徐樂年+張森+王鑫

摘 要： 針對煤礦井下地理環(huán)境復雜和水害事故多發(fā)等因素，將現(xiàn)代GPRS無線通信技術應用于煤礦水文監(jiān)測系統(tǒng)中，設計了一種新型的智能遙測系統(tǒng)。通過高精度水溫、水壓傳感器采集井下的水位、水溫信息，結合低功耗芯片P89LPC936對數(shù)據(jù)進一步處理，并通過GPRS無線通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C中，上位機實時顯示水位、水溫等信息，實現(xiàn)對礦井水文信息的無線監(jiān)測。實驗表明，此系統(tǒng)具有良好的精確性和穩(wěn)定性，能夠有效地對礦井水文信息進行實時監(jiān)測。

關鍵詞： 水文監(jiān)測； GPRS； 傳感器； 智能遙測儀

中圖分類號： TN975?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0166?04

Design of mine hydrological telemetry system based on GPRS technology

XU Lenian， ZHANG Sen， WANG Xin

（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266510， China）

Abstract： Aiming at the factors of the complex geographical environment and multiple water disasters of the underground coal mine， a modern GPRS wireless communication technology is applied to the coal mine hydrology monitoring system. A new intelligent telemetry system was designed. The underground water level and temperature information are collected by means of the high?precision water temperature and water pressure sensors， processed with the low?power consumption chip P89LPC936 further， and transmitted to the upper computer by mean of the mode of GPRS wireless communication. The upper computer can display the water level， water temperature and other information in real time to realize the wireless monitoring of the mine hydrology information. The experimental results show that the system has high accuracy and stability， and can effectively monitor the mine hydrology information in real time.

Keywords： hydrology monitoring； GPRS； sensor； intelligent telemeter

0 引 言

在煤炭生產的過程中，煤礦安全一直是一項不容忽視的課題。礦井地下水可造成水滲透、管涌等嚴重水害，而煤礦水文監(jiān)測系統(tǒng)是預測并監(jiān)測礦井水害發(fā)生的重要手段[1]。在實際的礦用水文監(jiān)測系統(tǒng)中，如何克服煤礦井下的地理地勢環(huán)境復雜等因素，實時地對煤礦井下水文信息進行監(jiān)測顯得尤為重要。

近些年來，國內很多煤礦都建立了礦井地下水文監(jiān)測網(wǎng)絡。但是，現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)傳輸方式相對落后，監(jiān)測精度無法滿足要求，并且井下地形、地勢等條件相對復雜，這給井下布線和監(jiān)測人員對儀器進行維護帶來極大的困難。本文設計了一種高精度無線傳輸?shù)倪b測系統(tǒng)，傳感器測量水文信息并通過RS 485總線通信網(wǎng)絡傳輸?shù)絾纹瑱C中，信息經過處理以后通過GPRS模塊MC55無線傳輸?shù)缴衔粰C中，計算機將信息進一步處理并進行存儲。本系統(tǒng)具有傳輸速度快、功耗低、精度高等特點，克服了傳統(tǒng)現(xiàn)場總線方式布線困難、精度差、穩(wěn)定性低等缺點[2]，能夠有效地實現(xiàn)對礦井水文信息的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體功能和架構

基于GPRS技術的礦用水文監(jiān)測系統(tǒng)主要是針對礦井中的水位、水溫信息量的采集，實時地記錄礦井水位、水溫信息，確保礦井水位、水溫信息保持在安全范圍內。如圖1所示，系統(tǒng)設計包括傳感器、智能遙測儀、公用GPRS網(wǎng)絡、基站、監(jiān)測上位機等[3]。該系統(tǒng)主要通過時鐘設定測量時間間隔和發(fā)送時間間隔，將現(xiàn)場測量系統(tǒng)測量的水位、水溫等物理量，通過公用GPRS網(wǎng)絡將信息無線傳輸?shù)奖O(jiān)測上位機中，上位機將數(shù)據(jù)信息進行統(tǒng)計分析處理并進行記錄顯示，以達到即時監(jiān)測的目的。

2 遙測系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件的設計主要包括：智能傳感器模塊、GPRS通信模塊、P89LPC936單片機控制器模塊、數(shù)/模轉換模塊等其他輔助性功能電路模塊。智能遙測系統(tǒng)硬件的構成框圖如圖2所示。

