王沛雪 張水利 崔佳萌 任卓 李江 閆子瑜 張波

（延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000）

1 引言

隨著科技的快速發(fā)展，煤礦資源已成為我們生活必不可少的部分。然而在開采煤礦資源時(shí)，煤礦瓦斯?jié)舛?、水、火等?zāi)難事故時(shí)有發(fā)生，尤其是瓦斯爆炸、瓦斯中毒等事件，已成為我國煤礦生產(chǎn)安全的第一大禍?zhǔn)住＿@不僅造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，而且也會(huì)給煤礦生產(chǎn)帶來災(zāi)難性的破壞和嚴(yán)重威脅著人員的安全。為了進(jìn)一步滿足我國煤礦生產(chǎn)的需要，設(shè)計(jì)一種穩(wěn)定、精確、可實(shí)時(shí)監(jiān)測和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐咚節(jié)舛葴y量儀是不可少的。顯然，與傳統(tǒng)的有線傳輸測量系統(tǒng)相比，無論是在覆蓋范圍、運(yùn)行成本和系統(tǒng)維護(hù)，還是監(jiān)測煤礦瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)性和精確性上，采用STM32F103 單片機(jī)控制和GPRS DTU 的遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng)都具有更大的優(yōu)勢。該系統(tǒng)由STM32F103單片機(jī)控制的瓦斯?jié)舛葴y量儀外接GPRS DTU，利用TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行無線傳輸，將所測得瓦斯?jié)舛劝l(fā)送到地面監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)節(jié)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛?，有效降低了瓦斯爆炸事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)主要由瓦斯?jié)舛葴y量儀節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心兩個(gè)部分組成，其總體的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)包括STM32F103 微處理器、MQ-4 氣體傳感器、低通濾波電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路和GPRS DTU 模塊等組成，如圖2所示。其工作原理如下：

（1）由氣體傳感器實(shí)時(shí)獲得井下瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，通過低通濾波電路過濾掉所采集數(shù)據(jù)中的高頻噪音,然后通過A/D轉(zhuǎn)換將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后用放大電路將該信號(hào)放大后送到STM32F103主控器中。

（2）由主控器內(nèi)部對(duì)輸入的瓦斯信號(hào)進(jìn)行處理、加工和分析等，然后將結(jié)果與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)生聲光報(bào)警。

（3）將生成的報(bào)警信號(hào)和瓦斯?jié)舛韧ㄟ^GPRS DTU，利用其內(nèi)部的TCP/IP 協(xié)議，以無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到監(jiān)控中心。

（4）從監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測各井下的瓦斯?jié)舛取?/p>

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 MQ-4天然氣傳感器

因?yàn)橥咚沟闹饕煞质强扇夹詺怏w甲烷，所以氣體傳感器應(yīng)該選用對(duì)甲烷的靈敏性高的器件，而MQ-4天然氣傳感器恰恰符合這一要求，且其應(yīng)用電路簡單、穩(wěn)定性較高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低。MQ-4 天然氣傳感器所使用的氣敏材料是二氧化錫(SnO2)，其在空氣中電導(dǎo)率較低。當(dāng)該傳感器所處的環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，天然氣傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

3.2 STM32F103單片機(jī)

STM32 系列芯片是一種高性能的32 位微控制器，其擁有超大容量的閃存和豐富的內(nèi)設(shè)資源，使用該單片機(jī)極大地簡化了設(shè)計(jì)電路，且該系列單片機(jī)擁有超低功耗、運(yùn)算速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于煤礦工作中。本設(shè)計(jì)使用STM32F103RBT6芯片，如圖3所示，該微處理器工作頻率為70MHz，內(nèi)置高達(dá)128K 字節(jié)Flash 和20K 字節(jié)SRAM，具有豐富的I/O 端口。它為實(shí)現(xiàn)MCU 的需要提供了低成本的平臺(tái)、縮減了引腳數(shù)目、降低了系統(tǒng)功耗，同時(shí)還提供了先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)。

