孫立平 孫文全 王可超 宋政謙 庸國祥

摘 要 本系統(tǒng)通過分析斜井井壁變形的原因，結(jié)合研究現(xiàn)狀，提出基于STM32F407ZGT6單片機(jī)，利用RS-485總線、M-Bus總線，動態(tài)檢測車與靜態(tài)傳感器結(jié)合的一套智能檢測系統(tǒng)。并使用GPRS模塊-SIM900，2.4G模塊-NRF24L01將檢測到的井壁情況接入網(wǎng)絡(luò)，通知用戶。達(dá)到實(shí)時提醒的效果。由于激光檢測車檢測到可能形變后才打開對應(yīng)部分電源，可以節(jié)能并且降低器件損耗。本系統(tǒng)的亮點(diǎn)一是多傳感器檢測，是一個全方位，可靠性比較高的系統(tǒng)；二是提出采用檢測車先檢測，若出現(xiàn)問題則打開對應(yīng)區(qū)域電源的方式，在節(jié)能和降低器件損耗方面有優(yōu)點(diǎn)；三是使用單片機(jī)、總線、傳感器構(gòu)成的智能儀器，更加實(shí)時、準(zhǔn)確。

【關(guān)鍵詞】斜井 井壁變形 智能儀器 監(jiān)測系統(tǒng) 信息傳輸

現(xiàn)在立井井壁檢測技術(shù)已經(jīng)比較成熟，立井井壁檢測與斜井有相同之處，也有所區(qū)別。

要想設(shè)計(jì)一個監(jiān)測系統(tǒng)，首先需要了解引起斜井井壁變形的原因，以及變形所造成的效果，這樣才能選擇合適的智能儀器對這些效果進(jìn)行監(jiān)測。

1 斜井井壁變形的原因，以及變形所造成的效果

經(jīng)研究，造成斜井井壁變形的因素主要是“地下水位變化，地層與井壁之間的摩擦以及地應(yīng)力”這三個因素。由此產(chǎn)生的井壁變形主要體現(xiàn)在：

（1）井壁沿軸向的擠壓和拉伸；

（2）中心線的彎曲和移動；

（3）徑向擠壓引起井壁變形。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示。

將整個傳感器系統(tǒng)分成一塊塊小區(qū)域，分別供電。先用載有激光測距傳感器的掃描車對井壁進(jìn)行輪詢，若發(fā)現(xiàn)疑似出現(xiàn)故障則發(fā)送無線信號打開對應(yīng)區(qū)域電源，這部分傳感器組開始工作，進(jìn)一步確認(rèn)。傳感器組由應(yīng)變片 、輪輻荷重傳感器 、激光測距傳感器組成。

這三個傳感器都是輸出模擬信號，需要DAQM-4202進(jìn)行AD采集，并轉(zhuǎn)換為RS-485信號；然后經(jīng)過485總線傳輸?shù)絊TM32F407ZGT6單片機(jī)處；若應(yīng)變片和輪輻荷重傳感器的輸出值超過規(guī)定值，激光傳感器未接收到信號，則判斷該區(qū)域出現(xiàn)問題；再將信號用2.4G無線傳輸傳到電腦，用SIM900發(fā)消息給手機(jī)，并且打開繼電器進(jìn)行井下報警。整個系統(tǒng)多次監(jiān)測，能夠減小錯判率，保障井下人員的安全。

3 各個模塊的選擇

3.1 傳感器的選擇

分析斜井井壁變形造成的影響：

（1）井壁沿軸向的擠壓和拉伸：可以選用應(yīng)變片測量壓力和拉力的變化，如ZH300。

（2）中心線的彎曲和移動，這種影響可以使用激光傳感器檢測，若下一個激光傳感器能接收到上一個激光傳感器發(fā)出的激光，則在這個傳感器之前的電路沒有問題，以此確定形變區(qū)域。為防止采礦機(jī)械的影響，將激光傳感器置于頂部。選用GLS-B100激光傳感器。

（3）形變會引起井壁所受力的改變，因此可以在容易形變的特殊區(qū)域，如拐點(diǎn)，長壁中心點(diǎn)等位置使用輪輻荷重傳感器檢測受力?？蛇x用米科的傳感器，如圖2所示。

3.2 激光測距掃描車的設(shè)計(jì)

如圖3所示，斜井通道會鋪設(shè)軌道以便于采礦，這為掃描車的使用提供了方便。這種掃描車的核心是激光測距傳感器：先由激光二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間，即可測定目標(biāo)距離。