2.1 智能傳感器模塊

系統(tǒng)設計的傳感器主要完成水位、水溫數(shù)據(jù)信息的測量以及傳輸工作，系統(tǒng)采用了LM334作為恒流源，由于水位傳感器的工作原理就是將水壓轉換為電信號輸出，因此對于傳感器精度和抗干擾能力要求較高，所以在傳統(tǒng)基本恒流源的基礎上，通過改進得到零溫度漂移的恒流源。系統(tǒng)水位傳感器就采用了這種改進后的零溫度漂移恒流源，極大地提高了測量數(shù)據(jù)的可靠性[4]。而水溫傳感器則采用具有低功耗、高性能、抗干擾能力強等優(yōu)點的DS18B20，其單線接口的特點大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，并且可以通過RS 485總線直接供電，大大降低了單片機的功耗，并且其測溫范圍廣、精度高，非常適合于煤礦這種惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量[5]。

2.2 數(shù)/模轉換模塊

智能水位傳感器工作原理是將水壓物理信號轉化為電信號。其中，A/D轉換器的選擇決定了儀器的精確性和穩(wěn)定性。AD7705作為美國AD公司推出的16位數(shù)/模轉換器，包括緩沖器和增益可編程放大器組成的模擬調節(jié)電路，能夠同時進行多路電壓信號的A/D轉換。AD7705在低頻信號測量的應用較為普遍，它能夠直接從傳感器接收低電平信號并輸出串行數(shù)字。但是，由于恒流源、基準電壓、零點漂移等因素仍會導致誤差的產生，而全差分輸入通道（AIN1+與AIN1-）和（AIN2+與AIN2-）的輸入阻抗大，吸收的電流可以忽略不計。因此，水壓傳感器和精密電阻的電流均等于恒流源的輸出電流值[6?7]，這樣就提高了系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。其中，水壓傳感器和AD7705接線方式如圖3所示。

圖3 水壓傳感器和AD7705接線電路圖

2.3 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用了SIEMENS公司生產的MC55無線通信模塊。MC55模塊具有性能穩(wěn)定、功耗低、性價比高等優(yōu)點，其提供的兩個全雙工串口，可以實現(xiàn)兩個TCP通道同事傳輸，可以在GPRS或者短信狀態(tài)自動切換，可以及時地為用戶提供有效的水位、水溫數(shù)據(jù)信息。由于GPRS模塊是基于TCP/IP協(xié)議進行通信的，而MC55內置了TCP/IP協(xié)議，其拓展命令可以方便地讓用戶運用TCP/IP協(xié)議，使用戶能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸方面的合理運用。MC55模塊通過AT指令進行控制，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。其中，本系統(tǒng)運用的GPRS網(wǎng)絡連接函數(shù)為MC55_connect（），其模塊初始化指令AT介紹如下：

AT+CGATT GPRS 附著/分離：

此命令用來使MT附著（分離）GPRS服務，當由附著狀態(tài)轉換為分離狀態(tài)時被激活的PDP上下文自動轉為去激活狀態(tài)。

AT+CGATT=1 //GPRS服務附著

AT+CGATT？ //GPRS 服務附著狀態(tài)

AT+CGATT=0 //GPRS 服務分離

AT+CGDCONT定義GPRS上下文環(huán)境：

指令格式：

AT+CGDCONT=[[，[，[，]]]]

AT+CGDCONT？ //查詢已定義的PDP上下文

AT+CGDCONT=1，IP，CMNET //cid為1， PDP類型是IP，

APN是CMNET，表示中國移動網(wǎng)應用接口

AT+CGACT 激活/去激活PDP上下文：

指令格式：

AT+CGACT=[[， [， ]]]

AT+CGACT？ //查詢激活的PDP 上下文

AT+CGACT=1 //激活所有的PDP上下文

AT+CGACT=1，1 //激活cid=1的PDP上下文

AT+CGACT=0 //去激活所有的PDP上下文

AT+CGDATA 進入GPRS數(shù)據(jù)模式

指令格式：

AT+CGDATA =[[， [， ]]]

AT+CGDATA="PPP"，1 //使用cid=1的PDP上下文環(huán)境進

入GPRS數(shù)據(jù)模式

+++ //離開數(shù)據(jù)模式

ATD建立GPRS數(shù)據(jù)模式：

指令格式：

ATD*99[*[][* [][*[]]]]#

此命令用于移動終端（MT）執(zhí)行在終端設備（TE）和外部PDN建立GPRS數(shù)據(jù)連接的所有行為，即可以省略AT+CGATT與AT+CGACT指令，代替AT+CGDATA建立GPRS網(wǎng)絡。

