基于STM32的礦用監(jiān)控分站研究與設(shè)計(jì)

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 劉 歡

煤礦監(jiān)控分站是整個(gè)礦山檢測(cè)系統(tǒng)中較為重要的組成部分，是連接井下傳感層與地面監(jiān)控中心之間信息傳輸?shù)臉蛄海菍⒕赂黝?lèi)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的樞紐部分。本文設(shè)計(jì)了一種以STM32單片機(jī)為核心處理器的煤礦用監(jiān)控分站，具有RS-485總線和以太網(wǎng)通訊接口，集信號(hào)采集、存儲(chǔ)、傳輸為一體功能，并對(duì)軟件部分采用嵌入式開(kāi)發(fā)。大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木群退俣龋瑢?duì)數(shù)字化、信息化礦山建設(shè)具有重大意義。

監(jiān)控分站位于煤礦井下傳感層與地面監(jiān)控中心之間，是整個(gè)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的最前端，擔(dān)任著井下數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)。監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)采集精度和傳輸速度直接影響地面監(jiān)控中心對(duì)井下工作環(huán)境檢測(cè)以及各類(lèi)終端的運(yùn)行控制，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重大意義。本文根據(jù)現(xiàn)代化煤礦安全生產(chǎn)以及數(shù)字化、信息化礦山建設(shè)要求，設(shè)計(jì)了一種以STM32系列單片機(jī)為核心處理器的礦用監(jiān)控分站，主要分為硬件電路設(shè)計(jì)和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)。

1 礦山監(jiān)控系統(tǒng)

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心、監(jiān)控分站、遠(yuǎn)端傳感器三部分組成，其簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳感器主要類(lèi)型有CO2傳感器、CO傳感器、甲烷傳感器，溫度傳感器，風(fēng)速傳感器等，對(duì)井下各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控分站；監(jiān)控分站主要任務(wù)是采集各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)打包然后發(fā)送給地面監(jiān)控中心；地面中心站將監(jiān)控分站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示并建立數(shù)據(jù)信息庫(kù)，一遍工作人員根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)信息對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行判斷，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有重要作用。

圖1 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于井下環(huán)境復(fù)雜，各種電磁干擾較強(qiáng)，對(duì)數(shù)據(jù)采集以及發(fā)送的要求較高，該分站在與傳感器通訊方面設(shè)計(jì)并采用了RS-485總線的結(jié)構(gòu)，較大程度的降低了信息采集時(shí)的各項(xiàng)干擾。監(jiān)控分站采用了以太網(wǎng)通訊方式與地面監(jiān)控中心交互數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

2 監(jiān)控分站電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)控分站電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源模塊

監(jiān)控分站采用本安型12VDC電池供電，主要為分站和與分站相連接的外部傳感器供電，并設(shè)計(jì)了由主處理器控制的光電隔離電路來(lái)控制外部傳感器電源的通斷。

監(jiān)控分站的電路的電壓等級(jí)主要分為5V、3.3V兩個(gè)等級(jí)，其中以太網(wǎng)通訊模塊的工作電壓為5V，設(shè)計(jì)電路時(shí)采用了LM2596S芯片（降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器）將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V來(lái)作為以太網(wǎng)模塊的工作電源。

監(jiān)控分站的硬件電路其他模塊的工作電壓為3.3V，通過(guò)LD1117芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V為核心處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示屏等電路模塊供電。

2.2 核心處理器

核心處理器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103，具有成本低、功耗低、性能高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理速度快，并可以進(jìn)行嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，軟件程序編寫(xiě)更加簡(jiǎn)單。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

該分站采用了存儲(chǔ)容量為16M的FLASH閃存，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)程序以及各類(lèi)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行至少10萬(wàn)次重復(fù)擦寫(xiě)，并可以保存數(shù)據(jù)20年。

2.4 顯示模塊

分站外接了LCD液晶顯示屏，用來(lái)顯示分站工作狀況，以及外部傳感器工作狀態(tài)。為工作人員檢修提供了方便。

2.5 RS-485總線

監(jiān)控分站采用了RS-485總線的方式與外部傳感器連接，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集單元，RS-485總線具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且使用方法簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)井下惡劣環(huán)境，并且能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)采集精度。

2.6 以太網(wǎng)通訊接口

監(jiān)控分站與地面中心采用以太網(wǎng)通訊方式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率和準(zhǔn)確率，為地面工作人員提供了具有實(shí)時(shí)性的判斷依據(jù)。

3 分站軟件設(shè)計(jì)

分站采用嵌入式軟件開(kāi)發(fā)，使用keil軟件進(jìn)行程序編寫(xiě)，系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，便于后期操作系統(tǒng)的移植、調(diào)試從而提高程序利用效率。軟件設(shè)計(jì)流程主要為地面監(jiān)控中心站向監(jiān)控分站發(fā)出指令后，監(jiān)控分站初始化并給各個(gè)模塊以及外部傳感設(shè)備配置參數(shù)，將數(shù)據(jù)采集后存入指定存儲(chǔ)器，LCD對(duì)數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)回傳給地面監(jiān)控中心。

結(jié)語(yǔ)：本文根據(jù)目前煤礦安全生產(chǎn)以及信息化礦山建設(shè)等實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了以STM32F407單片機(jī)機(jī)為核心處理器的監(jiān)控分站。設(shè)計(jì)了以RS-485總線的數(shù)據(jù)采集單元，較大程度的提高了數(shù)據(jù)采集精度；在分站與地面數(shù)據(jù)傳輸采用了以太網(wǎng)通訊，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，為監(jiān)控中心提供了更加具有時(shí)效性數(shù)據(jù)，進(jìn)一步推動(dòng)了煤礦信息化數(shù)字化建設(shè)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。