摘 要： 針對監(jiān)測煤礦環(huán)境參數(shù)的需求，提出了一個完整的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案。首先描述了傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，然后按照HART傳感器網(wǎng)絡(luò)總線的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層的三層協(xié)議架構(gòu)闡述了研究方案。方案包括調(diào)制解調(diào)模塊和USB接口等組成部分的設(shè)計，獲得了實用新型專利，且該產(chǎn)品運行穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞： HART協(xié)議； 調(diào)制解調(diào)模塊； 嵌入式微處理器； 調(diào)制解調(diào)

中圖分類號： TN915.04?34； TP393 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）17?0106?03

Research on sensor network technology for coal mine

environmental parameters monitoring

LI Dan

（Jilin Agricultural Science and Technology University， Jilin 132101， China）

Abstract： According to the requirement of coal mine environmental parameters monitoring， a complete solution of distributed sensor network is proposed. The topology structure of the sensor network is described. And then the research scheme according to the protocol architectures of physical layer， data link layer， application layer of the HART sensor network bus is described. This scheme includes the design of modulating and demodulating module， USB interface， and other components. The scheme has obtained the patent for utility model， and its product has stable and accurate operation.

Keywords： HART protocol； modulating and demodulating module； embedded microprocessor； modulation and demodulation

0 引 言

煤炭開采主要是地下作業(yè)，井下處理災(zāi)害的能力受限并且礦井環(huán)境復(fù)雜多變，因此有效監(jiān)控煤礦環(huán)境參數(shù)并有效預(yù)警是保障煤礦安全生產(chǎn)的有力措施。我國礦井重大事故中70%以上是瓦斯事故，所以礦井環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的重點是瓦斯?jié)舛葯z測，除此之外還包括煤塵濃度，CO，NO，SO2，H2S，NH3有害或易燃氣體濃度，風(fēng)速，風(fēng)壓等參數(shù)的監(jiān)測。由于煤炭井下各種大型電氣設(shè)備產(chǎn)生較惡劣的電磁噪聲污染，并且煤礦環(huán)境下要求各電氣設(shè)備符合本質(zhì)安全防爆特性，所以礦井環(huán)境監(jiān)測智能設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)必須具有強抗干擾能力、具有本質(zhì)安全防爆特性。目前工控場合廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場總線式網(wǎng)絡(luò)，本文研究采用礦用屏蔽雙絞線作為傳輸媒介的HART協(xié)議網(wǎng)絡(luò)[1]。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計

根據(jù)煤炭開采井下作業(yè)的地理分布特點，煤礦環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)三層拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。地面中心計算機是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最頂層，完成煤礦環(huán)境參數(shù)的最終匯集、分析、預(yù)警工作。中心計算機通過工業(yè)高速以太網(wǎng)連接井下各個開采通道的監(jiān)測計算機。位于拓撲結(jié)構(gòu)中間層的監(jiān)測計算機通過HART協(xié)議總線網(wǎng)絡(luò)連接自己所在開采礦道的傳感器節(jié)點。各類智能型傳感器節(jié)點位于拓撲結(jié)構(gòu)的最底層，完成包括瓦斯?jié)舛?、煤塵濃度、CO濃度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測工作[2]。

可尋址傳感器數(shù)據(jù)通路HART協(xié)議（Highway Addressable Remote Transducer）是具有代表性和普遍性的一種既支持新型智能儀表的數(shù)字信號又兼容傳統(tǒng)的模擬信號的過渡期協(xié)議。如圖1所示的電流環(huán)路采用礦用屏蔽雙絞線作為介質(zhì)，信號傳輸距離可以達到2 000 m。拓撲結(jié)構(gòu)第三層的傳感器將環(huán)境參數(shù)實時測量后通過HART協(xié)議總線網(wǎng)絡(luò)反饋給第二層的井下監(jiān)測計算機，經(jīng)過初步加工處理后通過工業(yè)以太網(wǎng)傳遞給第一層的地面中心計算機完成數(shù)據(jù)匯總、分析和煤礦安全預(yù)警計算。

