn)處的智能檢測(cè)裝置、無(wú)線(xiàn)通信總線(xiàn)及終端設(shè)備三部分組成，監(jiān)控系統(tǒng)將每一個(gè)井下單元的監(jiān)控信息通過(guò)無(wú)限通信總線(xiàn)實(shí)時(shí)反饋給地面監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)反饋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并作出有效判決，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌控井下復(fù)雜環(huán)境的目的。當(dāng)某一監(jiān)控量的值超過(guò)給定的安全范圍時(shí)，在節(jié)點(diǎn)處和監(jiān)控中心同時(shí)報(bào)警，提示工作人員采取相應(yīng)的緊急處理措施。采用無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現(xiàn)信息交換，不需復(fù)雜的線(xiàn)路，可提高系統(tǒng)可靠性；采用分布式結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)化管理，易于系統(tǒng)維護(hù)及監(jiān)控單元的擴(kuò)展。針對(duì)無(wú)線(xiàn)通信裝置具有獨(dú)立電源、壽命短及在礦井下更換電池困難等問(wèn)題，本文通過(guò)選擇低功耗芯片，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的低功耗模式程序，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)非工作時(shí)智能檢測(cè)裝置進(jìn)入節(jié)能等待模式，從而降低系統(tǒng)的功耗，大大延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)，對(duì)該系統(tǒng)的有效性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

低功耗井下遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，主要由節(jié)點(diǎn)處的智能檢測(cè)裝置、無(wú)線(xiàn)通信及終端設(shè)備三部分組成，如圖1所示。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)智能檢測(cè)裝置，它包括傳感器組、單片機(jī)控制單元及無(wú)限通信接口單元。傳感器組可以檢測(cè)礦井的瓦斯?jié)舛取⒀鯕鉂舛?、粉塵濃度、溫度等關(guān)鍵量。由單片機(jī)控制單元對(duì)檢測(cè)到的物理量信息進(jìn)行分析處理，并將處理信息及決策結(jié)果通過(guò)無(wú)限通信接口輸出，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信總線(xiàn)將數(shù)據(jù)輸入終端設(shè)備。

終端設(shè)備（即上位機(jī)）由計(jì)算機(jī)和GSM模塊組成。通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)傳輸而來(lái)的信息進(jìn)行綜合分析，在上位機(jī)軟件界面上展示各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控信息，顯示個(gè)節(jié)點(diǎn)處的安全狀態(tài)及相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)警，且將相應(yīng)的監(jiān)控信息及處理結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，上位機(jī)除了可接收監(jiān)控信息外，也可以向其授權(quán)的節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送設(shè)控和撤控等指令，通過(guò)上位機(jī)軟件，可以設(shè)置某一節(jié)點(diǎn)為監(jiān)控對(duì)象，也可以取消對(duì)某一節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

2 系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

STM8S105C6采用高級(jí)STM8內(nèi)核，具有三級(jí)流水線(xiàn)哈佛結(jié)構(gòu)，支持?jǐn)U展指令集，最高處理速度16MHZ，支持多串口通信，支持10位ADC數(shù)據(jù)采集，支持PWM輸出，具有強(qiáng)大的I/O功能[4]。另外，STM8S105C6支持多個(gè)定時(shí)器中斷，看門(mén)狗定時(shí)器，spi總線(xiàn) ，I2C總線(xiàn)，外部中斷。實(shí)際應(yīng)用中，在不需要CPU運(yùn)行，例如等待某外部事件時(shí)，該芯片具有的幾個(gè)低功耗模式可用來(lái)節(jié)省能耗。STM8產(chǎn)品具有的3種主要低功耗模式如下：

1）等待模式：CPU停止工作，其他外部設(shè)備正常工作。

2）活躍停機(jī)模式：運(yùn)行模式和停機(jī)模式之間的一種“混合”模式，進(jìn)入活躍停機(jī)模式時(shí)，AWU計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，AWU中斷會(huì)根據(jù)配置好的固定時(shí)間間隔周期性的喚醒CPU，一旦產(chǎn)品回到運(yùn)行狀態(tài)，AWU計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

3）停機(jī)模式：所有設(shè)備停止工作。

由于使用的智能檢測(cè)裝置安裝在礦井下的各個(gè)位置，特殊的工作環(huán)境要求智能檢測(cè)裝置能夠自動(dòng)完成檢測(cè)任務(wù)，無(wú)需看守及人工維護(hù)，所以為了保證該裝置能夠長(zhǎng)期工作，在監(jiān)控系統(tǒng)不工作或者不需更新數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置板子進(jìn)入節(jié)能狀態(tài)下的等待模式；當(dāng)需要正常工作時(shí)，由內(nèi)部或外部中斷將STM8芯片喚醒進(jìn)入正常工作模式，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后自動(dòng)進(jìn)入等待模式。

