尹建龍,郭秀娟
(吉林建筑大學電氣與計算機學院,吉林 長春 130118)
隨著我國煤炭能源消耗的不斷增加,煤礦安全事故時有發(fā)生,因此煤礦監(jiān)控是安全生產的重要環(huán)節(jié)。我國傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)利用RS-485 總線進行數據傳輸,傳輸速度慢、距離短、定位精度低、集成度低、成本高[1-3]。在此背景下,本文中的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)以CAN 總線技術為基礎,將井下各個節(jié)點組成網絡,使上位機準確有效地對井下監(jiān)控分站進行實時監(jiān)控,利用CAN 總線的特性提高系統(tǒng)的可靠性,并且該系統(tǒng)以STM32 單片機為井下監(jiān)測分站控制核心,結合多傳感器監(jiān)測井下環(huán)境參數及人員RFID定位,CAN 總線將井下數據傳輸給上位機,上位機采用組態(tài)王進行設計以實現(xiàn)人機交互。
針對煤礦井下復雜的環(huán)境,本文提出基于CAN總線的煤礦監(jiān)控系統(tǒng),包括信息采集電路、井下監(jiān)測分站、CAN 總線通信網絡及上位機4 部分。煤礦監(jiān)控系統(tǒng)設計方案如圖1 所示。從圖1 中可以看出:井下監(jiān)測分站外接RFID 收發(fā)器和多個傳感器用于采集井下實際環(huán)境參數和人員位置信息,并傳給監(jiān)測分站進行分析處理,若監(jiān)測到實際環(huán)境參數超過預設值,則進行聲光報警,監(jiān)測分站與上位機通過CAN 總線實現(xiàn)數據通訊,并在上位機進行數據顯示、儲存,若監(jiān)測到井下區(qū)域環(huán)境參數超限,則將報警信號通過監(jiān)測分站傳給井下工作人員,及時限制工作人員進入危險區(qū)域,實現(xiàn)報警裝置與人員定位聯(lián)動。
在本文的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中,硬件選型主要包括單片機模塊、CAN 總線模塊、RFID 接收模塊、傳感器模塊等。井下監(jiān)測分站主要以STM32 單片機為控制核心,系統(tǒng)具有數據采集、超限報警、人員跟蹤定位、聯(lián)動控制等功能,其系統(tǒng)硬件結構如圖2 所示。
CAN 總線控制器選用SJA1000 獨立控制器來實現(xiàn)數據發(fā)送和接收的任務,該控制器支持CAN2.0B 協(xié)議,采用低電平復位,可以支持11 位和29 位識別碼。收發(fā)器選用82C250,該收發(fā)器具有對CAN 總線差動發(fā)送和差動接收的功能,通信速率可達1 Mbit/s。為了增強抗干擾能力,本系統(tǒng)在CAN總線控制器SJA1000 和收發(fā)器82C250 之間增加了1 個高速光耦器86N137,實現(xiàn)CAN 總線節(jié)點之間的電氣隔離[4]。電路連接如圖3 所示。CAN 總線多采用主控制模式,按照優(yōu)先級處理各單元發(fā)送的信息,糾錯方式為CRC 校驗,通訊介質采用雙絞線,傳輸距離最遠可達10 km,較傳統(tǒng)的RS-485 總線,傳輸距離遠,抗干擾性強,適宜井下信號傳輸。
RFID 模塊選用nRF24L01 單片射頻收發(fā)器,該收發(fā)器內部集成了功率放大器、晶體振蕩器等多個模塊,具有125 個可選頻道和多種低功率工作模式,實現(xiàn)多點通訊和調頻,與STM32 單片機通過SPI口連接來完成數據通信功能。較藍牙、WIFI 數據傳輸距離更遠。其電路原理如圖4 所示。
傳感器模塊包括溫濕度傳感器和煙霧、溫濕度、CO,CH4氣敏傳感器。溫濕度傳感器DHT11 是一種以數字信號為輸出,集溫濕度于一體的復合型傳感器,該傳感器采用單總線數據格式與單片機進行通信,僅需要1 個I/0 端口,采用校驗和的方式進行校驗,精度高,響應速度。為提高其穩(wěn)定性,本系統(tǒng)在數據端(DATA)與電源(VDD)之間加上拉電阻。其連接如圖5 所示。
氣敏傳感器選用 MQ-7,MQ-4,MQ-2 分別對CO,CH4、煙霧濃度進行數據采集。MQ 系列傳感器多采用半導體為敏感材料,響應恢復快,可靠穩(wěn)定,高度集成。MQ-2 型傳感器檢測范圍廣,對煙霧、烷及天然氣具有極高的靈敏性,該傳感器在使用前要進行預熱。MQ-2 煙霧傳感器的第4 引腳經過比較器、與非門和單片機相連,輸出隨濃度變化的直流信號,若檢測到煙霧,則輸出低電平,濃度越大,其電導率越高,電阻越小,輸出電壓也會相應增大。MQ-2 工作原理如圖6 所示。
圖5 DHT11 連接圖
圖6 MQ-2 工作原理