本文主要研究傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的HART協(xié)議總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法。HART協(xié)議參考了ISO/OSI七層模型，采用它的簡化三層模型結(jié)構(gòu)，包括第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。物理層規(guī)定了信號的傳輸方法，信號電平；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀的格式；應(yīng)用層規(guī)定 HART 命令集。在圖1中描述的HART網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)位于監(jiān)測計算機側(cè)的HART接口結(jié)構(gòu)和位于傳感器側(cè)的接口結(jié)構(gòu)是類似的，下文對位于監(jiān)測計算機側(cè)的HART接口結(jié)構(gòu)進行詳細設(shè)計。

2 物理層設(shè)計

煤礦井下監(jiān)測計算機HART協(xié)議通信系統(tǒng)由主機和從機兩部分組成。主機是由監(jiān)測計算機實現(xiàn)，主要任務(wù)是完成人機界面接口，即選擇HART 功能命令和顯示HART應(yīng)答數(shù)據(jù)。從機是由嵌入式微處理器實現(xiàn)，完成對HART調(diào)制解調(diào)器的操作，實現(xiàn)發(fā)送命令由數(shù)字信號調(diào)制成音頻信號和接收的組態(tài)響應(yīng)由音頻信號解調(diào)成數(shù)字信號。主機與從機之間通過USB總線通信。從機的電路由USB通信模塊、嵌入式微處理器模塊、HART調(diào)制解調(diào)器模塊、顯示模塊組成。

2.1 USB通信模塊設(shè)計

USB串行通信模塊采用PL2303芯片，用于實現(xiàn)USB和標(biāo)準(zhǔn)RS 232串行端口之間的轉(zhuǎn)換。PL2303模塊外圍電路的晶體振蕩器頻率是12 MHz。RXD和TXD分別是異步串行接口的接收和發(fā)送引腳，用來完成與嵌入式處理器的通信。DP和DM引腳分別連接USB母座接口的D+引腳和D?引腳，完成與主控機監(jiān)測計算機的通信。

2.2 嵌入式微處理器模塊設(shè)計

HART接口控制核心采用Xilinx公司推出的低功耗、高性能的Zynq?7000全可編程系列芯片XC7Z20?1CLG400。芯片由雙核ARM Cortex?A9 CPU和FPGA 可編程邏輯組成。此芯片既繼承了ARM處理器優(yōu)異的軟件編程能力，也繼承了FPGA強大的硬件可編程能力[3]。

首先，芯片ARM系統(tǒng)提供的GPIO端口工作在MIO模式，完成控制HART調(diào)制解調(diào)模塊發(fā)送和接收狀態(tài)的切換；ARM系統(tǒng)提供的兩個UART控制器，其中一個完成與調(diào)制解調(diào)模塊的數(shù)據(jù)通信，另一個完成與USB模塊的通信。其次，芯片F(xiàn)PGA可編程邏輯實現(xiàn)自定義的硬件VGA的IP核，提供HART接口的數(shù)據(jù)顯示功能。

2.3 HART調(diào)制解調(diào)器模塊設(shè)計

在HART模塊選用A5191HRT芯片，該芯片適用于符合HART協(xié)議現(xiàn)場儀表和主控設(shè)備的CMOS調(diào)制解調(diào)器。HART模塊使用較少的外圍元件就可以滿足HART協(xié)議物理層的規(guī)定，實現(xiàn)調(diào)制模塊、解調(diào)模塊、接收濾波模塊、載波檢測模塊和發(fā)送信號整形模塊。HART模塊采用半雙工的1 200 b/s頻移鍵控FSK調(diào)制方式。

