賀洪江，劉春成，任建濤

（1.河北工程大學(xué) 裝備制造學(xué)院，邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，邯鄲 056038）

井下環(huán)境監(jiān)測(cè)是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法采用人工檢測(cè)，檢測(cè)人員周期性地定點(diǎn)巡回測(cè)量。這種監(jiān)測(cè)方式時(shí)間間隔大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布不均勻，已不適應(yīng)當(dāng)前礦井環(huán)境檢測(cè)要求。由于井下環(huán)境管理不善所帶來(lái)的CO中毒、粉塵爆炸等災(zāi)難，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)無(wú)法挽回的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此有必要開(kāi)發(fā)一套適合煤炭井下的精度高、誤差小的自動(dòng)化環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

本系統(tǒng)以井下環(huán)境監(jiān)測(cè)需求為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)的功能要求，以井下空氣質(zhì)量檢測(cè)參數(shù)CO和溫濕度為例，開(kāi)發(fā)了以傳感適配器和STM32微控制器為下位機(jī)、PC為上位機(jī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)分布、集中監(jiān)控，開(kāi)發(fā)了監(jiān)測(cè)精度高、易于擴(kuò)展、能夠?qū)崟r(shí)多點(diǎn)監(jiān)控井下環(huán)境的實(shí)用系統(tǒng)。

1 環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)采用下位機(jī)和上位機(jī)2層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。下位機(jī)是基于STM32處理器的數(shù)據(jù)采集終端，主要功能是數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理。終端通過(guò)CAN總線[2]與上位機(jī)通信。實(shí)時(shí)發(fā)送CO濃度、溫濕度、報(bào)警等信息至上位機(jī)。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of environmental monitoring system

監(jiān)控中心以PC監(jiān)控主機(jī)作為上位機(jī)，對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，可遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采集終端。下位機(jī)和上位機(jī)2部分協(xié)同工作，完成對(duì)環(huán)境質(zhì)量多點(diǎn)多參數(shù)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。PC監(jiān)控主機(jī)接收到警報(bào)信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行二次比對(duì)，防止誤報(bào)，超出閾值上位機(jī)報(bào)警，實(shí)時(shí)告知管理人員井下基本情況，同時(shí)顯示時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境指標(biāo)等報(bào)警信息，管理人員在地面的監(jiān)測(cè)中心就能對(duì)整個(gè)井下環(huán)境質(zhì)量了如指掌。

2 檢測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)及工作原理

下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由STM32微控制器、防爆電源模塊、顯示模塊、撥碼開(kāi)關(guān)、CO濃度檢測(cè)（EC805-CO）、溫濕度采集模塊 SHT11、CAN總線等模塊組成。

下位機(jī)將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成STM32可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)并裝入數(shù)組，再進(jìn)行歸一化加權(quán)算法處理，提高精確度；最終數(shù)據(jù)與終端的閾值進(jìn)行對(duì)比，高出閾值報(bào)警，然后通過(guò)CAN總線向遠(yuǎn)端上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)；低于閾值，數(shù)據(jù)直接上傳至上位機(jī)，完成后繼續(xù)處理下一個(gè)數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)終端硬件結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the hardware structure of the system terminal

2.1 下位機(jī)電源電路

設(shè)計(jì)采用KDW127/12防爆電源對(duì)下位機(jī)進(jìn)行供電，重點(diǎn)解決現(xiàn)場(chǎng)電源與備用電源的無(wú)縫切換問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)電路工作正常時(shí)，處理器采用井下現(xiàn)場(chǎng)127 V進(jìn)行供電，蓄電池做備用電源。為保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性，本文采用4個(gè)超級(jí)電容設(shè)計(jì)了下位機(jī)的內(nèi)部供電系統(tǒng)。保證現(xiàn)場(chǎng)電路和備用電池之間無(wú)縫切換。 供電電路如圖 3 所示，R100對(duì) C401，C402，C403，C404充電電流進(jìn)行限制；C401，C402，C403，C404作為現(xiàn)場(chǎng)電路事故時(shí)持續(xù)為控制器供電的電源，最長(zhǎng)供電時(shí)間可達(dá)400 s。

