李冬青 董 翠/.泰安市計量測試所；.泰安市岱岳區(qū)計量測試所

0 引言

水害作為煤礦井下主要災(zāi)害之一，長期以來嚴重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。目前，煤礦開采逐漸由淺部進入深部，礦井受水害威脅的程度越來越嚴重，所以煤礦在運營期間對水文的監(jiān)測是煤礦安全生產(chǎn)中必不可少的工作內(nèi)容。

本文針對目前煤礦生產(chǎn)中水害防治的現(xiàn)狀及其存在的主要問題，設(shè)計了一種基于GSM手機模塊的鉆孔水位、水溫遙測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時檢測多個鉆孔的水位、水溫，實現(xiàn)了采集、檢測、傳輸?shù)淖詣踊?。基于模塊實現(xiàn)了無線傳輸，從而節(jié)省大量的人力、物力、財力。應(yīng)用本系統(tǒng)，可以及時地掌握和分析地下水的動態(tài)變化規(guī)律，為礦井的安全生產(chǎn)提供保障。硬件著重進行水位傳感器的性能和采集電路的設(shè)計、遙測儀的性能設(shè)計和相關(guān)芯片的選擇、報警儀的性能和電路設(shè)計，以及相關(guān)通信接口的電路設(shè)計和芯片的選擇。在軟件方面，監(jiān)測管理軟件可完成數(shù)據(jù)采集、處理的功能，生成相關(guān)數(shù)據(jù)庫，還可以響應(yīng)遠程用戶的服務(wù)請求。

1 系統(tǒng)功能和特點

本系統(tǒng)集GSM無線通信、計算機控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫技術(shù)于一體，實現(xiàn)了鉆孔水位及時監(jiān)測、水位預(yù)防報警、事故處理等功能。系統(tǒng)主要完成水位、水溫的遙測。硬件主要由傳感器、采集板、遙測儀、移動通信中心、報警儀和檢測計算機組成（圖1）。

主要功能：

(1) 遙測：實現(xiàn)對水位、水溫數(shù)據(jù)的自動采集并存儲，通過GSM通信方式進行水位、水溫數(shù)據(jù)的傳輸。

(2) 數(shù)據(jù)處理：實時接收遙測儀的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行檢錯、數(shù)據(jù)分類，建立數(shù)據(jù)庫文件；查詢、檢索數(shù)據(jù)，顯示水位值及曲線圖，輸出打印。

(3) 預(yù)報、監(jiān)測：系統(tǒng)對水位、水溫、設(shè)備進行監(jiān)測，當出現(xiàn)水位越限、遙測儀設(shè)備供電不足、遭破壞時進行聲光報警。

2 系統(tǒng)部件設(shè)計

1）智能水位傳感器

由采集板和水位、水溫傳感器構(gòu)成智能傳感器。根據(jù)水中某點的壓力與水深成正比的原理，將壓力傳感器放入水下一定深度，其輸出的電壓信號反映了傳感器以上的水柱高度。電壓信號經(jīng)鋼絲電纜傳輸給遙測儀，由遙測儀推算水柱高度并存儲，供電電源由遙測儀提供。智能水位傳感器安裝在鉆孔水下，采用外部防水設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2）遙測儀

是一臺由單片機控制的智能現(xiàn)場設(shè)備，其內(nèi)部有一手機模塊，同普通手機一樣，每個手機模塊都需配置SIM卡，分配一手機號碼,需要向中國移動公司交費。遙測儀要完成與監(jiān)測計算機和智能傳感器雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，是鉆孔下智能傳感器與監(jiān)測計算機連接的中心，主要將智能水位傳感器傳送的數(shù)據(jù)進行處理并存儲，存儲的數(shù)據(jù)通過手機模塊的短信息功能發(fā)送給監(jiān)測中心的報警儀。此外遙測儀還與設(shè)置器連接，進行一些參數(shù)的設(shè)定和標定。

3）報警儀

內(nèi)部也有一手機模塊，不斷查詢遙測儀內(nèi)部手機模塊的短信情況，如發(fā)現(xiàn)新短信，則提取水位、水溫數(shù)據(jù)并保存，如短信中含有報警信息，則進行聲光報警，并循環(huán)顯示各鉆孔的最新水位標高，同時將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測計算機。此外報警儀還與其他專用報警儀通信。

