李 鵬，姜 琳，董慶余

（1.濟寧高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)管委會 山東 濟寧 272000；2.山東理工職業(yè)學院建筑工程學院 山東 濟寧272000；3.濟寧六合工程機械有限公司 山東 濟寧 272000）

基于ARM的礦用注漿在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 鵬1，姜 琳2，董慶余3

（1.濟寧高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)管委會 山東 濟寧 272000；2.山東理工職業(yè)學院建筑工程學院 山東 濟寧272000；3.濟寧六合工程機械有限公司 山東 濟寧 272000）

基于ARM的礦用注漿在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線，使用ARM系列STM32F103單片機開發(fā)下位機，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)自動采集和上傳。上位機監(jiān)測軟件采用.NET平臺C#語言設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)讀取存儲、曲線顯示、實時控制、歷史查詢、注漿統(tǒng)計、壓力計算等。下位機硬件電路數(shù)據(jù)采集效率高、穩(wěn)定性強，上位機監(jiān)測軟件界面友好、操作靈活，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸準確性、穩(wěn)定性及監(jiān)測系統(tǒng)的人機交互性，并通過工程實踐驗證了系統(tǒng)的各項功能。

注漿；在線監(jiān)測；ARM單片機；.NET

注漿技術(shù)是一種具有很強實用性的工程技術(shù)，主要應用于防治水災害和加固地層。煤礦生產(chǎn)十分關(guān)注現(xiàn)場注漿數(shù)據(jù)，它不僅是煤礦企業(yè)績效評價的重要依據(jù)，其質(zhì)量直接關(guān)系到井下突水事故預防效果，對煤礦安全生產(chǎn)管理意義重大。長期以來，國內(nèi)煤礦企業(yè)對注漿現(xiàn)場缺乏科學高效的監(jiān)測手段，且監(jiān)測參數(shù)單一，監(jiān)測系統(tǒng)缺乏靈活可擴展性，存在人為疏漏誤報現(xiàn)象，這種粗放型管理方式明顯不符合現(xiàn)代煤礦安全管理的要求。為提升注漿工作精細化管理水平，提高注漿作業(yè)的自動化程度，使煤礦管理人員隨時掌握注漿現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)變化，及時調(diào)整應對策略，文中主要研究對注漿過程進行實時在線監(jiān)測，準確獲取重要參數(shù)，實現(xiàn)注漿自動化監(jiān)測統(tǒng)計系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

文中系統(tǒng)是基于工業(yè)以太網(wǎng)、CAN總線開發(fā)，由注漿監(jiān)測服務(wù)器、傳輸分站及采集分站組成。注漿監(jiān)測服務(wù)器主要功能為實時數(shù)據(jù)顯示和存儲，歷史數(shù)據(jù)查詢和曲線顯示，壓力計算和統(tǒng)計報表等，傳輸分站主要功能實現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡(luò)同工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，采集分站主要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)包括壓力、流量、流速、加速度等自動采集和實時上傳[3]。圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

注漿監(jiān)測服務(wù)器作為系統(tǒng)的主控計算機，運行在服務(wù)器端，監(jiān)聽終端采集數(shù)據(jù)?；赨DP協(xié)議傳輸實時性強、適合單次傳輸少量數(shù)據(jù)等特點，上位機監(jiān)測軟件采用標準網(wǎng)絡(luò)傳輸報文協(xié)議UDP/IP協(xié)議棧作為物理層及以上各層的通訊協(xié)議，默認通過預設(shè)端口號8001來訪問傳輸分站，也可軟件設(shè)置。通過傳輸分站UDP/IP協(xié)議與CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)監(jiān)測服務(wù)器同采集分站的數(shù)據(jù)通訊[4]。

