張楠

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

基于CAN總線的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張楠

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

基于CAN總線的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)是集井下環(huán)境參數(shù)探測(cè)、人員考勤、跟蹤定位等一體化的新型智能監(jiān)控系統(tǒng)，它具有數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、集成度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的煤礦信息化管理領(lǐng)域?qū)⒂惺謴V闊的應(yīng)用前景。文章根據(jù)系統(tǒng)的功能需求和構(gòu)成特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站（A型）、井下人員跟蹤分站（B型）、讀卡器和標(biāo)識(shí)卡等硬件組成部分進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)。基于CAN2.OB（基本幀）協(xié)議，設(shè)計(jì)出了適合本系統(tǒng)應(yīng)用的通信協(xié)議，協(xié)議簡(jiǎn)明易懂，降低了系統(tǒng)在軟件實(shí)現(xiàn)上的難度，使傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)的集成在協(xié)議上得以實(shí)現(xiàn)。

CAN總線；安全監(jiān)控；人員定位；通信協(xié)議

自2000年以來(lái)，由于國(guó)家對(duì)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國(guó)各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)安裝了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)[1～2]。但是，現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象主要有兩種，一是環(huán)境安全參數(shù)的監(jiān)測(cè)；二是生產(chǎn)過(guò)程、生產(chǎn)工藝監(jiān)測(cè)。可以看出，井下員工并不是現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象，他們?cè)诰碌奈恢煤瓦\(yùn)行軌跡仍然是不得而知的，一旦發(fā)生突發(fā)性災(zāi)難，營(yíng)救工作將無(wú)從下手[3]。于是，井下人員定位系統(tǒng)的研制就顯得尤為必要了。礦難事故發(fā)生后，對(duì)遇難的井下工作人員生命的搶救成為首要任務(wù)，決策指揮人員必須全面分析災(zāi)情及其災(zāi)變趨勢(shì)，迅速組織偵察工作，準(zhǔn)確探明事故性質(zhì)、原因、影響范圍、遇險(xiǎn)人員數(shù)量和所在位置，以最快的速度、最短的路線進(jìn)入災(zāi)區(qū)，營(yíng)救災(zāi)區(qū)遇險(xiǎn)人員[4]。

然而，目前國(guó)內(nèi)煤礦正在使用的傳統(tǒng)煤礦安全系統(tǒng)，并不能實(shí)時(shí)提供井下工作人員的具體位置與分布情況等重要數(shù)據(jù)，而井下人員定位系統(tǒng)又不能監(jiān)測(cè)監(jiān)控井下敏感環(huán)境安全參數(shù)，如果兩套系統(tǒng)獨(dú)立的安裝使用，不僅增加了安裝的復(fù)雜度，也造成了一些資源浪費(fèi)，不利于煤礦企業(yè)集約化管理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，還要有利于系統(tǒng)后期的維護(hù)和升級(jí)，同時(shí)在這個(gè)基礎(chǔ)上考慮系統(tǒng)的產(chǎn)品化。根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)CAN總線連接，由地面監(jiān)控主機(jī)、通信網(wǎng)關(guān)、井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站（A型）、井下人員跟蹤分站（B型）、各種傳感器、外控設(shè)備、人員信息讀卡器（以下簡(jiǎn)稱讀卡器）和人載標(biāo)識(shí)卡（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)識(shí)卡）等組成，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中的監(jiān)控單元外接各種傳感器和外控設(shè)備，它由環(huán)境參數(shù)采集模塊、外控模塊和顯示模塊組成。監(jiān)控單元內(nèi)各模塊通過(guò)CAN總線進(jìn)行連接，具有可擴(kuò)展的多輸入多輸出接口，顯示模塊還可以進(jìn)行液晶顯示或數(shù)碼管顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 井下監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

井下監(jiān)控分站分為A，B型監(jiān)控分站，它們具有相同的硬件電路，只是軟件程序不同，下面主要介紹A型分站的電路設(shè)計(jì)。監(jiān)控分站由微控制器、外擴(kuò)RAM、報(bào)警信號(hào)輸出接口、DC-DC轉(zhuǎn)換模塊、上位CAN接口模塊和下位CAN接口模塊組成。監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)框圖

2.2上下CAN通信接口電路設(shè)計(jì)

圖3 PIC18F8680及其部分外圍電路

監(jiān)控分站需要連接上下兩個(gè)CAN通信網(wǎng)絡(luò)，如果采用獨(dú)立的CAN控制器芯片就需要一個(gè)微處理器控制兩個(gè)CAN控制器芯片，這樣的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來(lái)復(fù)雜而且穩(wěn)定性也難以保證。所以選擇內(nèi)置CAN控制器模塊的PIC18F8680，使監(jiān)控分站只需外擴(kuò)一個(gè)CAN控制器即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)及部分外圍電路，見(jiàn)圖3。同時(shí)單片機(jī)PIC18F8680需要外擴(kuò)一個(gè)CAN控制器用于將監(jiān)控分站連接到上位CAN通信網(wǎng)絡(luò)。外擴(kuò)CAN控制器電路設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4。

