基于CAN 總線的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)研究

尹建龍，郭秀娟

（吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

隨著我國(guó)煤炭能源消耗的不斷增加，煤礦安全事故時(shí)有發(fā)生，因此煤礦監(jiān)控是安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。我國(guó)傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)利用RS-485 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速度慢、距離短、定位精度低、集成度低、成本高[1-3]。在此背景下，本文中的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)以CAN 總線技術(shù)為基礎(chǔ)，將井下各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，使上位機(jī)準(zhǔn)確有效地對(duì)井下監(jiān)控分站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用CAN 總線的特性提高系統(tǒng)的可靠性，并且該系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為井下監(jiān)測(cè)分站控制核心，結(jié)合多傳感器監(jiān)測(cè)井下環(huán)境參數(shù)及人員RFID定位，CAN 總線將井下數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)采用組態(tài)王進(jìn)行設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

1 系統(tǒng)總體方案

針對(duì)煤礦井下復(fù)雜的環(huán)境，本文提出基于CAN總線的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，包括信息采集電路、井下監(jiān)測(cè)分站、CAN 總線通信網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)4 部分。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。從圖1 中可以看出：井下監(jiān)測(cè)分站外接RFID 收發(fā)器和多個(gè)傳感器用于采集井下實(shí)際環(huán)境參數(shù)和人員位置信息，并傳給監(jiān)測(cè)分站進(jìn)行分析處理，若監(jiān)測(cè)到實(shí)際環(huán)境參數(shù)超過預(yù)設(shè)值，則進(jìn)行聲光報(bào)警，監(jiān)測(cè)分站與上位機(jī)通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，并在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、儲(chǔ)存，若監(jiān)測(cè)到井下區(qū)域環(huán)境參數(shù)超限，則將報(bào)警信號(hào)通過監(jiān)測(cè)分站傳給井下工作人員，及時(shí)限制工作人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)報(bào)警裝置與人員定位聯(lián)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本文的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，硬件選型主要包括單片機(jī)模塊、CAN 總線模塊、RFID 接收模塊、傳感器模塊等。井下監(jiān)測(cè)分站主要以STM32 單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、超限報(bào)警、人員跟蹤定位、聯(lián)動(dòng)控制等功能，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.1 CAN 總線模塊

CAN 總線控制器選用SJA1000 獨(dú)立控制器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的任務(wù)，該控制器支持CAN2.0B 協(xié)議，采用低電平復(fù)位，可以支持11 位和29 位識(shí)別碼。收發(fā)器選用82C250，該收發(fā)器具有對(duì)CAN 總線差動(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收的功能，通信速率可達(dá)1 Mbit/s。為了增強(qiáng)抗干擾能力，本系統(tǒng)在CAN總線控制器SJA1000 和收發(fā)器82C250 之間增加了1 個(gè)高速光耦器86N137，實(shí)現(xiàn)CAN 總線節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離[4]。電路連接如圖3 所示。CAN 總線多采用主控制模式，按照優(yōu)先級(jí)處理各單元發(fā)送的信息，糾錯(cuò)方式為CRC 校驗(yàn)，通訊介質(zhì)采用雙絞線，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，較傳統(tǒng)的RS-485 總線，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)，適宜井下信號(hào)傳輸。

2.2 RFID 模塊

RFID 模塊選用nRF24L01 單片射頻收發(fā)器，該收發(fā)器內(nèi)部集成了功率放大器、晶體振蕩器等多個(gè)模塊，具有125 個(gè)可選頻道和多種低功率工作模式，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通訊和調(diào)頻，與STM32 單片機(jī)通過SPI口連接來完成數(shù)據(jù)通信功能。較藍(lán)牙、WIFI 數(shù)據(jù)傳輸距離更遠(yuǎn)。其電路原理如圖4 所示。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括溫濕度傳感器和煙霧、溫濕度、CO，CH4氣敏傳感器。溫濕度傳感器DHT11 是一種以數(shù)字信號(hào)為輸出，集溫濕度于一體的復(fù)合型傳感器，該傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式與單片機(jī)進(jìn)行通信，僅需要1 個(gè)I/0 端口，采用校驗(yàn)和的方式進(jìn)行校驗(yàn)，精度高，響應(yīng)速度。為提高其穩(wěn)定性，本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)端（DATA）與電源（VDD）之間加上拉電阻。其連接如圖5 所示。

氣敏傳感器選用 MQ-7，MQ-4，MQ-2 分別對(duì)CO，CH4、煙霧濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。MQ 系列傳感器多采用半導(dǎo)體為敏感材料，響應(yīng)恢復(fù)快，可靠穩(wěn)定，高度集成。MQ-2 型傳感器檢測(cè)范圍廣，對(duì)煙霧、烷及天然氣具有極高的靈敏性，該傳感器在使用前要進(jìn)行預(yù)熱。MQ-2 煙霧傳感器的第4 引腳經(jīng)過比較器、與非門和單片機(jī)相連，輸出隨濃度變化的直流信號(hào)，若檢測(cè)到煙霧，則輸出低電平，濃度越大，其電導(dǎo)率越高，電阻越小，輸出電壓也會(huì)相應(yīng)增大。MQ-2 工作原理如圖6 所示。

圖5 DHT11 連接圖

圖6 MQ-2 工作原理

2.4 單片機(jī)模塊

本系統(tǒng)選用STM32 單片機(jī)作為井下監(jiān)測(cè)分站的控制核心，在傳感器采集模塊和CAN 總線模塊之間承擔(dān)著中轉(zhuǎn)站的角色，STM32 單片機(jī)是基于ARM公司cortex-M 的32 位的微控制器, 較傳統(tǒng)的51 系列、AVR 系列的微控制器,STM32 單片機(jī)具有更多的寄存器和外設(shè)功能,高性能、低功耗,時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，支持以太網(wǎng)、USB 和CAN2.0B 等多種外設(shè)接口同時(shí)工作。

