許 桃

關(guān)鍵字礦井提升機(jī)；監(jiān)測系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

礦井提升機(jī)是現(xiàn)代煤礦進(jìn)行生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備[1]。一旦提升機(jī)發(fā)生故障，會(huì)對(duì)整個(gè)礦山生產(chǎn)造成極大損失。因此如何實(shí)時(shí)監(jiān)測提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其安全可靠地運(yùn)行具有重要的意義。

物聯(lián)網(wǎng)作為趨于成熟的通信行業(yè)新興技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下的產(chǎn)物，并超過當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度，有著良好的發(fā)展勢頭[2]。通過現(xiàn)有的無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體相關(guān)信號(hào)的采集，通過數(shù)據(jù)的處理與傳輸，實(shí)現(xiàn)信息的共享與交流，為礦井提升機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了可能。

本文提出建立基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，通過對(duì)提升機(jī)各部分參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，獲得相關(guān)工作數(shù)據(jù)與信號(hào)，使操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，可以在發(fā)生故障時(shí)，快速準(zhǔn)確地定位到故障位置，極大地減少了成本，降低了工作量，具有很高的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[3]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，主要由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成。感知層由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，礦井提升機(jī)由多個(gè)部分組成，每部分又有很多器件[4]。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)布置在提升機(jī)各關(guān)鍵器件上，用來采集運(yùn)行信息，再利用無線傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳，匯聚節(jié)點(diǎn)布置在操作室內(nèi)，通過無線傳輸模塊來匯聚監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；傳輸層主要由路由器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，通過LoRa 傳輸技術(shù)獲取匯聚節(jié)點(diǎn)的信息，并通過有線網(wǎng)絡(luò)將信息上傳至應(yīng)用層的上位機(jī)平臺(tái)，上位機(jī)中安裝終端監(jiān)控平臺(tái)，它接收底層數(shù)據(jù)，為工作人員提供交互界面，實(shí)現(xiàn)用戶管理、提升機(jī)故障實(shí)時(shí)報(bào)警、故障類型位置顯示、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示與查詢、歷史記錄、系統(tǒng)維護(hù)等功能。監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由主控STM32F103C8T6 芯片、傳感器模塊、電源模塊、時(shí)鐘電路、報(bào)警電路、復(fù)位電路和LoRa 模塊、JTAG 接口組成。電源模塊、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路為主控芯片提供最基本的工作電路，傳感器模塊根據(jù)所測部位的不同選用不同的傳感器，系統(tǒng)中需要監(jiān)測的部位較多，所使用的傳感器的種類和數(shù)量也就比較多，根據(jù)需要，選擇電流、電壓、位移、溫度、油壓、拉力等傳感器來檢測相應(yīng)的參數(shù)并將采集到的信號(hào)傳遞給主控芯片，經(jīng)過處理后通過無線通信模塊無線傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。報(bào)警電路用于進(jìn)行不正?；蚬收瞎ぷ鲌?bào)警。

STM32F103C8T6 是構(gòu)成監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)的主要芯片，單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器大小為64 KB，工作電壓在2.0 V～3.6 V 之間，工作環(huán)境溫度范圍廣。擁有大量片上外設(shè)，包括7 個(gè)定時(shí)器、3 個(gè)USART 接口、2 個(gè)I2C 接口、2 個(gè)SPI接口等，大量的通信接口使其具有強(qiáng)大的的人機(jī)交互功能。STM32F103C8T6 單片機(jī)內(nèi)置多達(dá)256 KB 的嵌入式Flash，可用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，嵌入式SRAM 多達(dá)48 KB 能夠以CPU 的時(shí)鐘速度無等待進(jìn)行讀寫。STM32F103C8T6 芯片的供電方式有三種，分別為數(shù)字電源、模擬電源和備份電源。數(shù)字電源可使用內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)2.0～3.6 V 的直流電，提供合適的工作電壓；模擬電源主要供電給ADC 等；備份電源使用紐扣電池供電，形成UPS 系統(tǒng)為寄存器、RTC 等提供電能。

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)由主控芯片、LORA 模塊、電源模塊、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG 接口構(gòu)成，匯聚節(jié)點(diǎn)布置于提升機(jī)的周圍，用于匯集各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的信息，并通過LORA 無線傳輸技術(shù)上傳至路由器節(jié)點(diǎn)。

2.3 路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由器節(jié)點(diǎn)作為感知層的主要組成部分，主要由主控芯片、LoRa 無線通信模塊、RS-232 電平轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路、JTAG 接口組成，它通過LoRa 通信模塊接受匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后再通過RS-232 電平轉(zhuǎn)換模塊與上位機(jī)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。路由器節(jié)點(diǎn)是連接上位機(jī)的橋梁，起到無線通信與有線通信之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換作用。

3 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)與外界聯(lián)系的橋梁，最大的作用是將處理結(jié)果和一些有價(jià)值的、潛在的信息發(fā)布給用戶，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。本文基于物聯(lián)網(wǎng)的提升機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)平臺(tái)采用Wincc 軟件編寫。上位機(jī)所需實(shí)現(xiàn)功能如圖2 所示。

圖2 礦井提升機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)功能圖

4 結(jié)語

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)感知層、傳輸層和應(yīng)用層的三層網(wǎng)絡(luò)體系的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。通過感知層的數(shù)據(jù)采集，傳輸層的可靠高效傳輸，應(yīng)用層的實(shí)時(shí)顯示與遠(yuǎn)程交互，實(shí)現(xiàn)了礦井提升機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，提高了礦井提升機(jī)運(yùn)行的可靠性與故障維修效率，對(duì)保障煤礦安全穩(wěn)定生產(chǎn)、有著重大的意義。