如圖2所示，HART模塊由A5191HRT U1、電壓跟隨器U2和電子開關(guān)U3組成，U2電壓跟隨器用來提高A5191HRT的OTXA引腳輸出音頻信號的負載能力；HART模塊的接收信道和發(fā)送信道共用圖中的HART節(jié)點，由于發(fā)送信道的輸入阻抗低，因此在HART模塊接收音頻信號時使用電子開關(guān)U3增加發(fā)送信道的輸入阻抗[4]。

圖2 調(diào)制解調(diào)器模塊電路圖

當(dāng)芯片U1的INRTS引腳處于高電平、電子開關(guān)U3斷開時，模塊處于接收狀態(tài)從而信號被解調(diào)，OCD載波檢測信號引腳通知微處理器有解調(diào)數(shù)字信號生成，微處理器從ORXD引腳讀入數(shù)字信號。當(dāng)INRTS引腳處于低電平、電子開關(guān)U3閉合時，模塊處于發(fā)送狀態(tài)，微處理器將待轉(zhuǎn)化信號從ITXD引腳送入HART模塊。

3 數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計

在數(shù)據(jù)鏈路層具有完整邏輯意義的幾個基本數(shù)據(jù)單位組成的數(shù)據(jù)幀按照數(shù)據(jù)流向可分為：由主控設(shè)備PC機傳向現(xiàn)場從設(shè)備傳感器的主從數(shù)據(jù)幀或命令幀，由傳感器反饋給PC機的主從數(shù)據(jù)幀或應(yīng)答幀。主從數(shù)據(jù)幀格式包括先導(dǎo)字符、分界符字節(jié)、地址字段、命令字段、計數(shù)字段、數(shù)據(jù)字段、校驗字段。

4 應(yīng)用層設(shè)計

HART網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)頂層屬于應(yīng)用層設(shè)計，由運行在井下監(jiān)測計算機上Visual Basic語言設(shè)計的應(yīng)用軟件實現(xiàn)。這個應(yīng)用軟件由兩個功能模塊組成，包括連接傳感器節(jié)點控制模塊和讀取傳感器當(dāng)前各項工作參數(shù)模塊。

在連接傳感器控制模塊中實現(xiàn)了兩項功能：完成檢測計算機與本地HART接口的連接；發(fā)送HART協(xié)議0號命令讀取傳感器設(shè)備類型代碼、版本、設(shè)備標(biāo)識碼。檢測計算機與本地HART接口的連接使用Visual Basic語言中的MSComm控件進行設(shè)計，代碼如下：

MSComm1.CommPort =′cmbport.ListIndex + 1′本程序使用cmbport列表框選擇串行端口號

MSComm1.Settings = \"9600，o，8，1\"

發(fā)送的HART協(xié)議0號命令幀格式：先導(dǎo)字符5個HFF、分界符字節(jié)H02、地址字段H80、命令字段H00、計數(shù)字段H00、校驗字段[5]。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了完整的煤礦環(huán)境參數(shù)監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中HART協(xié)議傳感器系統(tǒng)已經(jīng)取得實用新型專利CN204790453U。開發(fā)生產(chǎn)的HART接口物理設(shè)備在帶有HART協(xié)議智能閥門定位器的用戶現(xiàn)場已穩(wěn)定運行大約兩年的時間。系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，工作穩(wěn)定可靠。

參考文獻

[1] 孫改平，郭海文.煤礦井下環(huán)境安全評價系統(tǒng)的研究[J].煤炭技術(shù)，2015，34（6）：320?322.

[2] 馬納吉，馬安昌.基于DSP的煤礦數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2015，34（8）：265?266.

[3] 莫灼宇.煤礦井下環(huán)境參數(shù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入式Web Server的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2014，33（2）：163?165.

[4] 李丹，許薇.一種便攜式HART分析儀平臺：中國，CN204790453U[P].2015?11?18.

[5] 趙亮.煤礦在用安全監(jiān)控在線達標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2015，34（8）：213?215.

[6] 戚艷軍，冀汶莉，李強.基于物聯(lián)網(wǎng)的井下監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（14）：64?66.