基于WIFI的煤礦井下機(jī)器人環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

楊宣+賈存良

摘要：以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了煤礦井下機(jī)器人環(huán)境參數(shù)采集、數(shù)據(jù)WIFI無線發(fā)送裝置的硬軟件?；贚abVIEW軟件編程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)WIFI無線接收、信息集成和圖形化顯示，可為煤礦礦難救援決策提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤礦井下機(jī)器人；WIFI無線傳輸；環(huán)境參數(shù)監(jiān)測

1前言

我國的煤礦大多瓦斯?jié)舛容^高，瓦斯爆炸引發(fā)的礦難時(shí)有發(fā)生。瓦斯爆炸后，煤礦井下原有的瓦斯、溫度檢測裝置往往受到破壞而失去監(jiān)測作用，因此事故地點(diǎn)環(huán)境參數(shù)未知，在此情況下貿(mào)然救援可能會(huì)引起次生災(zāi)害，危及救援人員生命安全。

本文研究了煤礦井下機(jī)器人所處位置的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測問題。當(dāng)發(fā)生礦難時(shí)，通過下放煤礦井下機(jī)器人到達(dá)事故現(xiàn)場，利用其所附帶的相關(guān)傳感器對瓦斯、溫度環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測取，然后通過WIFI無線方式將其傳送到救援中心，為救援決策提供依據(jù)。在摸清井下受災(zāi)程度情況下，執(zhí)行有針對性的救援措施，可以有效提升救援效率，增加被困人員的脫險(xiǎn)可能性。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦井下機(jī)器人環(huán)境參數(shù)采用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體為為溫度、瓦斯（甲烷）氣體濃度。同時(shí)，為反映機(jī)器人是否傾倒，參數(shù)檢測裝置也需采集機(jī)器人傾角信息。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)信息整合并通過串口發(fā)送指令操控?zé)o線WIFI模塊；WIFI模塊將采集到的數(shù)據(jù)由串口轉(zhuǎn)換成無線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集裝置的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)及傳感器選型

3.1單片機(jī)選擇及其I/O口分配

單片機(jī)為環(huán)境參數(shù)采集裝置的核心，本文選用STC89C52單片機(jī)，其為8051內(nèi)核的ISP系統(tǒng)可編程芯片，片內(nèi)含有512字節(jié)RAM、8KB 閃存程序存儲(chǔ)器以及全雙工串行口等。

在STC89C52單片機(jī)的端口分配上，其P2.0、P2.1引腳為與AD芯片PCF8591進(jìn)行I2C串行通信的接口SDA、SCL信號(hào)線；P3.7引腳連接一線制溫度傳感器DS18b20；P3.0、P3.1引腳連接WIFI模塊ESP8266。

3.2傳感器選型

（1）溫度傳感器DS18B20

溫度是煤礦井下環(huán)境的一個(gè)重要環(huán)境參數(shù)，尤其是瓦斯爆炸之后，井下可能還有火災(zāi)蔓延，因此，溫度的檢測是必不可少的。溫度測量可選的傳感器種類較多，其中數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器因其使用方便、數(shù)字量輸出便于與微處理器相連而廣獲應(yīng)用，本文選用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20。

（2）角度傳感器

井下環(huán)境多變，道路崎嶇不平，為了識(shí)別機(jī)器人是否側(cè)翻，本設(shè)計(jì)中使用SCA60C單軸傾角傳感器反映當(dāng)前機(jī)器人車身姿態(tài)，該傳感器傾角0-180°時(shí)對應(yīng)的模擬電壓輸出為0.5-4.5V。

（3）氣體傳感器

瓦斯的存在對采礦及救援都將造成巨大的阻礙，是煤礦井下機(jī)器人最主要的受監(jiān)測參數(shù)之一。瓦斯的主要成分是甲烷，MQ-5氣體傳感器對甲烷氣體有著不錯(cuò)的靈敏度，因此本文采用MQ-5對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊PCF8591

PCF8591是一個(gè)4路模擬量輸入、I2C串行總線數(shù)字量傳輸?shù)募赡?shù)轉(zhuǎn)換器，通過對其A0、A1和A2引腳電平狀態(tài)的控制，可以方便的選擇4路模擬量中的1路對之進(jìn)行8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換。

3.4 WIFI模塊ESP8266

本模塊采用802.11 b/g/n無線協(xié)議，主頻支持80MHz和160 MHz，支持 RTOS；內(nèi)置10 bit高精度ADC；內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧；WiFi @ 2.4 GHz，支持WPA/WPA2安全模式等。本設(shè)計(jì)使用到的是以ESP8266為核心的貼片式模組ESP-01，其自帶3DBi 的PCB板載天線。

4 機(jī)器人環(huán)境參數(shù)采集程序設(shè)計(jì)

煤礦井下機(jī)器人通過傾角傳感器感知自身姿態(tài)，通過傳感器了解周圍環(huán)境關(guān)鍵參數(shù)，比如溫度、瓦斯?jié)舛取２杉瘮?shù)據(jù)之后，通過WIFI模塊傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行處理以及顯示，其單片機(jī)程序流程圖如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)以上各種功能，本程序使用了單片機(jī)定時(shí)器、中斷、串口等資源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及發(fā)送。

本設(shè)計(jì)中軟件包括頭文件、變量的定義、程序聲明及各種程序初始化。通過AT指令對ESP8266進(jìn)行模式控制，使之進(jìn)入U(xiǎn)DP模式，采用ESP8266最小系統(tǒng)接線方式，單片機(jī)可以通過串口進(jìn)行無線收發(fā)控制。之后通過ADC轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)通過WIFI傳到到上位機(jī)PC中。

WIFI模塊可以經(jīng)由TTL-USB接口連接到PC機(jī)上，通過串口調(diào)試助手sscom4.2對其進(jìn)行調(diào)試，首先利用AT+CIPSTART指令建立UDP服務(wù)器IP地址和端口號(hào)（如本系統(tǒng)中為61557），然后利用AT+CIPMODE設(shè)置透傳傳輸模式，最后利用AT+CIPSEND啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，此時(shí)，單片機(jī)即可經(jīng)由串口輸出經(jīng)由WIFI模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。

5 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

相較于VB、VC等文本語言，LabVIEW采用圖形化G語言進(jìn)行編程，編程效率高，加之其擁有測控方面的豐富工具包，非常適合于本文上位機(jī)監(jiān)測界面設(shè)計(jì)。

在LabVIEW中進(jìn)行圖形化VI編程，主要為兩部分，一是UDP函數(shù)打開、UDP數(shù)據(jù)讀取和UDP關(guān)閉等，其作用是指定被監(jiān)聽數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)地址和端口號(hào)（如61577），并從UDP輸出接口輸出WIFI上傳數(shù)據(jù)；二是將接收到的數(shù)據(jù)整理并圖形顯示。完成以上兩個(gè)任務(wù)的LabVIEW程序如圖3所示。

前面板顯示程序運(yùn)行時(shí)如圖4所示，上部為環(huán)境參數(shù)曲線圖，下部為當(dāng)前值對應(yīng)棒圖和儀表式顯示方式。

6結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了煤礦井下機(jī)器人環(huán)境參數(shù)監(jiān)測裝置，給出了以單片機(jī)為核心的傳感器采集和WIFI無線傳輸硬、軟件設(shè)計(jì)，通過LabVIEW對接收的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行信息處理，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)煤礦井下機(jī)器人環(huán)境參數(shù)的直觀顯示。本文沒有涉及煤礦井下機(jī)器人的行走控制和WIFI傳輸中繼問題，對一個(gè)實(shí)用的系統(tǒng)來說，這些問題均需在后續(xù)的研究中完善解決。

參考文獻(xiàn)：

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