尹建龍，郭秀娟

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

近年來(lái),煤炭在我國(guó)能源消耗占比較大,煤礦安全事故頻繁發(fā)生.據(jù)國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局統(tǒng)計(jì),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(cè)系統(tǒng)對(duì)降低煤礦安全事故的發(fā)生,減少人員傷亡尤為重要.國(guó)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(duì)井下溫濕度、CO、瓦斯?jié)舛?、供電電源開(kāi)停狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),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(hào)傳輸,來(lái)監(jiān)測(cè)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(guó)傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象單一,且與井下人員定位監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)融合多傳感器監(jiān)測(cè)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(jì)人機(jī)交互界面.

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

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)煤礦井下特殊環(huán)境,本文設(shè)計(jì)了一

種基于STM 32單片機(jī)的煤礦綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由信息采集電路、井下監(jiān)測(cè)分站、CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)4個(gè)部分組成.從圖1中可以看出:將各種傳感器實(shí)時(shí)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(hào)識(shí)別的人員位置信息傳給監(jiān)測(cè)分站進(jìn)行處理,并將采集的環(huán)境參數(shù)與預(yù)測(cè)值相比較,如超限則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行報(bào)警,同時(shí)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(shí)限制井下工作人員進(jìn)入環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域,使報(bào)警裝置的聲光信息發(fā)布與人員定位聯(lián)動(dòng).煤礦綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)中,井下監(jiān)測(cè)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(bào)警、人員跟蹤定位、聯(lián)動(dòng)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(cè)分站控制器、CAN總線控制器、定位標(biāo)簽射頻芯片、RFID讀寫(xiě)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(cè)硬件選型Table 1 Selection of coal mine comprehensive inspection hardware

該設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)支持11位和29位識(shí)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(shí)無(wú)線雙向接收,采用CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn),且內(nèi)置掉電模式,功耗小.現(xiàn)場(chǎng)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)煤礦進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),氣敏傳感器選用MQ-7,MQ-4,MQ-2分別對(duì)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(zhǎng).溫濕度傳感器DHT11是一種以數(shù)字信號(hào)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(gè)I/0端口,采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn),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(gè)部分組成:RFID標(biāo)簽、RFID讀寫(xiě)器和通信網(wǎng)絡(luò).井下工作人員攜帶儲(chǔ)存著編碼信息的被測(cè)標(biāo)簽,單片機(jī)外接RFID讀寫(xiě)器,通過(guò)已知位置的讀寫(xiě)器對(duì)被測(cè)標(biāo)簽進(jìn)行定位.定位方法選擇基于測(cè)距的RSSI定位,并結(jié)合優(yōu)化后的LANDMARC算法對(duì)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(wú)線電信號(hào)隨距離的增大而有規(guī)律的衰減來(lái)計(jì)算RFID標(biāo)簽與讀寫(xiě)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(shí)讀取待定位標(biāo)簽和參考標(biāo)簽的RSSI值,并通過(guò)歐幾里得公式計(jì)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(lái)比較Emn,選擇最小的前k個(gè)參考標(biāo)簽,并計(jì)算這k個(gè)參考點(diǎn)的權(quán)重,從而對(duì)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(gè)RFID讀寫(xiě)器,N個(gè)待定位標(biāo)簽,M個(gè)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(gè)參考標(biāo)簽在讀寫(xiě)器r處的RSSI值,Snr為第n個(gè)待定標(biāo)簽在讀寫(xiě)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(chǎng)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(jì)選用加入自適應(yīng)K值算法來(lái)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(jì)

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在煤礦綜合檢測(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)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(bào)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(gè)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(guò)井下人員所攜帶被測(cè)標(biāo)簽發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的功率損耗來(lái)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(jì)

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(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊,將井下每個(gè)區(qū)域采集模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量通過(guò)CAN總線上傳到井上檢測(cè)中心,井上監(jiān)測(cè)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(lái),根據(jù)參數(shù)預(yù)設(shè)值確定是否發(fā)出報(bào)警信號(hào),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(cè)的效果.以東北某煤礦為例,設(shè)計(jì)上位機(jī)安全報(bào)警界面如圖6所示.

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

5 結(jié)論

本文以STM32F103ZET為控制核心對(duì)煤礦綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行硬件與軟件的設(shè)計(jì),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(duì)井下環(huán)境和人員位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并對(duì)參數(shù)超限進(jìn)行及時(shí)報(bào)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)掌握井下環(huán)境動(dòng)態(tài),提高了煤礦井下的安全系數(shù).