齊笑笑，郭佑民,2,3，齊金平,2,3

（1.蘭州交通大學 機電技術(shù)研究所，蘭州 730070；2.甘肅省物流及運輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省物流與信息技術(shù)研究院，蘭州730070）

0 引言

安全監(jiān)控是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障，對煤礦井下甲烷氣體、CO氣體和粉塵等參數(shù)進行監(jiān)測，能夠減少煤礦安全事故的發(fā)生[1]。數(shù)據(jù)采集裝置是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)之一。目前煤礦井下數(shù)據(jù)采集裝置存在采集數(shù)據(jù)量偏少、準確度不高、布線繁瑣、線路易老化以及抗干擾能力差等問題[2]。為解決這些問題，應用新技術(shù)新裝備，提高監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)性能和安全可靠性，設(shè)計一套新型的數(shù)據(jù)采集裝置非常必要。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集裝置是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，礦井監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。目前國內(nèi)大部分煤礦井下數(shù)據(jù)采集裝置具有測點多、分布廣、傳輸距離長等特點。數(shù)據(jù)采集裝置到監(jiān)測分站通信有幾十米甚至幾百上千米布線，長距離布線通信成本高，布線繁瑣，長時間工作通信電路易產(chǎn)生老化使得線路接觸不良，井下變頻設(shè)備、大功率設(shè)備工作時會釋放強烈的電磁干擾，這些因素也都會導致數(shù)據(jù)采集裝置傳輸?shù)奖O(jiān)測分站的數(shù)據(jù)不準確[3]。

本裝置針對現(xiàn)有裝置存在的缺點進行改進設(shè)計，充分利用傳感器技術(shù)的最新成果，提高裝置采集數(shù)據(jù)的準確度和抗干擾能力；通信方式將傳統(tǒng)布線方式改進為采用有線和無線相結(jié)合，支持多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合，減少布線繁瑣，提高系統(tǒng)拓展能力，減少通信線路易老化問題。

圖1 礦井監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 裝置硬件設(shè)計

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置總體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以上技術(shù)特點，本數(shù)據(jù)采集裝置包含中心控制器、傳感器模塊、監(jiān)控攝像機、人機交互模塊，存儲模塊、電源模塊、報警模塊、CAN總線接口[4]、RS485接口、SPI總線接口以及GPRS模塊組成。數(shù)據(jù)采集裝置總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。中心控制器選用STM32系列STM32F103RCT6芯片，該芯片滿足高性能、低功耗、實時應用以及價格便宜等優(yōu)點[5]。無線通信方式采用GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測分站通信，煤礦井下GPRS網(wǎng)絡(luò)信號強以及不易布線的地方采用無線數(shù)據(jù)采集裝置；有線通信方式采用CAN總線與監(jiān)測分站通信，針對煤礦井下GPRS網(wǎng)絡(luò)信號不好以及布線方便的地方采用CAN總線數(shù)據(jù)采集裝置。數(shù)據(jù)采集裝置采用不同的通信方式，在煤礦井下進行合理布局，多點監(jiān)測，較廣分布，以達到對煤礦井下參數(shù)有效監(jiān)測的目的。

2.1 傳感器模塊

目前國內(nèi)大部分煤礦井下采用的傳感器技術(shù)相對落后，催化以及電化學技術(shù)傳感器壽命短，工作穩(wěn)定性差，存在零點漂移；模擬量傳感器易受井下電磁干擾，測量精度低[6]。本裝置傳感器通信接口采用RS485、SPI總線和CAN總線多接口相結(jié)合的方式，將新型數(shù)字傳感器應用于本裝置，豐富傳感器使用種類，提高裝置拓展能力、抗干擾能力以及采集準確度。多接口新型數(shù)字傳感器在裝置末端進行多點布置，某一傳感器出現(xiàn)故障不會影響數(shù)據(jù)采集，提高數(shù)據(jù)采集的可靠性，為監(jiān)測中心提供有效數(shù)據(jù)。傳感器模塊包含甲烷傳感器、CO傳感器和粉塵傳感器，甲烷傳感器采用GJC4型甲烷傳感器；一氧化碳傳感器采用GTH1000型一氧化碳傳感器；粉塵傳感器采用GC1000J型礦用粉塵傳感器，這三種傳感器均為RS485通信接口，中心控制器STM32只能輸出TTL信號，傳感器與STM32之間用RS485模塊連接，與中心控制器的電路圖連接如圖3所示。

2.2 人機交互模塊

人機交互模塊主要功能是能夠?qū)崟r顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)，供現(xiàn)場巡檢人員觀察井下數(shù)據(jù)情況，還可設(shè)置傳感器超限值等相關(guān)參數(shù)。人機交互模塊采用3.5寸USART HMI組態(tài)屏，與STM32串口連接實現(xiàn)通信，開發(fā)效率高，支持串口下載和SD卡下載，支持PC端模擬調(diào)試，支持模擬器和設(shè)備同步調(diào)試。

2.3 監(jiān)控攝像頭

圖3 數(shù)據(jù)采集裝置總體硬件電路圖

監(jiān)控攝像頭主要功能是定時拍攝井下圖片，STM32控制監(jiān)控攝像頭定時拍攝井下圖片，圖片保存在存儲模塊，保存的現(xiàn)場圖片定時通過GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可通過遠程接收的圖片觀測井下設(shè)備以及人員工作情況，如有工作異?；蛱厥馇闆r，監(jiān)控中心可及時采取相應措施，保證煤礦井下工作安全。選用ALIENTEK OV7670攝像頭模塊，該傳感器體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能[7]。攝像頭模塊與STM32電路連接圖如圖5所示。