根據(jù)功能要求，監(jiān)控分站實(shí)時(shí)的上傳監(jiān)控單元采集的礦井敏感環(huán)境參數(shù)信息，上位機(jī)若發(fā)現(xiàn)采集信息有可能引起火災(zāi)或爆炸等危險(xiǎn)事情發(fā)生，上位機(jī)會(huì)給予監(jiān)控分站報(bào)警命令，監(jiān)控分站應(yīng)該通過(guò)報(bào)警信號(hào)為井下工作人員提供危險(xiǎn)信號(hào)指示。這也是煤礦綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能[5-7]。

圖4 外擴(kuò)CAN控制器電路

2.3井下監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

井下監(jiān)控單元要實(shí)現(xiàn)的功能較多，并希望得到盡可能高的實(shí)時(shí)性，故采用模塊化設(shè)計(jì)。利用三個(gè)微處理器協(xié)同工作的方式，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。監(jiān)控單元由環(huán)境參數(shù)采集模塊、外控模塊和顯示模塊組成。監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖5。

圖5 監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)框圖

1）環(huán)境參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)

礦用傳感器種類較多，一般傳感器輸出信號(hào)形式可分為模擬量、開(kāi)關(guān)量、累計(jì)脈沖量等。為了適應(yīng)不同頻率信號(hào)可以變換成滿足于微控制器輸入要求的標(biāo)準(zhǔn)電平，模擬信號(hào)通常還需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)放大器、多路信號(hào)采樣選擇、V/F轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大和光電隔離電路的處理。環(huán)境參數(shù)信號(hào)量輸入通道結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖6。

圖6 環(huán)境參數(shù)信號(hào)量輸入通道

2）外部設(shè)備控制模塊設(shè)計(jì)

外部設(shè)備控制模塊的控制功能由單片機(jī)控制繼電器來(lái)完成，此模塊設(shè)計(jì)了8個(gè)控制繼電器，單片機(jī)通過(guò)CAN通信收到繼電器制動(dòng)命令后，通過(guò)單片機(jī)輸出高低電平控制OUT1與OUT2的鏈接與否，以此來(lái)控制報(bào)警設(shè)備的開(kāi)關(guān)、斷電與否、機(jī)器開(kāi)停等。

3）顯示模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控單元的顯示模塊以微控制器為中心，控制著液晶顯示（LCD）模塊、數(shù)碼管顯示（LED）模塊和紅外通信模塊三大模塊，完成相關(guān)的顯示功能。

2.4標(biāo)識(shí)卡及讀卡器設(shè)計(jì)

人員定位子系統(tǒng)是利用井下CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，完成讀卡器和標(biāo)識(shí)卡信息的收發(fā)。通過(guò)所需軟件從上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀出讀卡器的相關(guān)采集信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員跟蹤定位信息的采集、分析處理、實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)報(bào)表、查詢打印等功能[8～9]。

人員定位子系統(tǒng)硬件電路主要包括讀卡器、標(biāo)識(shí)卡和CAN通信電路三個(gè)部分。其中讀卡器和標(biāo)識(shí)卡都包含射頻電路與主控電路兩個(gè)部分的設(shè)計(jì)。因此，射頻芯片的選型與應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)在整個(gè)硬件設(shè)計(jì)當(dāng)中就顯的尤為重要。人員定位子系統(tǒng)中，讀卡器和標(biāo)識(shí)卡采用了相同的射頻電路，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)。人員定位子系統(tǒng)總體框架，見(jiàn)圖7。

圖7 人員定位子系統(tǒng)總體框架

3 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端即為采集環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控單元和采集人載標(biāo)識(shí)卡的讀卡器，它們與分站之間的通信協(xié)議是分站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)。監(jiān)控終端采集所需數(shù)據(jù)要以一定的數(shù)據(jù)格式主動(dòng)上傳至分站，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線，所以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸袷綍r(shí)要以CAN報(bào)文信息為基礎(chǔ)[10～11]。

1）主站命令幀格式和分站命令返回幀格式

主站命令幀格式以CAN標(biāo)準(zhǔn)幀的報(bào)文信息格式為基礎(chǔ)，給予標(biāo)準(zhǔn)幀中報(bào)文信息的10個(gè)字節(jié)不同的信息定義：

首先，A/B型分站接收到命令幀時(shí)要能夠識(shí)別此命令是否是針對(duì)自身分站的命令，從而不同的分站能夠根據(jù)命令給予不同的命令返回。

其次，命令幀結(jié)構(gòu)中要包含定義此幀屬性的信息字段。

第三，幀結(jié)構(gòu)中應(yīng)該包含命令字符字段和上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)字段。

設(shè)計(jì)時(shí)定義命令幀每幀10個(gè)字節(jié)，命令所需字節(jié)數(shù)少于10個(gè)時(shí)僅發(fā)一幀，否則發(fā)多幀，但是最多發(fā)8幀。