3 RFID 定位及算法

RFID 系統(tǒng)主要由 3 部分組成：RFID 標(biāo)簽、RFID 讀寫器和通信網(wǎng)絡(luò)。單片機(jī)外接RFID 讀寫器，通過已知位置的讀寫器對(duì)儲(chǔ)存著編碼信息的被測(cè)標(biāo)簽進(jìn)行定位。定位方法選擇基于測(cè)距的RSSI定位，并結(jié)合優(yōu)化后的LANDMARC 算法對(duì)井下人員進(jìn)行定位跟蹤。RSSI 定位是利用RFID 標(biāo)簽發(fā)出無線電信號(hào)隨距離的增大而有規(guī)律的衰減來計(jì)算RFID 標(biāo)簽與讀寫器的距離，以此實(shí)現(xiàn)井下人員的定位。

LANDMARC 算法的基本原理是實(shí)時(shí)讀取待定位標(biāo)簽和參考標(biāo)簽的RSSI 值，并通過歐幾里得公式計(jì)算待定位標(biāo)簽和參考標(biāo)簽的距離，根據(jù)RSSI的相似程度比較Emn，選擇最小的前k 個(gè)參考標(biāo)簽，并計(jì)算這k 個(gè)參考點(diǎn)的權(quán)重，從而對(duì)待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)進(jìn)行加權(quán)估算[5-6]。歐幾里得公式為：

式（1）中，系統(tǒng)設(shè)有 R 個(gè) RFID 讀寫器，N 個(gè)待定位標(biāo)簽，M 個(gè)參考標(biāo)簽，Emn表示第n 個(gè)待定位標(biāo)簽與第m 個(gè)參考標(biāo)簽的歐氏距離，m；Smr為第m 個(gè)參考標(biāo)簽在讀寫器r 處的RSSI 值，Snr為第n 個(gè)待定標(biāo)簽在讀寫器r 處的RSSI 值。

由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，干擾因素多，傳統(tǒng)的LANDMARC 算法定位準(zhǔn)確度欠佳，因此本系統(tǒng)加入自適應(yīng)k 值算法來優(yōu)化LANDMARC 算法，依據(jù)多個(gè)參考標(biāo)簽的權(quán)重，分別計(jì)算不同k 值下參考標(biāo)簽和待定位的坐標(biāo)并且計(jì)算誤差ek，當(dāng)ek 最小時(shí)，取kbest個(gè)參考標(biāo)簽計(jì)算待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)，以此來減小井下工作人員的定位誤差。在不同k 值情況下進(jìn)行算法仿真，誤差值如圖7 所示。k 值優(yōu)化前后，仿真結(jié)果如圖8 所示。

圖7 不同k 值下待定位標(biāo)簽誤差值

由圖8 可知，當(dāng)選擇合適的k 值時(shí)，LANDMARC 算法優(yōu)化前后，定位誤差有較大差別。優(yōu)化前，60%的待定位標(biāo)簽的定位誤差在0.8 m 以內(nèi)，而優(yōu)化后其定位誤差在0.54 m 以內(nèi)。定位誤差在0.8 m 內(nèi)的待定位標(biāo)簽，優(yōu)化前為60%，而優(yōu)化后為80%，經(jīng)上述分析，LANDMARC 算法在優(yōu)化后，定位精度得到提高。

圖8 k 值優(yōu)化前后誤差分析

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，下位機(jī)程序設(shè)計(jì)選取Keil uvision5 進(jìn)行軟件編程，主程序工作步驟如下：

1）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置。

2）設(shè)置報(bào)警上下限，錄入人員信息。

3）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，井下數(shù)據(jù)采集包括兩部分：一部分是采集井下CO，CH4、煙霧、溫濕度等環(huán)境參數(shù)，另一部分是通過井下人員所攜帶被測(cè)標(biāo)簽發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的功率損耗來采集井下人員位置信息。

4）將采集的實(shí)際數(shù)據(jù)與設(shè)定的報(bào)警參數(shù)相比較，若超限則進(jìn)行聲光報(bào)警。

5）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，并將數(shù)據(jù)經(jīng)CAN 總線轉(zhuǎn)RS-485模塊傳輸給CAN 總線。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

井上檢測(cè)中心選用工業(yè)監(jiān)控軟件組態(tài)王進(jìn)行上位機(jī)設(shè)計(jì)，其主要有對(duì)數(shù)據(jù)顯示儲(chǔ)存、分析處理、圖形界面設(shè)置等功能。組態(tài)王通過CAN 總線與單片機(jī)進(jìn)行交互, 井下所有采集的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)的歷史庫(kù)表。在組態(tài)王歷史庫(kù)中，可以查詢井下人員位置信息、溫濕度、CH4 濃度等歷史數(shù)據(jù)。此外，上位機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并判斷是否通過下位機(jī)向井下工作人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)。以東北某煤礦為例,上位機(jī)超限報(bào)警設(shè)置界面、煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)模型分別見圖9～圖10。

圖9 上位機(jī)超限報(bào)警設(shè)置圖

圖10 煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)模型

5 結(jié)論

本文將CAN 總線技術(shù)應(yīng)用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、RFID 人員定位算法、CAN 總線模塊選型、下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦環(huán)境及井下人員位置，并根據(jù)井下環(huán)境及時(shí)對(duì)工作人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提高了定位的準(zhǔn)確度，降低了煤礦事故發(fā)生的可能性。同時(shí)本系統(tǒng)采用CAN 總線通訊方式，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，數(shù)據(jù)傳輸既快又準(zhǔn)，穩(wěn)定性好，為其他煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的研究提供借鑒和參考。