基于STM32的礦井環(huán)境分布式檢測系統(tǒng)研究

賀洪江，劉春成，任建濤

（1.河北工程大學 裝備制造學院，邯鄲 056038；2.河北工程大學 信息與電氣工程學院，邯鄲 056038）

井下環(huán)境監(jiān)測是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法采用人工檢測，檢測人員周期性地定點巡回測量。這種監(jiān)測方式時間間隔大，監(jiān)測點分布不均勻，已不適應當前礦井環(huán)境檢測要求。由于井下環(huán)境管理不善所帶來的CO中毒、粉塵爆炸等災難，會給企業(yè)帶來無法挽回的經(jīng)濟損失[1]。因此有必要開發(fā)一套適合煤炭井下的精度高、誤差小的自動化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

本系統(tǒng)以井下環(huán)境監(jiān)測需求為出發(fā)點，結(jié)合實時環(huán)境監(jiān)測的功能要求，以井下空氣質(zhì)量檢測參數(shù)CO和溫濕度為例，開發(fā)了以傳感適配器和STM32微控制器為下位機、PC為上位機的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。通過CAN總線實現(xiàn)了多點分布、集中監(jiān)控，開發(fā)了監(jiān)測精度高、易于擴展、能夠?qū)崟r多點監(jiān)控井下環(huán)境的實用系統(tǒng)。

1 環(huán)境檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

環(huán)境檢測系統(tǒng)采用下位機和上位機2層結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1所示。下位機是基于STM32處理器的數(shù)據(jù)采集終端，主要功能是數(shù)據(jù)采集和信號處理。終端通過CAN總線[2]與上位機通信。實時發(fā)送CO濃度、溫濕度、報警等信息至上位機。

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of environmental monitoring system

監(jiān)控中心以PC監(jiān)控主機作為上位機，對整個監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行存儲，可遠程控制系統(tǒng)采集終端。下位機和上位機2部分協(xié)同工作，完成對環(huán)境質(zhì)量多點多參數(shù)的監(jiān)測任務。PC監(jiān)控主機接收到警報信息、數(shù)據(jù)進行二次比對，防止誤報，超出閾值上位機報警，實時告知管理人員井下基本情況，同時顯示時間、地點和環(huán)境指標等報警信息，管理人員在地面的監(jiān)測中心就能對整個井下環(huán)境質(zhì)量了如指掌。

2 檢測系統(tǒng)下位機硬件設(shè)計及工作原理

下位機硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由STM32微控制器、防爆電源模塊、顯示模塊、撥碼開關(guān)、CO濃度檢測（EC805-CO）、溫濕度采集模塊 SHT11、CAN總線等模塊組成。

下位機將采集的信號轉(zhuǎn)換成STM32可識別的數(shù)字信號并裝入數(shù)組，再進行歸一化加權(quán)算法處理，提高精確度；最終數(shù)據(jù)與終端的閾值進行對比，高出閾值報警，然后通過CAN總線向遠端上位機發(fā)送數(shù)據(jù)；低于閾值，數(shù)據(jù)直接上傳至上位機，完成后繼續(xù)處理下一個數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)終端硬件結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the hardware structure of the system terminal

2.1 下位機電源電路

設(shè)計采用KDW127/12防爆電源對下位機進行供電，重點解決現(xiàn)場電源與備用電源的無縫切換問題?，F(xiàn)場電路工作正常時，處理器采用井下現(xiàn)場127 V進行供電，蓄電池做備用電源。為保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，本文采用4個超級電容設(shè)計了下位機的內(nèi)部供電系統(tǒng)。保證現(xiàn)場電路和備用電池之間無縫切換。 供電電路如圖 3 所示，R100對 C401，C402，C403，C404充電電流進行限制；C401，C402，C403，C404作為現(xiàn)場電路事故時持續(xù)為控制器供電的電源，最長供電時間可達400 s。

圖3 下位機供電電路Fig.3 Lower computer power circuit

2.2 CO濃度監(jiān)測電路設(shè)計

EC805-CO模塊采用TTL串口輸出，電化學檢測方式，檢測范圍大（0～500 ppm），無需預熱，可靠穩(wěn)定，因此采用EC805-CO對CO進行采集。EC805-CO模塊是TTL串口輸出，所以EC805-CO的4引腳RX與STM32的PA9連接，3引腳與STM32的PA10連接，2引腳接地，1引腳接電源+5 V。電路應用如圖4所示。