2 基于CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)的通訊

通訊網(wǎng)絡(luò)基于工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線，通過使用CANET工業(yè)級雙路智能CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)接口卡實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換。工業(yè)以太網(wǎng)通訊設(shè)備包括監(jiān)測服務(wù)器、傳輸分站、以太網(wǎng)交換機等；CAN總線設(shè)備包括采集分站、傳輸分站[5-7]。圖2所示為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)傳輸分為井下和井上兩部分。井下數(shù)據(jù)傳輸以CAN總線和以太網(wǎng)光纖為主。其中，CAN總線用于采集分站與傳輸分站之間的數(shù)據(jù)傳輸。井下CAN總線傳輸部分要求最長傳輸距離 2千米，最多終端數(shù)20個，最短監(jiān)測周期10秒。CAN通訊以標準CAN總線傳輸層協(xié)議為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)幀包含幀信息（1字節(jié)）、幀ID（4字節(jié)）和幀數(shù)據(jù)（8字節(jié)）共13字節(jié)。其中，幀ID由設(shè)備ID（2字節(jié)）和傳感器ID（2字節(jié)）組成?？偩€波特率默認設(shè)置10kbps，用戶可通過監(jiān)測軟件遠程設(shè)置總線波特率。數(shù)據(jù)幀中最后字節(jié)用于校驗，其它非有效數(shù)據(jù)字節(jié)填0x00，使用異或校驗法[8-9]。每個采集分站有唯一ID號，且ID號設(shè)置允許掉電保持。傳感器類型ID須按照預先協(xié)議規(guī)定設(shè)置，傳感器類型ID配置如表1所示。

表1 傳感器類型ID

3 系統(tǒng)組成

3.1 下位機采集分站

采集分站由主控設(shè)備箱硬件部分和測量傳感器組成。系統(tǒng)ARM硬件控制系統(tǒng)主要由STM32F103微控制器、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、電源及各種接口等組成。主控設(shè)備箱是采集分站主體，測量傳感器包括電磁流量計、加速度傳感器、壓力傳感器，通過電纜線與主控設(shè)備箱外接。

1）ARM控制系統(tǒng)：系統(tǒng)中數(shù)據(jù)自動采集功能核心部分使用ARM控制系統(tǒng)，核心單元選用高性能ARM芯片STM32f103。傳感器信號轉(zhuǎn)換采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)存儲顯示、數(shù)據(jù)上傳等功能模塊都受ARM芯片控制。傳感器信號采集模塊使用電流/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換傳感器信號，然后通過ARM芯片的高精度A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)處理模塊通過ARM芯片智能算法對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行處理，轉(zhuǎn)化為所需注漿流量、流速、壓力、加速度數(shù)據(jù)。存儲顯示模塊通過ARM芯片控制存儲器和顯示器，將采集數(shù)據(jù)存儲到flash并顯示到設(shè)備LED顯示屏。通訊模塊通過ARM芯片內(nèi)部CAN控制器完成標準CAN總線底層協(xié)議通訊，通過ARM芯片的運算處理解析CAN總線通訊數(shù)據(jù)，定時上傳注漿監(jiān)測數(shù)據(jù)。ARM控制系統(tǒng)軟件由初始化程序、循環(huán)主程序和各功能模塊子程序組成。軟件啟動時先執(zhí)行初始化程序，然后進入主程序循環(huán)調(diào)用各功能模塊子程序。ARM芯片通過分配不同等級的優(yōu)先級中斷程序，實現(xiàn)各參數(shù)實時采集[10-12]。圖3所示為CAN收發(fā)電路原理圖。

2）電流／電壓轉(zhuǎn)換電路：注漿監(jiān)測系統(tǒng)中，電磁流量計的輸出信號為電流信號，要轉(zhuǎn)化成可被系統(tǒng)處理的電壓信號，需經(jīng)電流／電壓轉(zhuǎn)換。圖4所示為電流/電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖，WT為模擬量電流信號，R4為采樣電阻，R8為限流電阻，BAO為4.7 V基準電壓。AD6連接STM32f103單片機中AD采集I/O口。

圖3 CAN收發(fā)電路原理

圖4 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路原理

3.2 上位機監(jiān)測軟件

1）軟件整體結(jié)構(gòu)：在整個系統(tǒng)中，每臺采集分站由傳感器（壓力、流量、流速、加速度）采集信號并將其存儲到單片機的Flash中，同時將數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送至傳輸分站，經(jīng)CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)適配器協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送至上位機。上位機軟件監(jiān)聽來自傳輸分站的終端采集數(shù)據(jù)，功能包括：實時采集數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫；實時數(shù)據(jù)動態(tài)曲線顯示；遠程集中控制，實現(xiàn)對采集分站重啟、自檢、ECHO應答、總線速率、發(fā)送間隔等指令發(fā)送；系統(tǒng)通訊狀態(tài)顯示、設(shè)備故障報警；歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線分析、注漿統(tǒng)計分析等。