4）監(jiān)測計算機

通過RS－232串行口與報警儀通信，監(jiān)測計算機可以讀取報警儀存儲的水位、水溫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)永久保存，并顯示、打印報表和曲線。通過監(jiān)測計算機還可將各鉆孔的手機號碼送給報警儀，以便報警儀剔除非遙測儀的短信。

5）系統(tǒng)供電

由于水文地質(zhì)鉆孔分布于野外，供電較困難，故采用太陽能電池板提供電能，白天轉(zhuǎn)換的電能首先存入蓄電池，然后再提供給遙測儀和智能傳感器。由于遙測儀和智能傳感器功耗極低，且蓄電池容量大、漏電少，即使不通過太陽能轉(zhuǎn)換充電，蓄電池的電量也能保證工作半年以上。為降低功耗，遙測儀采用定時上電工作方式，每當定時時間一到，遙測儀上電工作，測量水位、水溫，并計算水位的變化。如果水位變化超過存儲下限值，就存儲水位數(shù)據(jù)和當時的時間；如變化小于存儲下限值，則不存儲，存儲下限值可以設(shè)置。這樣既可得到水位變化曲線，又可減少手機短信息的發(fā)送量。

3 軟件設(shè)計

圖2 監(jiān)測計算機軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本裝置監(jiān)測計算機軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2，在鉆孔水位監(jiān)測報警系統(tǒng)中，監(jiān)測計算機接收到來自報警儀的測量數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行集中分析處理，并形成各種統(tǒng)計報表、曲線或監(jiān)測計算機文檔，將數(shù)據(jù)送入局域網(wǎng)，以便相關(guān)工作人員及時掌握鉆孔水位的安全狀況，管理人員經(jīng)授權(quán)后，可以通過網(wǎng)頁對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)測。因此，監(jiān)測計算機管理軟件既要完成數(shù)據(jù)采集、處理的功能，又要生成相關(guān)數(shù)據(jù)庫，還要響應(yīng)遠程用戶的服務(wù)請求，這對于監(jiān)測計算機的硬件和軟件設(shè)計都有較高的要求。作為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，監(jiān)測計算機軟件系統(tǒng)對鉆孔水位安全監(jiān)測的實時性、高效性和可靠性具有重要的意義。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，主要任務(wù)是建立監(jiān)測計算機與報警儀的通信，并按照系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，完成對系統(tǒng)報警儀的巡測，集中處理測量數(shù)據(jù)，更新數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，主要建立用戶與監(jiān)測計算機的通信，完成“系統(tǒng)設(shè)置”和“數(shù)據(jù)瀏覽”功能，并根據(jù)用戶要求生成相應(yīng)的報表和曲線。

在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時，軟件抗干擾以其設(shè)計靈活、節(jié)省硬件資源、可靠性好等特點越來越受到重視。本設(shè)計應(yīng)用以下措施：

1）指令冗余

在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。

2）攔截技術(shù)

所謂攔截，是指將亂飛的程序引向指定位置，再進行出錯處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此先要合理設(shè)計陷阱，其次要將陷阱安排在適當?shù)奈恢谩．攣y飛程序進入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進行出錯處理。

3）軟件“看門狗”技術(shù)

若失控的程序進入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進行出錯處理。

4 結(jié)語

本裝置的研制成功將具有以下幾方面的意義：首先，打破以前人工測量的模式，實現(xiàn)了采集、監(jiān)測、傳輸、管理的自動化，從而節(jié)省大量的人力、物力資源，必將推動工業(yè)自動化的發(fā)展進程。其次，由于水害嚴重威脅礦井的安全，因此應(yīng)用本系統(tǒng)后，可以及時掌握和分析地下水的動態(tài)變化規(guī)律，為礦井的安全生產(chǎn)提供保障。此外，通過測量水的混濁度，可以作為地震部門進行短期地震預(yù)測的依據(jù)。另外，本系統(tǒng)具有成本低廉、分布靈活、實時在線、安裝和維護簡單方便的優(yōu)點，具有較高的社會推廣價值。

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