煤礦井下轉載機監(jiān)測終端的研制

孫 磊，任賀賀

（1.中國礦業(yè)大學 網(wǎng)絡與信息中心，江蘇 徐州221000；2.兗礦集團有限公司 山東煤炭技術研究所，山東 濟南250000）

近年，煤礦井下的安全監(jiān)測問題受到越來越多的關注。劉明智[1]等研制了煤礦井下氣體束管管路故障監(jiān)測裝置并設計了系統(tǒng)標定的方法，確保了束管管路故障及時有效排除。劉偉[2]開發(fā)的煤礦機電設備震動監(jiān)測系統(tǒng)，能夠采集煤礦井下設備震動信號，實現(xiàn)了對設備故障的早期診斷，降低了危險事故發(fā)生的概率。趙晨光[3]設計的刮板輸送機監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對井下物料傳輸設備的遠程實時監(jiān)測。

井下轉載機是煤礦井下作業(yè)的必須設備。在井下作業(yè)的過程中，工作在轉載機周圍的人員存在不慎跌入機器中的隱患。如果未能監(jiān)測到這種事故，并做出及時的響應，將造成不可挽回的損失。鑒于此，采用處理器技術、射頻傳感技術、傳感器網(wǎng)絡與軟件工程技術[4-7]，構建煤礦井下監(jiān)測系統(tǒng)，并研制轉載機監(jiān)測與控制終端。終端能實現(xiàn)對轉載機裝狀態(tài)的實時監(jiān)測，對轉載機出現(xiàn)異常時進行斷電控制。

1 監(jiān)測終端硬件

1.1 煤礦井下傳感器網(wǎng)絡

煤礦井下傳感器網(wǎng)絡如圖1，該網(wǎng)絡由監(jiān)測終端、路由器節(jié)點、中繼器節(jié)點、交換機節(jié)點以及井上局域網(wǎng)絡構成。監(jiān)測終端被安裝在轉載機的入口處，當攜帶電子標簽的井下作業(yè)人員不慎跌入轉載機時，監(jiān)測終端上的射頻模塊能夠監(jiān)測到電子標簽，從而控制電控箱切斷轉載機的電源并控制警笛與預警燈發(fā)出預警信號，同時通過傳感器網(wǎng)絡將井下突發(fā)狀況反饋到遠程監(jiān)控端，以便采取應對措施。在正常的工作狀態(tài)下，監(jiān)測終端能夠?qū)D載機危險區(qū)域進行實時的監(jiān)測，并利用井下傳感器網(wǎng)絡將采集到的信息轉發(fā)到井上遠程監(jiān)控端。

圖1 煤礦井下傳感器網(wǎng)絡Fig.1 Sensor network of underground coal mine

1.2 監(jiān)測終端整體功能

監(jiān)測終端的硬件由STM32WB55 主處理器及其驅(qū)動電路、電源管理部分、射頻識別模塊、串口通信電路、以太網(wǎng)接口、繼電器模塊與功能按鍵部分構成。監(jiān)測終端硬件功能框圖如圖2，STM32WB55 主處理器是監(jiān)測終端的控制中心，負責整個系統(tǒng)的調(diào)度；射頻天線、THM3060 射頻識別芯片與串口通信電路的組合實現(xiàn)了實時監(jiān)測轉載機入口處的危險區(qū)域，并能在異常發(fā)生時將該信息轉發(fā)到監(jiān)測終端；以太網(wǎng)接口由RJ45 端口與ENC28J60 芯片及其驅(qū)動電路組成，能將監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)轉發(fā)到井下傳感器網(wǎng)路，是監(jiān)測終端與井下傳感器網(wǎng)絡連接的媒介；電源管理芯片為監(jiān)測終端提供工作電壓，功能按鍵是監(jiān)測終端其它功能的拓展；繼電器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對警笛、預警燈與轉載機電控箱的控制，它與主處理器之間通過MAX485 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