圖3 下位機(jī)供電電路Fig.3 Lower computer power circuit

2.2 CO濃度監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

EC805-CO模塊采用TTL串口輸出，電化學(xué)檢測(cè)方式，檢測(cè)范圍大（0～500 ppm），無(wú)需預(yù)熱，可靠穩(wěn)定，因此采用EC805-CO對(duì)CO進(jìn)行采集。EC805-CO模塊是TTL串口輸出，所以EC805-CO的4引腳RX與STM32的PA9連接，3引腳與STM32的PA10連接，2引腳接地，1引腳接電源+5 V。電路應(yīng)用如圖4所示。

圖4 CO濃度監(jiān)測(cè)電路Fig.4 Carbon monoxide concentration monitoring circuit

2.3 溫濕度采集電路

下位機(jī)溫濕度傳感器采用SHT11芯片。該傳感器單總線設(shè)計(jì)，接口電路簡(jiǎn)單，直接輸出數(shù)字信號(hào)，測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)。SHT11傳感器2腳DATA與STM32的PB6相連加10 k上拉電阻，3腳SCK與PB7連接，VDD和GND之間連接去耦電容。通過(guò)STM32控制就可采集到相應(yīng)的溫濕度[3]。 SHIT11芯片電路應(yīng)用如圖5所示。

圖5 溫濕度采集電路Fig.5 Temperature and humidity sampling circuit

2.4 繼電器控制電路

該下位機(jī)采用歐姆龍/MK3HP防爆繼電器，控制電路采用光電耦合器與現(xiàn)場(chǎng)電路電氣隔離，防止紋波干擾。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電路發(fā)生停電、閃斷、短路等異常情況時(shí)，STM32控制對(duì)應(yīng)輸出端口，光耦9腳輸出高電平，R32是基極偏置電阻，給三極管基極提供偏置電流；三極管飽和時(shí)，控制繼電器閉合，線路斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)電源切換；如果現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)故障沒(méi)有排除，則繼電器斷開(kāi)狀態(tài)保持，由備用電池組繼續(xù)供電。D6為續(xù)流二極管，C15為濾波電容。繼電器控制電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 繼電器控制Fig.6 Relay controlling circuit

2.5 CAN總線硬件設(shè)計(jì)

硬件電路如圖7（a）所示。CAN收發(fā)器采用PCA82C250，采用6N137光耦進(jìn)行電氣隔離，防止網(wǎng)絡(luò)因故障燒毀主控芯片。PCA82C250是一款高速CAN收發(fā)器芯片，兼容ISO/DIS 11891標(biāo)準(zhǔn)，具有接口簡(jiǎn)單、體積小、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)。該模塊的主要功能是將邏輯電平轉(zhuǎn)換為差分電平。CAN總線傳輸差分信號(hào)，為防止因電阻匹配問(wèn)題引起的信號(hào)反射，在網(wǎng)絡(luò)的兩端加上120 Ω的終端電阻。

U3接收端IN+端采用MORNSUN B0505S5V/5 V隔離，防止旁路對(duì)CAN總線產(chǎn)生紋波干擾，如圖7（b）所示。

圖7 CAN總線硬件Fig.7 CAN-Bus hardware

3 軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)，直接影響到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。監(jiān)控中心和下位機(jī)距離不確定，最遠(yuǎn)端可達(dá)十幾公里。針對(duì)這種特殊情況，設(shè)計(jì)采用LCAN-FOB總線型CAN轉(zhuǎn)光纖設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，該設(shè)備已做防爆處理，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，符合井下使用標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 CAN協(xié)議的選擇

CAN協(xié)議已成為工業(yè)控制領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議之一，通過(guò)該協(xié)議，可以把不同廠商的設(shè)備組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集中控制。

根據(jù)DSA-123 CAN網(wǎng)傳輸規(guī)約，CAN2.0協(xié)議有標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀2種工作模式，本系統(tǒng)采用CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀[4]。幀格式如表1所示，CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)幀ID為11位，可管理200多臺(tái)下位機(jī)，下位機(jī)每幀1次可傳輸8個(gè)字節(jié)有效數(shù)據(jù)。

