田浩

摘 要：本文以CAN總線技術(shù)為工程背景，將無線傳輸技術(shù)引入礦井環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸過程中，研制一套簡單、經(jīng)濟、可靠的基于CAN總線技術(shù)的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。論文研究成果為礦井安全生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測提供了一套切實可行的新的解決方案。

關(guān)鍵詞：CAN總線；礦井；環(huán)境監(jiān)測；無線傳輸

1 礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計

本監(jiān)測系統(tǒng)采用現(xiàn)代控制理論，由設備層、控制層以及信息層3部分構(gòu)成，監(jiān)控主機與底層實時監(jiān)測設備的互聯(lián)采用CAN總線，為擴展礦用檢測儀表工作范圍，設備層在采用固定節(jié)點的基礎上，還采用了具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的手持檢測儀表（移動節(jié)點），使其實現(xiàn)即走即測，即測即發(fā)的功能，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設備層：處于最底層的信息處理單元，由監(jiān)測設備、執(zhí)行機構(gòu)等組成。各種底層的監(jiān)測設備，通過本安型網(wǎng)絡智能分站或中繼器，實現(xiàn)各種CAN總線數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡標準IP數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。本文中，主要檢測儀器為瓦斯?jié)舛群蜏貪穸葯z測模塊。其中，為了更準確、更及時的檢測到瓦斯?jié)舛?、溫濕度等參?shù)，采用了移動節(jié)點和固定節(jié)點兩種型式。移動節(jié)點綁定了無線收發(fā)模塊、瓦斯?jié)舛群蜏貪穸葯z測模塊，是具有無線收發(fā)功能的報警顯示裝置，可以由礦工隨身配帶，也可在指定位置安裝。固定節(jié)點也綁定了無線收發(fā)模塊、瓦斯?jié)舛群蜏貪穸葯z測模塊，它自身既可以測量周圍環(huán)境溫濕度和瓦斯?jié)舛?，又可以接收移動?jié)點傳來的瓦斯?jié)舛取貪穸葦?shù)據(jù)及攜帶者的身份定位信息，通過CAN總線與地面監(jiān)測主機通信?？紤]到無線傳輸及區(qū)域切換的范圍，固定節(jié)點以相隔一定距離的方式安置于巷道兩幫，移動節(jié)點與固定節(jié)點之間實行點對點通信。風機、水泵、采煤機、皮帶機的控制、礦壓監(jiān)測儀器等同樣也可以作為固定節(jié)點掛接在CAN總線上。

控制層：主要由CAN總線網(wǎng)絡及其網(wǎng)絡交換設備組成，負責整個監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)度、各控制站點間的信息聯(lián)系和數(shù)據(jù)處理，是整個礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心和聯(lián)系信息層和設備層的紐帶。

信息層：主要由地面控制主站組成，提供與低層設備的交互界面，通過上位機軟件、網(wǎng)絡中繼和CAN總線，訪問和控制井下檢測儀等監(jiān)測設備，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、存儲、顯示、報警、處理、分析、報表打印等。一方面支持實時數(shù)據(jù)的傳輸，如瓦斯?jié)舛?、溫濕度等信號的傳輸，真正實現(xiàn)礦井監(jiān)測數(shù)字網(wǎng)絡化；另一方面，也支持非實時關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸，例如監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)下載，現(xiàn)場設備控制程序上載等。

2 礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計

從圖1中可看出，整個系統(tǒng)由兩個部分組成：井上部分和井下部分。

井下部分是整個系統(tǒng)的核心，分為兩個部分：移動節(jié)點和固定節(jié)點，二者共同組成井下“無線收發(fā)單元”。移動節(jié)點可以在工作人員移動過程中進行實時檢測，并將檢測值和自身的地址碼發(fā)送至固定節(jié)點。固定節(jié)點自身具有CAN總線數(shù)據(jù)接口，它每間隔特定距離安置在巷道兩幫，固定節(jié)點與地面監(jiān)控主機之間采用CAN總線通訊方式。井下無線收發(fā)單元中的移動和固定節(jié)點相互之間是無線傳輸。無論是移動還是固定，每個射頻模塊都有自己特殊的地址碼，與其它模塊均不相同。在與固定節(jié)點上的射頻模塊進行通信時，數(shù)據(jù)幀里就包含這個特殊的地址碼，監(jiān)控主機的軟件平臺已經(jīng)將固定節(jié)點的位置信息進行了登記和存儲。當上傳的信息包含有與它們進行無線通信的移動節(jié)點的地址碼信息時，就表明佩帶和安裝該移動節(jié)點的人員及設備很接近該固定節(jié)點，從而判斷出移動人員的位置，這些位置信息均由系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫。

井上部分主要是軟件操作平臺，按照功能劃分為2個子系統(tǒng)：實時監(jiān)控軟件和信息管理軟件。實時監(jiān)控軟件是整個礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，監(jiān)管主機的RS-232接口通過RS-232/CAN接口適配器與井下CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸。其功能主要為：完成監(jiān)控節(jié)點的信息采集、實時處理和存儲。從井下上傳的信息不但包括瓦斯?jié)舛取囟?、濕度等?shù)據(jù)，還包括井下工作人員和設備的位置信息，這些龐大的數(shù)據(jù)量經(jīng)過壓縮后都被保存在數(shù)據(jù)庫中，是信息聯(lián)網(wǎng)的基礎。管理軟件可采用Windows自帶的“超級終端”，主要功能是對移動監(jiān)控點信息的錄入、修改、查詢和統(tǒng)計。

3 軟、硬件抗干擾措施

3.1 硬件抗干擾措施

（1）采用優(yōu)良的電源和接地系統(tǒng)。在移動節(jié)點和固定節(jié)點設計中采用良好的電源，從而減少了由電源引入的干擾。系統(tǒng)中的數(shù)字地和模擬地嚴格分開，避免了干擾由電源地侵入系統(tǒng)。

（2）光電耦合隔離。采用光電耦合隔離，可以切斷輸入輸出電路的電路聯(lián)系，從而有效地防止干擾從過程通道進入系統(tǒng)，保證信號在總線中的無干擾傳輸。

3.2 軟件抗干擾措施

由于環(huán)境惡劣、現(xiàn)場被測量變化速度緩慢，所以常采用程序判斷濾波法，對采集的信號進行軟件抗干擾措施。

此外，當控制系統(tǒng)存在輸入干擾，又不能用硬件加以有效抑制時，可用軟件重復檢測的方法，達到“去偽存真”的目的，直到連續(xù)2次或連續(xù)2次以上的采集結(jié)果完全一致時方為有效。若信號達到最高次數(shù)限額時，則可給出報警信號。

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