得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換傳入STM32單片機(jī)，再接入電腦儲存起來，形成一個數(shù)據(jù)庫，若某次檢測到一個區(qū)域的距離與平時的距離差別較大，單片機(jī)用無線通知對應(yīng)區(qū)域電源打開，進(jìn)而打開該區(qū)域傳感器進(jìn)行精確檢測。

3.3 AD轉(zhuǎn)換及RS-485總線傳輸

各個傳感器得到的信號都是模擬信號，要想傳輸需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這里采用八路模擬量轉(zhuǎn)485信號的模塊DAQM-4300，這種模塊分辨率可達(dá)16位，運(yùn)行需要的溫濕度條件比較寬松，適合在環(huán)境惡劣的礦井井道中使用。它的工作電壓在7-36V之間，需要外加電源。

礦井巷道內(nèi)情況復(fù)雜，不能使用無線傳輸，RS-485 標(biāo)準(zhǔn)采用差分半雙工方式傳輸，最大的傳輸距離約為 1200m，傳輸速率為 90kbps，傳輸線路使用平衡雙絞線。一根RS-485總線可以同時接30多個傳感器，可降低鋪設(shè)線路的復(fù)雜度。因此選擇RS-485總線進(jìn)行傳輸。

3.4 單片機(jī)選用

單片機(jī)選用STM32F407ZGT6，眾多的IO接口、無線模塊接口、低功耗等性能使該單片機(jī)能很容易完成接收數(shù)據(jù)并且進(jìn)行無線傳輸?shù)娜蝿?wù)。

4 無線傳輸

傳輸?shù)骄蠁纹瑱C(jī)的信號一方面需要傳到遠(yuǎn)程終端機(jī)，另一方面需要給手機(jī)發(fā)送短信以便外界能更快速地了解井壁情況，更快做出補(bǔ)救。因此在無線傳輸上選用2.4G模塊NRF2401和GPRS無線模塊SIM900。

4.1 2.4G模塊NRF24L01

NRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片，無線通信速度最高可達(dá)到2Mbps。

有以下特點(diǎn)：

（1）2.4G全球開放的ISM頻段，免許可證使用。

（2）最高工作速率2Mbps，高校的GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)。

（3）126個可選的頻道，滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信的需要。

4.1.1 與單片機(jī)的連接

NRF24L01采用SPI通信，可以很方便的連接到MCU上面。只需要將“SCK-PB3 MISO-PB4 MOSI-PB5”對應(yīng)連接即可，如圖4。

4.1.2 與PC機(jī)的連接

單片機(jī)+nrf24L01做為接收端，單片機(jī)再通過串口連接PC機(jī)。

4.1.3 整體傳輸圖

如圖5所示。

單片機(jī)+NRF24L01做為發(fā)送端：任務(wù)是把信息發(fā)送出去；

單片機(jī)+NRF24L01做為接收端：任務(wù)是NRF24l01接收發(fā)來的信息，并把信息送給單片機(jī)進(jìn)而通過串口送給PC機(jī)。

4.2 GPRS無線模塊SIM900

ATK-SIM900A 模塊板載工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊：SIM900A，工作頻段雙頻：900/1800Mhz，可以實(shí)現(xiàn)低功耗數(shù)據(jù)的傳輸。

SIM900與單片機(jī)連接后，就能給手機(jī)端發(fā)送短信，以此快速提醒管理人員井內(nèi)的情況。

ATK-SIM900A 所有的控制與數(shù)據(jù)，都是通過串口來傳輸?shù)?，所以STM32F4與模塊連接，只需要連接串口即可。

連接如表1所示。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)的亮點(diǎn)一是多傳感器檢測，是一個全方位，可靠性比較高的系統(tǒng)；二是提出采用檢測車先檢測，若出現(xiàn)問題則打開對應(yīng)區(qū)域電源的方式，在節(jié)能和降低器件損耗方面有優(yōu)點(diǎn)；三是使用智能儀器，更加實(shí)時、準(zhǔn)確。各種無線通信方式的使用也使整個系統(tǒng)的時效性更好，能更快速地做出決策，保障人員安全，減少損失。

這個系統(tǒng)各種組合儀器擁有對數(shù)據(jù)的儲存，運(yùn)算，邏輯判斷及自動化操作等功能，是典型的智能儀器系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中，各種CUP的使用使得傳感器采集到的信息能更有效的利用。智能儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和測量技術(shù)的產(chǎn)物，這也是它不同于普通聰敏儀器和模塊化儀器的地方

參考文獻(xiàn)

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[4]程德福.智能儀器[M].北京工業(yè)出版社，2014.

作者單位

山東科技大學(xué) 山東省青島市 266000