2）軟件核心功能：在注漿監(jiān)測系統(tǒng)中，上位機軟件采用.NET平臺C#語言開發(fā)，基于Socket技術(shù)開發(fā)通訊模塊，數(shù)據(jù)存儲采用Sqlserver2005數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)存儲、動態(tài)曲線及注漿統(tǒng)計等多任務(wù)高效并發(fā)，綜合運用.NET線程池管理、C#委托、數(shù)據(jù)庫存儲過程等技術(shù)[13-15]。部分關(guān)鍵代碼如下：

4 實驗應用

軟件運行在工程現(xiàn)場實驗環(huán)境中時，點擊實時監(jiān)控界面中開始按鈕，系統(tǒng)開始接收采集分站數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控顯示當前設(shè)備連接數(shù)量及設(shè)備信息，通訊狀態(tài)欄中顯示數(shù)據(jù)采集情況，圖5所示為實時監(jiān)測界面。軟件注漿統(tǒng)計模塊中，軟件可根據(jù)用戶預設(shè)日水灰比參數(shù)，按照水灰比生效時間點分段計算注漿日、月、年累計并生成統(tǒng)計報表，注漿日累計可自動生成日分時統(tǒng)計柱形圖，圖6所示為注漿統(tǒng)計界面。為避免用戶誤操作，系統(tǒng)設(shè)定了權(quán)限管理，用戶只有在通過身份密碼驗證的情況下，才能進行相關(guān)權(quán)限操作，同時可以靈活修改賬戶密碼，管理員可以維護用戶信息，有效提高了監(jiān)測系統(tǒng)的安全性和靈活性。用戶可在歷史查詢界面查詢某時間區(qū)間內(nèi)所有參數(shù)歷史數(shù)據(jù)及歷史曲線圖。

圖5 實時監(jiān)測界面

圖6 注漿統(tǒng)計界面

5 結(jié) 論

文中介紹了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線開發(fā)的注漿在線監(jiān)測系統(tǒng)，從通訊協(xié)議、功能開發(fā)等幾個方面詳細進行了闡述。該系統(tǒng)經(jīng)過工程現(xiàn)場試驗，連續(xù)運行近半年，可靠性高、實時性強，并具有以下特點：數(shù)據(jù)采集分站采用ARM32位可編程控制器作為下位機，使數(shù)據(jù)自動采集和處理、通訊可靠性及系統(tǒng)穩(wěn)定性得到極大提升；數(shù)據(jù)傳輸分站與上位機采用光纖通訊，最大限度地抑制了環(huán)境變化對數(shù)據(jù)通訊的影響；上位機程序?qū)崿F(xiàn)了對下位機的自動數(shù)據(jù)采集，可通過以太網(wǎng)對采集分站發(fā)送控制命令，用戶可以隨時了解實時注漿信息及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，方便獲取管理決策數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件和軟件均采用模塊化設(shè)計，便于擴展，可根據(jù)實際監(jiān)測需要增加傳感器完成系統(tǒng)功能擴展。

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The design of online grouting monitoring system based on ARM

LI Peng1，JIANG Lin2，DONG Qing-yu3
（1.Jining National High-tech Industrial Development Zone.，Jining 272000，China；2.Shandong Polytechnic College Jining 272000，China；3.Jining Liu He Engineering Machinery Co.Ltd.，Jining 272000，China）

The online grouting monitoring systemis a network control systembased on Industrial CAN bus and Ethernet.Slave computer hardware developed by ARM micro-controller realizes multi-channel automatic data acquisition and uploading.Mater computer software developed by C#of.NET framework achieves remote real-time data reading and storage，curve display，real-time control，historical inquiry，grouting statistics，pressure calculation and other functions.In this system，the hardware circuit of slave computer for data acquisition is efficient and stable.The software monitoring system of mater computer has friendly interface and flexible operation.The entire system which achieves data accuracy，transmission capability and good man-machine conversation capability is verified by engineering practice.

grouting method；online monitoring；ARMSCM；.NET

TP274

A

1674-6236（2017）09-0128-04

2016-06-13稿件編號：201606093

國家科技支撐計劃（2013BAK06B00）

李 鵬（1983—），男，山東濟寧人，碩士研究生。研究方向：計算機應用技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)。