3.3 GPRS DTU通信設(shè)備

GPRS DTU 是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP 數(shù)據(jù)或?qū)P 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(shè)備，提供全透明數(shù)據(jù)通道，支持備用數(shù)據(jù)中心，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連功能，支持永遠(yuǎn)在線、空閑下線和空閑掉電3 種工作方式，具有短信和電話喚醒功能，支持?jǐn)嗑€自動(dòng)重連功能。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心設(shè)備是GPRS DTU硬件模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由監(jiān)測終端到監(jiān)控中心的傳輸。GPRS 具有通信速度快、通信費(fèi)用低、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。GPR SDTU 具有TCP/IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換功能不需要用戶提供TCP/IP 支持，適用于所有帶串口的終端設(shè)備，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線和透明傳輸，為不具備TCP/IP協(xié)議處理的終端設(shè)備提供了GPRS通信的能力。

3.4 聲光報(bào)警裝置

如圖4所示，報(bào)警裝置電路由發(fā)光二極管、蜂鳴器和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。此報(bào)警電路的輸入引腳由單片機(jī)的P2.7控制，報(bào)警電路的標(biāo)準(zhǔn)值由軟件設(shè)置。當(dāng)傳感器采集的值超過系統(tǒng)所設(shè)置的值時(shí)，令P2.7=1 時(shí),發(fā)光二極管發(fā)光的同時(shí)蜂鳴器鳴叫。

3.5 系統(tǒng)硬件間的協(xié)同工作

（1）天然氣傳感器輸出信號(hào)（信號(hào)代表環(huán)境中的可燃?xì)怏w濃度大?。?；

（2）STM32單片機(jī)對(duì)傳感器傳來的信號(hào)進(jìn)行分析處理；

（3）單片機(jī)控制GPRS DTU通信設(shè)備，DTU立即把信號(hào)發(fā)送給監(jiān)控中心（可燃?xì)怏w濃度超過預(yù)警時(shí)）；

（4）聲光報(bào)警裝備報(bào)警。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 無線瓦斯測量儀節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

該裝置主控使用STM32F103 開發(fā)板，軟件編程采用C語言，使用Keil的開發(fā)環(huán)境。由于本設(shè)計(jì)使用的主控STM32功能比較復(fù)雜，為了減少軟件設(shè)計(jì)的工作量，這里我們直接調(diào)用官方提供的函數(shù)庫里面的函數(shù)來進(jìn)行編程，大大減少了編程難度。軟件系統(tǒng)分為主程序模塊和子程序模塊兩個(gè)部分。

系統(tǒng)通電后，單片機(jī)完成對(duì)I/O端口、各個(gè)變量進(jìn)行初始化，并開啟各個(gè)器件的功能。傳感器開始收集空氣中的甲烷濃度數(shù)據(jù)，然后通過低通濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和放大電路對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，該信號(hào)再通過STM32 內(nèi)部軟件程序進(jìn)行分析，之后進(jìn)入循環(huán)階段，將處理結(jié)果與之前所設(shè)置的瓦斯?jié)舛戎颠M(jìn)行比較，若超出所設(shè)置的瓦斯?jié)舛戎?，則進(jìn)行聲光報(bào)警，并生成一個(gè)數(shù)據(jù)包，將其數(shù)據(jù)通過GPRS DTU通信傳送到監(jiān)控中心，程序流程圖如圖5所示。

4.2 GPRS DTU軟件設(shè)計(jì)

首先設(shè)置好瓦斯測量儀的GPRS DTU，使它可以和連接Internet的PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。然后將RTM32F103單片機(jī)里的程序開始進(jìn)行初始化并打開中斷。GPRS DTU 收到信號(hào)后向RTM32F103 單片機(jī)發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，RTM32F103 單片機(jī)監(jiān)測到該請(qǐng)求信號(hào)后響應(yīng)GPRS DTU。將RTM32F103單片機(jī)傳送給GPRS DTU 的數(shù)據(jù)通過GPRS DTU 發(fā)送到地面監(jiān)控中心PC機(jī)。

4.3 部分代碼

4 結(jié)束語

從實(shí)際應(yīng)用效果看，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，組成了超低功耗、高速率的小型監(jiān)測系統(tǒng)，適合井下工作的安全檢測。高性能的單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源使得外圍擴(kuò)展器件減少、體積小、降低了故障率。而基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)相比，克服了有線通信模式布線困難、傳輸距離有限等缺點(diǎn)，控制使用更加方便，大幅減少了井下通信線路鋪設(shè)的成本和時(shí)間。該系統(tǒng)經(jīng)過擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)溫度、瓦斯、CO的監(jiān)測以及人員定位等功能，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。