3 系統(tǒng)通信軟件設計

該系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)信息采集處理、測量數(shù)據(jù)的存儲、GPRS與監(jiān)測上位機通信以及其他輔助性功能軟件的設計。傳感器和遙測儀之間采用了RS 485總線通信方式，遙測儀和上位機則通過GPRS網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交互。

3.1 系統(tǒng)信號采集軟件設計

在本系統(tǒng)中，單片機P89LPC936作為主控制器，負責數(shù)據(jù)信息采集、存儲和發(fā)送等功能，每個傳感器上都有相應的地址，單片機可以通過這些地址定時地訪問不同的傳感器，并將采集得到的數(shù)據(jù)信息進行分析處理。信息采集是系統(tǒng)啟動以后，首先對系統(tǒng)進行初始化并對定時器進行設置，設置好數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時間，檢測是否已開啟GPRS模塊，當檢測到GPRS模塊開啟后則系統(tǒng)可以進入相應的子程序，使得遙測儀可以與上位機監(jiān)測系統(tǒng)進行信息交互。遙測儀采用了定時上電的工作方式，即由時鐘控制定時上電，每當定時時間到時，智能遙測儀上電工作，測量水位、水溫等信息。單片機將信息進行處理后暫存于單片機的存儲器中，判斷是否出現(xiàn)報警信息，如果系統(tǒng)報警，則進行置位報警指令，進行報警；如果沒有報警信息，則將信息進行存儲。當存儲達到一定限度以后，則開始相應數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，進行相應的信息傳輸指令。該系統(tǒng)的信號采集軟件流程圖如圖4所示。

3.2 系統(tǒng)無線通信軟件設計

系統(tǒng)的無線通信方式是通過PDU模式的AT指令來控制的，系統(tǒng)是將兩個MC55模塊之間用GPRS信息收發(fā)的過程來進行通信的，MC55模塊與計算機之間通過串口方式進行連接。這樣，MC55模塊就可以通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)與監(jiān)測上位機之間的通信[8?10]。具體方案是首先發(fā)送“AT+CGATT=數(shù)據(jù)PDU的字節(jié)數(shù)”來獲取發(fā)送短信中心的地址，地址收到以后判斷獲取短信號碼的類型，將其中SIM卡的具體信息通過“AT+CGACT”指令進行讀取，去除頭文件就得到了短信的內容。然后將相對應的被叫號碼地址、被叫號碼類型、中國國際區(qū)號等信息進行標示，通過協(xié)議標示和編碼方案等信息處理過程，使兩者之間能夠通過GPRS網(wǎng)絡進行通信。其中，具體的短消息收發(fā)流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試結果

將本系統(tǒng)應用于當?shù)啬乘校惭b調試以后進行實時的測量并監(jiān)測水井中水位和水溫信息，并用GPRS形式進行數(shù)據(jù)的傳輸，觀測上位機中水井水位、水溫信息的實時數(shù)據(jù)。首先，定義水井的名稱和初始水位、水溫等信息后并存盤，每隔1 h測出一組數(shù)據(jù)，并且每隔8 h發(fā)送一次數(shù)據(jù)信息，得到的水位曲線如圖6所示。然后，每隔一段時間用測繩和投入式溫度測量儀人工測量實際水位、水溫信息，將實地測量的水位數(shù)據(jù)與本系統(tǒng)遙測所得數(shù)據(jù)進行比較，如表1所示，對比系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。對比這些數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)能夠較好地反應當?shù)厮?、水溫信息的變化，而且系統(tǒng)信息傳輸?shù)乃俣瓤?、穩(wěn)定性較高，達到了礦用水文監(jiān)測的基本要求，符合設計預期的效果。

5 結 語

本文設計的基于GPRS無線通信技術的礦用水文遙測系統(tǒng)，將高精度智能傳感器、P89LPC936單片機和MC55無線通訊模塊相結合，實現(xiàn)了一種低功耗、高精度、高穩(wěn)定性的礦用水文監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠實時地將礦井水文數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞絺魉偷降孛姹O(jiān)測中心，對監(jiān)測人員實時監(jiān)測礦井水溫、水位的變化帶來極大便利，尤其是在煤礦這種地勢、地形復雜的環(huán)境下，水文信息的實時監(jiān)測顯得尤為重要，系統(tǒng)測試結果表明，本系統(tǒng)能夠有效地實時對水溫、水位信息進行監(jiān)測，對于礦井水文安全監(jiān)測具有非常重要的意義。

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