尹建龍，郭秀娟

吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機(jī)學(xué)院,長春 130118

0 引言

近年來,煤炭在我國能源消耗占比較大,煤礦安全事故頻繁發(fā)生.據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局統(tǒng)計,僅2019年上半年就發(fā)生57起煤礦事故,造成161人傷亡,因此研究煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)對降低煤礦安全事故的發(fā)生,減少人員傷亡尤為重要.國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究探索:文獻(xiàn)[1]以CAN總線為基礎(chǔ),采用P87C591單片機(jī)及傳感器模塊對井下溫濕度、CO、瓦斯?jié)舛?、供電電源開停狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,一定程度上保障了煤礦的安全生產(chǎn);文獻(xiàn)[2]采用RS-485總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)的信號傳輸,來監(jiān)測井下各環(huán)境參數(shù),提高了系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性.經(jīng)研究,我國傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測對象單一,且與井下人員定位監(jiān)測是分離的,集成度低、成本高[3-4].在此背景下,本文提出一種基于STM32單片機(jī)的煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)融合多傳感器監(jiān)測井下環(huán)境參數(shù)及人員RFID定位,采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在組態(tài)王軟件中設(shè)計人機(jī)交互界面.

圖1 煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.1 Design scheme drawing of coal minecomprehensive monitoring system

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

針對煤礦井下特殊環(huán)境,本文設(shè)計了一

種基于STM 32單片機(jī)的煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由信息采集電路、井下監(jiān)測分站、CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)4個部分組成.從圖1中可以看出:將各種傳感器實(shí)時采集的井下環(huán)境參數(shù)(CO，CH4、煙霧、溫濕度)以及利用射頻信號識別的人員位置信息傳給監(jiān)測分站進(jìn)行處理,并將采集的環(huán)境參數(shù)與預(yù)測值相比較,如超限則通過現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行報警,同時CAN總線將單片機(jī)收集的環(huán)境參數(shù)及人員定位信息傳給煤礦上位機(jī)進(jìn)行顯示處理,并及時限制井下工作人員進(jìn)入環(huán)境危險區(qū)域,使報警裝置的聲光信息發(fā)布與人員定位聯(lián)動.煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示.

2 系統(tǒng)硬件部分

在本文的煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)中,井下監(jiān)測分站主要以STM32F103ZET單片機(jī)為控制核心,系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、超限報警、人員跟蹤定位、聯(lián)動控制等功能,其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及硬件實(shí)物連接如圖2，圖3所示.本次硬件選型主要包括監(jiān)測分站控制器、CAN總線控制器、定位標(biāo)簽射頻芯片、RFID讀寫器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器和CO，CH4傳感器等,該系統(tǒng)硬件選型清單如表1所示.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 System hardware structure diagram

圖3 硬件連接實(shí)物圖Fig.3 Hardware connection

表1 煤礦綜合檢測硬件選型Table 1 Selection of coal mine comprehensive inspection hardware

該設(shè)計選用的微控制器STM32F103ZET單片機(jī)是基于ARM公司cortex-M的32 bit的單片機(jī),較傳統(tǒng)的51系列、AVR系列單片機(jī)而言,寄存器和外設(shè)功能更豐富,高性能、低功耗,時鐘頻率高達(dá)72 MHz,支持以太網(wǎng)、USB和CAN 2.0B等多種外設(shè)接口同時工作[5].CAN總線控制器SJA1000支持CAN 2.0B協(xié)議,采用低電平復(fù)位,可同時支持11位和29位識別碼,在SJA1000和CAN總線收發(fā)器82C250之間加光耦隔離,增強(qiáng)抗干擾能力[6-7].RFID收發(fā)模塊nRF24L01采用2.4 MKH的傳輸通信頻率,可同時無線雙向接收,采用CRC數(shù)據(jù)校驗,且內(nèi)置掉電模式,功耗小.現(xiàn)場傳感器的布置方案及選型如下:氣敏傳感器需安裝在井巷、回風(fēng)巷道、采空區(qū)以及工作面等,溫濕度傳感器安裝在采煤工作面及煤礦的各個關(guān)鍵點(diǎn)對煤礦進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,氣敏傳感器選用MQ-7,MQ-4,MQ-2分別對CO,CH4,煙霧濃度進(jìn)行采集,該類傳感器采用半導(dǎo)體為敏感材料,集成化、智能化程度高,響應(yīng)恢復(fù)快,可靠穩(wěn)定,壽命長.溫濕度傳感器DHT11是一種以數(shù)字信號為輸出、集溫濕度為一體的復(fù)合型傳感器,該傳感器與單片機(jī)進(jìn)行通信采用單總線數(shù)據(jù)格式,僅需要一個I/0端口,采用校驗和方式進(jìn)行校驗,精度高,響應(yīng)速度[8].