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊采用型號為ATK-SIM800C的四頻GSM/GPRS模塊，SIM800C具有短信以及GPRS通信等基本功能，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，提供TTL、RS232、RS485三種通訊接口，無線透明傳輸以及方便入網(wǎng)等特點[8]。GPRS模塊的主要功能是實現(xiàn)煤礦井下傳感器采集數(shù)據(jù)和圖片信息的定時發(fā)送以及接收監(jiān)控中心站。采集數(shù)據(jù)超限時，SIM800C向中心站發(fā)送超限指令的同時能以短信的方式將超限信息發(fā)送到工作人員手機上，以防工作人員臨時離開工作崗位不能及時發(fā)現(xiàn)超限信息。SIM800C的UART2_RXD、UART2 _TXD、GND三個引腳分別與STM32的U3_RX、U3_TX、GND三個引腳連接，來實現(xiàn)SIM800C與STM32數(shù)據(jù)之間的通信，SIM800C與STM32電路連接圖如圖5所示。

2.5 存儲模塊

存儲模塊用于將采集到的數(shù)據(jù)和圖片信息保存在外部存儲設(shè)備中，由于STM32F103RCT6芯片沒有自帶文件系統(tǒng)，所以，本系統(tǒng)的存儲模塊采用了CH376芯片來外接更大的存儲設(shè)備，將采集到的數(shù)據(jù)在本地備份，必要時便于監(jiān)測中心提取和查看歷史信息。CH376支持USB設(shè)備方式和USB主機方式，并且內(nèi)置了USB通訊協(xié)議的基本固件，裝置采用了SPI接口與處理器進行通信[9]，CH376與STM32的硬件連接圖如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

裝置軟件部分采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32開發(fā)板，因此選用了Keil uVision5作為集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境，裝置軟件程序設(shè)計包括：傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、顯示模塊、圖片采集模塊、GPRS模塊以及存儲模塊。以裝置軟件程序設(shè)計中的GPRS模塊程序和數(shù)據(jù)存儲程序為例進行說明。

3.1 GPRS模塊程序設(shè)計

GPRS模塊程序主要實現(xiàn)功能是將采集煤礦井下數(shù)據(jù)定時發(fā)送給監(jiān)控中心，若發(fā)送數(shù)據(jù)接近超限范圍，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時發(fā)送報警信息給監(jiān)測中心，GPRS模塊程序流程圖如圖4所示。GPRS模塊每間隔一分鐘發(fā)送打包數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心，當判斷采集數(shù)據(jù)接近超限值范圍時，GPRS模塊自動調(diào)節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)時間為1秒并同時發(fā)送報警信息。通過煤礦井下數(shù)據(jù)采集裝置與井上監(jiān)測中心的通信，有效監(jiān)測礦井危險源數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常能夠及時采取措施。

圖4 GPRS模塊程序流程圖

3.2 存儲模塊程序設(shè)計

CH376作為現(xiàn)場的存儲芯片，能夠使采集數(shù)據(jù)和圖片得到備份，可從存儲中查看歷史數(shù)據(jù)且供監(jiān)控中心隨時調(diào)用，CH376創(chuàng)建文件流程圖如圖5所示。在U盤有限的內(nèi)存空間下，一直保證一段時間的數(shù)據(jù)循環(huán)存儲，監(jiān)控中心出現(xiàn)異常情況沒有及時收到數(shù)據(jù)時，可向CH376發(fā)送調(diào)數(shù)據(jù)命令。

圖5 CH376創(chuàng)建文件流程圖

4 功能測試

完成數(shù)據(jù)采集裝置的硬件搭建以及軟件程序的設(shè)計后，對裝置進行測試。由于煤礦井下甲烷氣體作為主要危險源之一，以某煤礦坑道作為實驗環(huán)境，將甲烷氣體作為測定參數(shù)，5個數(shù)據(jù)采集裝置針對井下地形進行合理布局，對5個數(shù)據(jù)采集裝置在煤礦井下采集到的濃度和實際測量的濃度進行比較，進而得到表1的比較結(jié)果。

表1 部分采集數(shù)據(jù)

本次測量實驗采用之前選好的GJC4甲烷傳感器，該傳感器的測量范圍為0～4.00%，甲烷濃度在0.00～1.00%范圍內(nèi)測量誤差為±0.1%，甲烷濃度在1.00～2.00%范圍內(nèi)測量誤差為±0.2%，甲烷濃度在2.00～4.00%范圍內(nèi)測量誤差為±0.3%。在隨機選取的5個數(shù)據(jù)采集裝置中甲烷氣體采集到濃度測試值和實際值的對比如表1所示，從結(jié)果可以看出測量的實際結(jié)果與采集結(jié)果的誤差大部分集中在測量誤差數(shù)值范圍內(nèi)，由此可以看出本文設(shè)計的煤礦井下數(shù)據(jù)采集裝置的采集準確度較高，可以實際中應用。

5 結(jié)論

本文主要針對煤礦井下采集數(shù)據(jù)準確度不高、布線繁瑣以及線路易老化等情況[10]，設(shè)計的一種新型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集裝置。本裝置通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和CAN總線多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合的通信方式減少布線，提高拓展能力，RS485、CAN總線以及SPI總線多接口新型數(shù)字傳感器的應用也提高傳感器的使用壽命、抗干擾能力以及數(shù)據(jù)采集準確度。通過實驗驗證本裝置在煤礦井下使用情況大大改善了傳統(tǒng)裝置的采集的豐富度和傳輸準確度，促進安全監(jiān)測多元融合和信息共享，提高煤礦安全預測預警水平，為降低煤礦安全事故提供保障。