圖2 監(jiān)測終端硬件功能框圖Fig.2 Monitoring terminal hardware function block diagram

1.3 主處理器及外圍驅(qū)動電路

監(jiān)測終端的主處理器為STM32WB55CCU6，該芯片內(nèi)嵌應用處理器和網(wǎng)絡處理器，在網(wǎng)絡信號處理方面性能更優(yōu)。同時，STM32WB55CCU6 基于低功耗的STM32L4 芯片，功耗進一步被降低[8-10]。其外圍電路主要包括：復位電路、在線編程電路、功能按鍵電路等。主處理器電路是監(jiān)測終端的控制中樞，監(jiān)測終端按照內(nèi)置軟件系統(tǒng)的設定有條不紊地執(zhí)行各項任務。

1.4 電壓轉換電路

監(jiān)測終端利用了2 塊電壓轉換芯片，分別是AMS1117-5V 與AMS1117-3.3V。這2 塊芯片能為監(jiān)測終端上提供5 V 和3.3 V 的工作電壓[11-13]。AMS1117-5V 電壓轉換電路的輸出是AMS1117-3.3V 電壓轉換電路的輸入，AMS1117-5V 電壓轉換電路的輸入是12 V 的直流信號。5 V 輸出電壓為MAX485ESA 等芯片提供工作電壓，3.3 V 輸出電壓為STM32WB55CCU6、THM3060、ENC28J60 等芯片提供工作電壓。5 V 與3.3 V 電壓作為信號源也能夠為監(jiān)測終端上的三極管電路、芯片驅(qū)動電路等提供邏輯信號。電壓轉換電路如圖3。

圖3 AMS1117 電壓轉換電路圖Fig.3 AMS1117 voltage conversion circuit diagram

1.5 RS-485 通信電路

為了控制監(jiān)測終端上繼電器，進而實現(xiàn)對警笛、預警燈以及轉載機電控箱的控制，設計并實現(xiàn)了RS-485 通信電路。MAX485ESA 驅(qū)動電路圖如圖4，MAX485ESA 芯片為RS-485 協(xié)議數(shù)據(jù)轉換芯片，其驅(qū)動電路由電阻R10、R11、R13、R14、R15，電容C10以及三極管PMBT3904 組成。RS-485 協(xié)議為通用的工業(yè)總線協(xié)議，在此基礎上，根據(jù)實際應用需求，設計監(jiān)測終端的通信協(xié)議。此外，RS-485 協(xié)議具有抗干擾能力強、誤碼率低的特點[14-15]。

1.6 射頻識別模塊電路

THM3060 是監(jiān)測終端上實現(xiàn)射頻識別功能的芯片，THM3060 射頻芯片電路圖如圖5。

圖4 MAX485ESA 驅(qū)動電路圖Fig.4 MAX485ESA driver circuit diagram

圖5 THM3060 射頻芯片電路圖Fig.5 THM3060 radio frequency chip circuit diagram

THM3060 內(nèi)置接收放大和數(shù)字解調(diào)電路、時鐘電路、復位電路[16-18]。THM3060 的外圍電路由電阻R16、R17、R18、R19、R20，電容C11、C12、C13，電感L1、L2，二極管D3、D4以及三極管Q3等構成。THM3060 與主處理器間的通信方式為串口協(xié)議，根據(jù)射頻信號的特點，設計通信協(xié)議。在射頻芯片的基礎上，監(jiān)測終端能夠監(jiān)測到是否有作業(yè)人員跌入了轉載機的入口處。

1.7 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊

監(jiān)測終端網(wǎng)絡傳輸芯片是 ENC28J60，ENC28J60 網(wǎng)絡芯片及驅(qū)動電路圖如圖6，ENC28J60的外圍驅(qū)動電路由晶振X1，電阻R21、R22、R23、R24、R25，電容C13、C14、C15等組成。指示燈LEDA 與LEDB可以表示網(wǎng)絡芯片的工作狀態(tài)。ENC28J60 網(wǎng)絡芯片能夠?qū)⒈O(jiān)測終端采集到的信息轉發(fā)到井下傳感器網(wǎng)絡，進而傳輸?shù)骄媳O(jiān)控終端，同時將來自井上監(jiān)控端的信號下達給監(jiān)測終端。監(jiān)測終端上的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊是連接無線傳感器網(wǎng)絡與各監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)通道。