2.2 無(wú)線(xiàn)通信芯片

無(wú)線(xiàn)通信模塊選用西門(mén)子公司GSM雙模無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊TC35，該模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，支持語(yǔ)音和短消息的傳輸[5]，支持RS232通訊接口，工作溫度為-20℃～+55℃，由天線(xiàn)連接器連接外部天線(xiàn)。

2.3 低功耗實(shí)現(xiàn)電路

圖2 TC35通斷電控制電路

由于TC35在檢測(cè)到基站信號(hào)后具有高達(dá)50mA工作電流，為降低功耗，故在非工作狀態(tài)是不應(yīng)該給TC35持續(xù)供電，為此，需要一個(gè)控制電路控制是否給其供電，當(dāng)需要發(fā)送無(wú)限通信信號(hào)時(shí)，通過(guò)觸發(fā)信號(hào)使TC35通電正常工作；當(dāng)信號(hào)發(fā)送完成后，TC35實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電，實(shí)現(xiàn)降低功耗的功能。具體的控制電路如圖2所示。當(dāng)PB8是低電平時(shí)，兩個(gè)三極管都不通，Vout=0v，TC35處于斷電不工作狀態(tài)；當(dāng)PB8置高電平時(shí)，兩個(gè)三極管都導(dǎo)通，Vout=Vin，TC35處于通電正常工作狀態(tài)。

2.4 數(shù)據(jù)采樣電路

智能檢測(cè)裝置中的傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)，周?chē)囊恍└蓴_信號(hào)對(duì)采樣精度的影響較大，為此，外圍電路中加入了π形濾波電路、濾波去耦電路，并通過(guò)放大器將采樣信號(hào)進(jìn)行放大，提高采樣精度。采樣電路如圖3所示。

圖3 采樣電路圖

2.5 控制系統(tǒng)硬件組成

控制板主要由STM8S105C6、TC35和串口芯片max3223等組成，其中STM8S105C6負(fù)責(zé)從傳感器采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理；TC35負(fù)責(zé)識(shí)別SIM卡和上位機(jī)通信；max3223負(fù)責(zé)主控器和TC35之間的通信，具體硬件組成如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件組成圖

2.6 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

ARM公司為STM8提供了一個(gè)非常友好的開(kāi)發(fā)平臺(tái)：keil，該平臺(tái)支持程序燒寫(xiě)、在線(xiàn)仿真、內(nèi)存查看等功能，為實(shí)現(xiàn)STM8控制功能，軟件流程圖如圖5所示。

圖5 下位機(jī)軟件流程圖

其中數(shù)據(jù)采用并均值濾波的流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采樣流程圖

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是監(jiān)控中心統(tǒng)一管理調(diào)度的軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)礦井每一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的具體工作環(huán)境，為相應(yīng)的安全措施提供信息支持。為實(shí)現(xiàn)串口通訊功能，采用C#語(yǔ)言編寫(xiě)。其N(xiāo)et.Framework為應(yīng)用程序訪問(wèn)Internet提供了分層的、可擴(kuò)展的以及受管轄的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。串口中斷服務(wù)程序主要是完成計(jì)算機(jī)對(duì)嵌入式客戶(hù)端進(jìn)行參數(shù)的配置，其收到的數(shù)據(jù)報(bào)只有一種格式，因此利用C#提供的串口標(biāo)準(zhǔn)通訊函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)GSM模塊通信功能。

上位機(jī)軟件界面上展示了各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)后臺(tái)代碼設(shè)置，節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)5分鐘自動(dòng)更新一次，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)給定的安全范圍時(shí)，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的安全狀態(tài)顯示為危險(xiǎn)，同時(shí)在報(bào)警提示信息欄中顯示對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)信息和節(jié)點(diǎn)編號(hào)；通過(guò)重新設(shè)定按鈕，可以設(shè)定各個(gè)監(jiān)測(cè)量的安全范圍值。操作界面的具體形式如圖7所示。

圖7 上位機(jī)軟件操作界面

4 結(jié)論

為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性和可靠性，將6個(gè)節(jié)點(diǎn)單元和一臺(tái)終端機(jī)連接起來(lái)，構(gòu)建了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)模擬井下遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)不斷改變節(jié)點(diǎn)單元周?chē)沫h(huán)境，測(cè)試上位機(jī)界面上的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化情況，及相應(yīng)的報(bào)警提示信息；將節(jié)點(diǎn)處的主控制單元外接電流表，測(cè)其電流變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常，反應(yīng)靈敏，沒(méi)有發(fā)生任何擁塞現(xiàn)象，也未發(fā)生虛警和漏檢。當(dāng)主控制單元需要采集數(shù)據(jù)，正常工作時(shí)，其電流值為80mA，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，進(jìn)入等待狀態(tài)時(shí)，其電流值為6uA，可見(jiàn)，系統(tǒng)滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)的低功耗要求。

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