本系統(tǒng)選用STM32 單片機作為井下監(jiān)測分站的控制核心,在傳感器采集模塊和CAN 總線模塊之間承擔著中轉站的角色,STM32 單片機是基于ARM公司cortex-M 的32 位的微控制器, 較傳統(tǒng)的51 系列、AVR 系列的微控制器,STM32 單片機具有更多的寄存器和外設功能,高性能、低功耗,時鐘頻率可達72 MHz,支持以太網、USB 和CAN2.0B 等多種外設接口同時工作。
RFID 系統(tǒng)主要由 3 部分組成:RFID 標簽、RFID 讀寫器和通信網絡。單片機外接RFID 讀寫器,通過已知位置的讀寫器對儲存著編碼信息的被測標簽進行定位。定位方法選擇基于測距的RSSI定位,并結合優(yōu)化后的LANDMARC 算法對井下人員進行定位跟蹤。RSSI 定位是利用RFID 標簽發(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 標簽與讀寫器的距離,以此實現(xiàn)井下人員的定位。
LANDMARC 算法的基本原理是實時讀取待定位標簽和參考標簽的RSSI 值,并通過歐幾里得公式計算待定位標簽和參考標簽的距離,根據RSSI的相似程度比較Emn,選擇最小的前k 個參考標簽,并計算這k 個參考點的權重,從而對待定位標簽的坐標進行加權估算[5-6]。歐幾里得公式為:
式(1)中,系統(tǒng)設有 R 個 RFID 讀寫器,N 個待定位標簽,M 個參考標簽,Emn表示第n 個待定位標簽與第m 個參考標簽的歐氏距離,m;Smr為第m 個參考標簽在讀寫器r 處的RSSI 值,Snr為第n 個待定標簽在讀寫器r 處的RSSI 值。
由于煤礦井下環(huán)境復雜,干擾因素多,傳統(tǒng)的LANDMARC 算法定位準確度欠佳,因此本系統(tǒng)加入自適應k 值算法來優(yōu)化LANDMARC 算法,依據多個參考標簽的權重,分別計算不同k 值下參考標簽和待定位的坐標并且計算誤差ek,當ek 最小時,取kbest個參考標簽計算待定位標簽的坐標,以此來減小井下工作人員的定位誤差。在不同k 值情況下進行算法仿真,誤差值如圖7 所示。k 值優(yōu)化前后,仿真結果如圖8 所示。
圖7 不同k 值下待定位標簽誤差值
由圖8 可知,當選擇合適的k 值時,LANDMARC 算法優(yōu)化前后,定位誤差有較大差別。優(yōu)化前,60%的待定位標簽的定位誤差在0.8 m 以內,而優(yōu)化后其定位誤差在0.54 m 以內。定位誤差在0.8 m 內的待定位標簽,優(yōu)化前為60%,而優(yōu)化后為80%,經上述分析,LANDMARC 算法在優(yōu)化后,定位精度得到提高。
圖8 k 值優(yōu)化前后誤差分析
根據煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求,下位機程序設計選取Keil uvision5 進行軟件編程,主程序工作步驟如下:
1)對整個系統(tǒng)進行初始化設置。
2)設置報警上下限,錄入人員信息。
3)進行數據采集,井下數據采集包括兩部分:一部分是采集井下CO,CH4、煙霧、溫濕度等環(huán)境參數,另一部分是通過井下人員所攜帶被測標簽發(fā)出應答信號的功率損耗來采集井下人員位置信息。
4)將采集的實際數據與設定的報警參數相比較,若超限則進行聲光報警。
5)數據儲存,并將數據經CAN 總線轉RS-485模塊傳輸給CAN 總線。
井上檢測中心選用工業(yè)監(jiān)控軟件組態(tài)王進行上位機設計,其主要有對數據顯示儲存、分析處理、圖形界面設置等功能。組態(tài)王通過CAN 總線與單片機進行交互, 井下所有采集的數據可以實時上傳到上位機的歷史庫表。在組態(tài)王歷史庫中,可以查詢井下人員位置信息、溫濕度、CH4 濃度等歷史數據。此外,上位機對接收的數據進行分析處理,并判斷是否通過下位機向井下工作人員發(fā)出報警信號。以東北某煤礦為例,上位機超限報警設置界面、煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)模型分別見圖9~圖10。
圖9 上位機超限報警設置圖
圖10 煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)模型
本文將CAN 總線技術應用于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中,對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的硬件、軟件進行設計,詳細闡述了系統(tǒng)的總體設計、RFID 人員定位算法、CAN 總線模塊選型、下位機軟件設計。本系統(tǒng)可實時監(jiān)控煤礦環(huán)境及井下人員位置,并根據井下環(huán)境及時對工作人員發(fā)出報警信號,提高了定位的準確度,降低了煤礦事故發(fā)生的可能性。同時本系統(tǒng)采用CAN 總線通訊方式,增強了系統(tǒng)的抗干擾能力,數據傳輸既快又準,穩(wěn)定性好,為其他煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的研究提供借鑒和參考。