命令幀格式如下：

當(dāng)監(jiān)控主機(jī)命令僅1幀時(shí)，命令幀格式為：

N FR0 ORDER TDX0～6

當(dāng)監(jiān)控主機(jī)命令發(fā)多幀時(shí)，命令幀格式為：

N FR0 ORDER TDX0～6

N FR1 TDX7～14

… FRN…

監(jiān)控主機(jī)發(fā)送命令后，分站根據(jù)命令的返回幀格式，當(dāng)返回?cái)?shù)據(jù)為1幀時(shí)，數(shù)據(jù)幀格式為：

N＇FR0 FLAG STATUS CTR

RSV RDX0～3

當(dāng)返回?cái)?shù)據(jù)為多幀時(shí)，數(shù)據(jù)幀格式為：N＇FR0 FLAG STATUS CTR

RSV RDX0～3

N＇FR1 RDX4～11

… FRN…

2）A型主站對(duì)A型分站命令及其數(shù)據(jù)返回

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個(gè)主站對(duì)A型分站的命令和數(shù)據(jù)。A型分站收到命令后會(huì)以一定的格式返回與命令對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于篇幅有限本文僅就數(shù)據(jù)采集命令“S”的返回?cái)?shù)據(jù)幀格式進(jìn)行分析。

數(shù)據(jù)采集命令“S”（非壓縮型，可傳輸指定通道數(shù)據(jù)）

命令：N FR0 S X

返回：

X＝1～8時(shí)

N＇FR0 SSTATUSCTR RSV CLx CHx

X≠1～8時(shí)

N＇FR0 SSTATUSCTR RSV CL1 CH1 CL2 CH2

N＇FR1 CL3 CH3 CL4 CH4 CL5 CH5 CL6 CH6

N＇FR2 CL7 CH7 CL8 CH8

N為分站地址；FR0為幀的屬性信息；“S”為命令符；X為通道號(hào)。執(zhí)行該命令時(shí)，若X＝1～8中的任何一個(gè)數(shù)字，則返回第X通道的采樣值和控制值。

3）主站對(duì)B型分站命令和數(shù)據(jù)及其返回格式

此系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了多個(gè)主站對(duì)B型分站的命令和數(shù)據(jù)，由于篇幅有限本文，僅就數(shù)據(jù)采集命令“X”的返回?cái)?shù)據(jù)幀格式進(jìn)行描述。

數(shù)據(jù)采集命令“X”

命令：N FR0 S X

返回：N＇FR0 SSTATUSCTR REC_NUM

REC16～3

N＇FR1 REC12～1 REC26～1

......

N＇FR7 REC102～1 REC116～1

N＇FR0 REC126～1 REC136～5

......

4 結(jié)論

目前，我國(guó)已有很多生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的公司或院所，但其產(chǎn)品僅是監(jiān)測(cè)環(huán)境安全參數(shù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警或斷電控制。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化水平的日益提高和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)的研究必然也會(huì)得到很大的延伸，開(kāi)始加入人員定位、機(jī)車定位、設(shè)備遠(yuǎn)程開(kāi)?？刂频?。這為指導(dǎo)最佳救災(zāi)和避災(zāi)路線，為搶救和疏散人員、器材提供決策依據(jù)。發(fā)展全面的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是一種趨勢(shì)。

[1]2008年重特大煤礦事故發(fā)生38起［EB/OL］.（2010-12-30）［2011-11-16］.http：//bjyouth.ynet.com/article.jsp?oid＝47877957.

[2]柯建華.基于RFID與CAN的煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，2001.

[3]李繼林.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭科技，2008，27（11）：3-5.

[4]顏丙磊，徐釗，李凡甲，等.基于低功耗標(biāo)識(shí)卡的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2009（3）：43-45.

[5]趙延明，高軍.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].煤礦機(jī)電，2007（3）：39-41.

[6]楊世興，郭秀才.監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)原理與實(shí)用設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[7]婁明波.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展的前景[J].化工之友，2007（7）：64.

[8]紀(jì)學(xué).淺談煤礦監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].今日科苑，2007（12）：54-55.

[9]唐波.基于nRF9E5的井下人員定位系統(tǒng)[D].成都：四川大學(xué)，2006.

[10]劉宇.礦井人員定位、管理、搜救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，2008.

[11]丁恩杰，馬方清.監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

The Design and Im plementation of the Coal Integrative M onitoring System based on CAN Bus

ZHANG Nan
（School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003）

The Coal Mine Integrative Monitoring System based on CAN bus is a new kind of safetymonitoring system in detecting parameter，checking on work attendance and tracking and giving the locality of workers.With the features as the steady and dependable communication，high integration degree，low cost，it has nice application prospectand should be well used in the information-based management field of coalmine enterprise.The author designed circuit according to the functional requirement of the system and characteristics of the system＇s components which includesmonitor sub-station （A type），underground personnel position sub-station（B type），Readers and Tags and other hardware components.Based on CAN2.0B（basic frame）protocol，communication protocol of the system is designed，easy to be understood and reducing the difficult for achieving the software of the system，made the traditional securitymonitoring systems and personnel position systems integration agreementbe achieved.

CAN bus；safetymonitoring；personnel position；communications protocol

TP393

A

1674-0874（2012）04-0058-04

2012-03-18

張楠（1981-）男，山西大同人，講師，研究方向：監(jiān)控系統(tǒng)。