圖4 CO濃度監(jiān)測電路Fig.4 Carbon monoxide concentration monitoring circuit

2.3 溫濕度采集電路

下位機溫濕度傳感器采用SHT11芯片。該傳感器單總線設(shè)計，接口電路簡單，直接輸出數(shù)字信號，測量精度高、抗干擾能力強。SHT11傳感器2腳DATA與STM32的PB6相連加10 k上拉電阻，3腳SCK與PB7連接，VDD和GND之間連接去耦電容。通過STM32控制就可采集到相應的溫濕度[3]。 SHIT11芯片電路應用如圖5所示。

圖5 溫濕度采集電路Fig.5 Temperature and humidity sampling circuit

2.4 繼電器控制電路

該下位機采用歐姆龍/MK3HP防爆繼電器，控制電路采用光電耦合器與現(xiàn)場電路電氣隔離，防止紋波干擾。當現(xiàn)場電路發(fā)生停電、閃斷、短路等異常情況時，STM32控制對應輸出端口，光耦9腳輸出高電平，R32是基極偏置電阻，給三極管基極提供偏置電流；三極管飽和時，控制繼電器閉合，線路斷開，實現(xiàn)電源切換；如果現(xiàn)場電網(wǎng)故障沒有排除，則繼電器斷開狀態(tài)保持，由備用電池組繼續(xù)供電。D6為續(xù)流二極管，C15為濾波電容。繼電器控制電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 繼電器控制Fig.6 Relay controlling circuit

2.5 CAN總線硬件設(shè)計

硬件電路如圖7（a）所示。CAN收發(fā)器采用PCA82C250，采用6N137光耦進行電氣隔離，防止網(wǎng)絡(luò)因故障燒毀主控芯片。PCA82C250是一款高速CAN收發(fā)器芯片，兼容ISO/DIS 11891標準，具有接口簡單、體積小、性能可靠的優(yōu)點。該模塊的主要功能是將邏輯電平轉(zhuǎn)換為差分電平。CAN總線傳輸差分信號，為防止因電阻匹配問題引起的信號反射，在網(wǎng)絡(luò)的兩端加上120 Ω的終端電阻。

U3接收端IN+端采用MORNSUN B0505S5V/5 V隔離，防止旁路對CAN總線產(chǎn)生紋波干擾，如圖7（b）所示。

圖7 CAN總線硬件Fig.7 CAN-Bus hardware

3 軟件設(shè)計

環(huán)境監(jiān)控終端的軟件設(shè)計，直接影響到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。監(jiān)控中心和下位機距離不確定，最遠端可達十幾公里。針對這種特殊情況，設(shè)計采用LCAN-FOB總線型CAN轉(zhuǎn)光纖設(shè)備進行遠距離通信，該設(shè)備已做防爆處理，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，符合井下使用標準。

3.1 CAN協(xié)議的選擇

CAN協(xié)議已成為工業(yè)控制領(lǐng)域標準通信協(xié)議之一，通過該協(xié)議，可以把不同廠商的設(shè)備組網(wǎng)，實現(xiàn)集中控制。

根據(jù)DSA-123 CAN網(wǎng)傳輸規(guī)約，CAN2.0協(xié)議有標準幀和擴展幀2種工作模式，本系統(tǒng)采用CAN2.0B標準幀[4]。幀格式如表1所示，CAN2.0B標準幀ID為11位，可管理200多臺下位機，下位機每幀1次可傳輸8個字節(jié)有效數(shù)據(jù)。

表1 幀格式結(jié)構(gòu)示意Tab.1 CAN-Bus data frame format

下位機首次開機，為保證與上位機信息同步，先與上位機系統(tǒng)進行時間同步?，F(xiàn)在上位機是2015-06-01T7：13：24：33。 時間存放在 8 個寄存器中，精確到毫秒，轉(zhuǎn)換成16進制，則上述時間存儲為07DF 06 01 07 0D 18 00 21。則上位機發(fā)送校時廣播命令，格式為