3 RFID定位及算法

RFID系統(tǒng)主要由3個部分組成:RFID標(biāo)簽、RFID讀寫器和通信網(wǎng)絡(luò).井下工作人員攜帶儲存著編碼信息的被測標(biāo)簽,單片機(jī)外接RFID讀寫器,通過已知位置的讀寫器對被測標(biāo)簽進(jìn)行定位.定位方法選擇基于測距的RSSI定位,并結(jié)合優(yōu)化后的LANDMARC算法對井下人員進(jìn)行定位跟蹤.RSSI定位是利用RFID標(biāo)簽發(fā)出無線電信號隨距離的增大而有規(guī)律的衰減來計算RFID標(biāo)簽與讀寫器的距離,以此實(shí)現(xiàn)井下人員的定位[9-10].

LANDMARC算法的基本原理是實(shí)時讀取待定位標(biāo)簽和參考標(biāo)簽的RSSI值,并通過歐幾里得公式計算待定位標(biāo)簽和參考標(biāo)簽的距離,根據(jù)RSSI的相似程度來比較Emn,選擇最小的前k個參考標(biāo)簽,并計算這k個參考點(diǎn)的權(quán)重,從而對待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)進(jìn)行加權(quán)估算.歐幾里得公式為:

(1)

式中,系統(tǒng)包含有R個RFID讀寫器,N個待定位標(biāo)簽,M個參考標(biāo)簽,Emn為待定位標(biāo)簽n與參考標(biāo)簽m的歐氏距離,Smr為第m個參考標(biāo)簽在讀寫器r處的RSSI值,Snr為第n個待定標(biāo)簽在讀寫器r處的RSSI值[11-12].

由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜,受電磁波、場強(qiáng)等多種因素干擾,傳統(tǒng)的LANDMARC算法很難滿足其準(zhǔn)確定位的要求.本設(shè)計選用加入自適應(yīng)K值算法來優(yōu)化LANDMARC算法,減小井下工作人員的定位誤差.自適應(yīng)K值優(yōu)化流程如圖4所示.

圖4 LANDMARC算法的k值優(yōu)化流程Fig.4 k value optimization process of LANDMARC algorithm

圖5 下位機(jī)主程序流程Fig.5 The main program flow chart of the lower computer

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

在煤礦綜合檢測系統(tǒng)程序設(shè)計中,選取Keil uvision5進(jìn)行軟件編程,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置,設(shè)定報警參數(shù),然后進(jìn)行采集數(shù)據(jù),井下數(shù)據(jù)采集包括兩個部分,一部分是采集井下CO，CH4、煙霧、溫濕度等環(huán)境參數(shù),另一部分是通過井下人員所攜帶被測標(biāo)簽發(fā)出應(yīng)答信號的功率損耗來采集井下人員位置信息.下位機(jī)主程序工作流程如圖5所示.

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

組態(tài)王是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的組態(tài)監(jiān)控軟件之一,主要用于數(shù)據(jù)采集、分析處理顯示、圖形界面設(shè)置,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能.在該系統(tǒng)中組態(tài)王6.55通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時通訊,將井下每個區(qū)域采集模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量通過CAN總線上傳到井上檢測中心,井上監(jiān)測中心上位機(jī)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理并顯示出來,根據(jù)參數(shù)預(yù)設(shè)值確定是否發(fā)出報警信號,限制井下工作人員進(jìn)入該區(qū)域,以此實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測的效果.以東北某煤礦為例,設(shè)計上位機(jī)安全報警界面如圖6所示.

圖6 上位機(jī)安全報警界面Fig.6 Upper computer security alarm interface

5 結(jié)論

本文以STM32F103ZET為控制核心對煤礦綜合監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行硬件與軟件的設(shè)計,在井下人員RFID定位上采用自適應(yīng)K值算法和LANDMARC算法相結(jié)合的方法,提高了井下人員定位的準(zhǔn)確度,完成了對井下環(huán)境和人員位置的實(shí)時監(jiān)測,并對參數(shù)超限進(jìn)行及時報警,保障了井下工作人員的人身安全.利用組態(tài)王軟件實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)測,實(shí)時掌握井下環(huán)境動態(tài),提高了煤礦井下的安全系數(shù).