2 監(jiān)測終端軟件系統(tǒng)

圖6 ENC28J60 網(wǎng)絡芯片電路圖Fig.6 ENC28J60 network chip circuit diagram

采用C 語言開發(fā)監(jiān)測終端的軟件系統(tǒng)，集成開發(fā)環(huán)境為keil5。將UCOS 操作系統(tǒng)移植到主處理器STM32WB55CCU6，在UCOS 系統(tǒng)框架中，開發(fā)監(jiān)測終端的應用系統(tǒng)。監(jiān)測終端集成了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、射頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與RS-485 通信協(xié)議。監(jiān)測終端具體工作流程如圖7。

圖7 監(jiān)測終端軟件工作流程圖Fig.7 Monitoring terminal software work flow chart

在為監(jiān)測終端供電后，執(zhí)行UCOS 操作系統(tǒng)初始化程序；執(zhí)行主處理器、射頻模塊、網(wǎng)絡模塊等初始化程序；然后，主處理器檢測以太網(wǎng)模塊連接狀態(tài)是否就緒；接著，射頻模塊開始工作對轉載機入口進行實時掃描監(jiān)測；當監(jiān)測到作業(yè)人員身上攜帶的電子標簽時，就認為現(xiàn)場有作業(yè)人員不慎跌入轉載機。此時，監(jiān)測終端控制電控箱將轉載機電源切斷，并釋放預警信號。與此同時，監(jiān)測終端也會將預警信息及相關數(shù)據(jù)打包，通過井下傳感器網(wǎng)絡轉發(fā)到井上監(jiān)控中心。為了降低監(jiān)測終端功耗，在沒有按鍵或者事件觸發(fā)時，監(jiān)測終端進入休眠狀態(tài)。

3 系統(tǒng)測試

首先進行了網(wǎng)絡節(jié)點間距離與丟包率關系的測試，包括：監(jiān)測終端與路由器間、路由器與中繼器間、中繼器與交換機間。在煤礦井下實際的環(huán)境中，進行監(jiān)測終端與路由器節(jié)點間距離與丟包率關系的測試，固定路由器，路由器通過網(wǎng)口與筆記本連接，監(jiān)測終端放置在不同的距離上，監(jiān)測終端向路由器發(fā)送500 個數(shù)據(jù)包，路由器收到監(jiān)測終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)后通過串口調(diào)試助手進行統(tǒng)計，并顯示收到的數(shù)據(jù)個數(shù)。同時記錄2 個節(jié)點之間的距離并記錄下來，每個定點測量距離通過3 次試驗取平均值，得到路由器接收到的數(shù)據(jù)個數(shù)。采用相同的方式測試了另外2 類節(jié)點間距離與丟包率的關系。把所有的數(shù)據(jù)匯總后得到了網(wǎng)絡傳輸節(jié)點間距離與丟包率關系（圖略）為:當2 個節(jié)點間距離在70 m 范圍內(nèi)時，丟包率較低；在70～90 m 之間時，丟包率有所上升，在90 m 范圍內(nèi)時，丟包率依然保持在可容忍的范圍內(nèi)，增加必要的確認重傳機制，可以保障節(jié)點間的可靠通信。

此外，經(jīng)過多次試驗，預警信號從監(jiān)測終端傳輸?shù)骄媳O(jiān)控端的時間在5 s 之內(nèi)，在井下傳感器網(wǎng)絡正常工作的情況下，這保證了井上監(jiān)測人員能在5 s 內(nèi)響應轉載機造成的事故。

4 結 論

研制了煤礦井下轉載機入口監(jiān)測終端，采用STM32WB55 芯片作為終端的主處理器，硬件上實現(xiàn)了主處理器及其外圍驅(qū)動電路、電壓轉換電路、RS-485 通信電路、射頻識別模塊電路、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊電路等；終端的軟件實現(xiàn)了射頻信號的采集與處理功能、網(wǎng)絡的初始化與數(shù)據(jù)傳輸功能、設備的狀態(tài)控制功能以及其它相關業(yè)務功能。