ID28—ID21：1111 1111 目標地址：廣播地址

ID20—ID19：00 保留位 置0

ID18—ID13：00 0000 幀號 0

ID12—ID5：0000 0000 源地址：管理單元地址

ID2—ID0：00 0 幀類型：校時幀

X X X：000 保留位 置0

DATA0=07DF （0-99）BIN 年

DATA1=06 （1-12）BIN 月

DATA2=01 （1-31）BIN 日

DATA3=07 （0-23）BIN 時

DATA4=0D （0-59）BIN 分

DATA5=18 （0-59）BIN 秒

DATA6=00 （0-999）BIN 毫秒高位

DATA7=21 毫秒低位

3.2 下位機控制程序

下位機終端采用定時中斷方式對傳感器數(shù)據(jù)Ti進行采集。為防止下位機由于某些特殊情況造成誤報錯報，提高采集準確度，本設(shè)計采用歸一化加權(quán)平均法對采集的溫濕度和CO數(shù)據(jù)進行處理。如果采用普通的平均值算法，只是把誤差進行了平均化，所以得到的最終處理結(jié)果精確度不高。歸一化加權(quán)平均值算法是利用計算數(shù)據(jù)的加權(quán)值進行數(shù)據(jù)處理，該方法精度高、計算量小、實現(xiàn)簡單，因此本系統(tǒng)采用歸一化加權(quán)平均算法對采集數(shù)據(jù)進行處理[5]。具體過程如下：

1）采集數(shù)據(jù) Ti（i∈［1，n］）進行平均值處理

2）計算每個數(shù)據(jù)相對平均值Tˉ的偏差量 ΔTi（i∈［1，n］）

3）將偏差量 ΔTi代入權(quán)值函數(shù) F（T）作歸一化處理得到 ΔUi（i∈［1，n］）

4）由歸一化的偏差量得到加權(quán)值 Ui（i∈［1，n］）

5）由上述加權(quán)值最終得到平均值Uˉ

計算得到的物理量與系統(tǒng)STM32存儲器中的閾值進行比較，當超過閾值時，即環(huán)境對應指標超限，觸發(fā)子程序，聲光報警，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。下位機工作流程如圖8所示。

3.3 上位機工作流程和程序設(shè)計

上位機系統(tǒng)采用VC++6.0開發(fā)，SQL數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行管理，通過調(diào)用API函數(shù)實現(xiàn)CAN的數(shù)據(jù)收發(fā)，完成通信工作。上位機模塊化設(shè)計包括CAN通信、數(shù)據(jù)處理、人機交互界面3大部分。

CAN通信和數(shù)據(jù)處理工作流程如圖9所示，CAN總線初始化完成后，上位機PC采用輪巡方式對各下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)接收處理。上位機再次校驗接收到的數(shù)據(jù)，超出閾值，報警；數(shù)據(jù)正常，繼續(xù)接收下一個ID的數(shù)據(jù)；人機交互界面完成鍵盤解釋工作，如圖10所示，實時顯示位置、CO濃度、溫度、時間、警報狀態(tài)等信息。通過滾動條可以查看其他作業(yè)區(qū)環(huán)境情況。

圖8 下位機工作流程Fig.8 Lower computer work flow chart

圖9 上位機工作流程Fig.9 Upper computer work flow chart

圖10 上位機人機交互界面Fig.10 PC man-machine interaction interface

4 結(jié)語

分布式監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計是為了提高煤礦工人井內(nèi)作業(yè)的安全性、最大限度規(guī)避井內(nèi)CO、溫濕度等因素帶來的風險。系統(tǒng)以STM32微處理器和CAN總線為硬件基礎(chǔ)，實時檢測井下環(huán)境質(zhì)量。經(jīng)長時間測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、丟包率低，達到了實時監(jiān)控井下環(huán)境的目的。

[1]孫繼平.煤礦安全監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)[J].煤炭科學技術(shù)，2010，38（10）：1-4.

[2]張濤.煤礦井下安全監(jiān)控分站的設(shè)計及其仿真實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2015，23（1）：86-89.

[3]張艷麗，楊仁弟.數(shù)字溫濕度傳感器SHT11及其應用[J].工礦自動化，2007（3）：113-114.

[4]DSA-123 CAN網(wǎng)傳輸規(guī)約[Z]，2003.

[5]龍宏波，葉曉慧，譚思煒.歸一化加權(quán)平均值算法在測量中的應用[J].電光與控制，2010，17（12）：68-70.