表1 幀格式結(jié)構(gòu)示意Tab.1 CAN-Bus data frame format

下位機(jī)首次開(kāi)機(jī)，為保證與上位機(jī)信息同步，先與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間同步?，F(xiàn)在上位機(jī)是2015-06-01T7：13：24：33。 時(shí)間存放在 8 個(gè)寄存器中，精確到毫秒，轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制，則上述時(shí)間存儲(chǔ)為07DF 06 01 07 0D 18 00 21。則上位機(jī)發(fā)送校時(shí)廣播命令，格式為

ID28—ID21：1111 1111 目標(biāo)地址：廣播地址

ID20—ID19：00 保留位 置0

ID18—ID13：00 0000 幀號(hào) 0

ID12—ID5：0000 0000 源地址：管理單元地址

ID2—ID0：00 0 幀類型：校時(shí)幀

X X X：000 保留位 置0

DATA0=07DF （0-99）BIN 年

DATA1=06 （1-12）BIN 月

DATA2=01 （1-31）BIN 日

DATA3=07 （0-23）BIN 時(shí)

DATA4=0D （0-59）BIN 分

DATA5=18 （0-59）BIN 秒

DATA6=00 （0-999）BIN 毫秒高位

DATA7=21 毫秒低位

3.2 下位機(jī)控制程序

下位機(jī)終端采用定時(shí)中斷方式對(duì)傳感器數(shù)據(jù)Ti進(jìn)行采集。為防止下位機(jī)由于某些特殊情況造成誤報(bào)錯(cuò)報(bào)，提高采集準(zhǔn)確度，本設(shè)計(jì)采用歸一化加權(quán)平均法對(duì)采集的溫濕度和CO數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如果采用普通的平均值算法，只是把誤差進(jìn)行了平均化，所以得到的最終處理結(jié)果精確度不高。歸一化加權(quán)平均值算法是利用計(jì)算數(shù)據(jù)的加權(quán)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該方法精度高、計(jì)算量小、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，因此本系統(tǒng)采用歸一化加權(quán)平均算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]。具體過(guò)程如下：

1）采集數(shù)據(jù) Ti（i∈［1，n］）進(jìn)行平均值處理

2）計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)相對(duì)平均值Tˉ的偏差量 ΔTi（i∈［1，n］）

3）將偏差量 ΔTi代入權(quán)值函數(shù) F（T）作歸一化處理得到 ΔUi（i∈［1，n］）

4）由歸一化的偏差量得到加權(quán)值 Ui（i∈［1，n］）

5）由上述加權(quán)值最終得到平均值Uˉ

計(jì)算得到的物理量與系統(tǒng)STM32存儲(chǔ)器中的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，即環(huán)境對(duì)應(yīng)指標(biāo)超限，觸發(fā)子程序，聲光報(bào)警，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。下位機(jī)工作流程如圖8所示。

3.3 上位機(jī)工作流程和程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)采用VC++6.0開(kāi)發(fā)，SQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過(guò)調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)CAN的數(shù)據(jù)收發(fā)，完成通信工作。上位機(jī)模塊化設(shè)計(jì)包括CAN通信、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互界面3大部分。

CAN通信和數(shù)據(jù)處理工作流程如圖9所示，CAN總線初始化完成后，上位機(jī)PC采用輪巡方式對(duì)各下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)接收處理。上位機(jī)再次校驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)，超出閾值，報(bào)警；數(shù)據(jù)正常，繼續(xù)接收下一個(gè)ID的數(shù)據(jù)；人機(jī)交互界面完成鍵盤解釋工作，如圖10所示，實(shí)時(shí)顯示位置、CO濃度、溫度、時(shí)間、警報(bào)狀態(tài)等信息。通過(guò)滾動(dòng)條可以查看其他作業(yè)區(qū)環(huán)境情況。

圖8 下位機(jī)工作流程Fig.8 Lower computer work flow chart

圖9 上位機(jī)工作流程Fig.9 Upper computer work flow chart

圖10 上位機(jī)人機(jī)交互界面Fig.10 PC man-machine interaction interface

4 結(jié)語(yǔ)

分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了提高煤礦工人井內(nèi)作業(yè)的安全性、最大限度規(guī)避井內(nèi)CO、溫濕度等因素帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)以STM32微處理器和CAN總線為硬件基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)檢測(cè)井下環(huán)境質(zhì)量。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、丟包率低，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控井下環(huán)境的目的。

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