基于CAN總線井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

丁利瓊，譚秋林，裴向東，朱思敏，張獻(xiàn)生，康 昊

（1．中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051;2．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引言

煤炭生產(chǎn)、加工、利用等每一個(gè)環(huán)節(jié)都帶來了環(huán)境污染、安全等一系列的問題，其中之一便是產(chǎn)生大量有害氣體，包括CO，CH4等。各種重、特大事故頻繁發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響［1］。因此，對(duì)井下環(huán)境有毒氣體和溫濕度的監(jiān)測(cè)尤為重要。目前，市場(chǎng)上存在的煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要采用FSK或RS—485方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這兩種通信方式都有一定的不足，特別是分布式系統(tǒng)，例如:煤礦井下作業(yè)，而CAN總線式通信協(xié)議支持多主站，能夠滿足礦井監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控分站的要求。本文利用集成CAN控制器的單片機(jī)C8051F040配置CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)［2］，在CAN總線節(jié)點(diǎn)上掛接氣體傳感器、溫濕度傳感器及粉塵傳感器來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境的溫濕度、有毒氣體及可吸入人體顆粒的濃度，當(dāng)監(jiān)測(cè)值超過安全閾值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光安全報(bào)警。

1 系統(tǒng)硬件邏輯設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

井下安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，1個(gè)主節(jié)點(diǎn)，即數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)（主控端），3個(gè)從節(jié)點(diǎn)，即數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)（采區(qū)）［4］。主節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)其他3個(gè)從節(jié)點(diǎn)的控制，接收從節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示，并與上位機(jī)通信等功能。從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，它通過掛接在CAN總線上的傳感器采集數(shù)據(jù)［3］，采集的數(shù)據(jù)處理后再通過CAN總線傳送至主節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)通信。

上位機(jī)則通過發(fā)送命令到各節(jié)點(diǎn)來收集數(shù)據(jù)，修改過程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)與各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的通信。各節(jié)點(diǎn)可以將采集到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算并保存打印，實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)越的信息處理功能。

圖1 井下安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of safety monitoring system underground coal mine

1．1 主控端

主控端主要由CAN收發(fā)模塊、開關(guān)控制模塊、CAN轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 主控端結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of main control item

主控節(jié)點(diǎn)通過CAN收發(fā)器以廣播形式向CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)點(diǎn)名信息［5］，待其接收到分節(jié)點(diǎn)發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)后，向分節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，分節(jié)點(diǎn)根據(jù)優(yōu)先級(jí)不同分別向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示。

1．2 監(jiān)控端

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端主要由單片機(jī)控制模塊、雙氣體傳感器（CO/CH4）模塊、單一氣體（H2S）傳感器、溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等模塊組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送至CAN總線。首先傳感器對(duì)井下采區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理后，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)再傳送至單片機(jī)［6］，單片機(jī)中的CAN控制器模塊將數(shù)據(jù)封裝成標(biāo)準(zhǔn)的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)幀，傳至CAN總線。

圖3 監(jiān)控端結(jié)構(gòu)框圖Fig 3 Structure block diagram of monitoring item

1．3 溫濕度采集模塊

溫濕度傳感器采用由中北大學(xué)研制的AM2302，它是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器［6］。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保傳感器具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 溫濕度傳感器實(shí)物圖Fig 4 Physical map of temperature-humidity sensor

1．4 雙氣體（CO/CH4）體積分?jǐn)?shù)采集模塊［7］

本文采用由中北大學(xué)研制的基于紅外原理的集成有害氣體傳感器，該傳感器通過微光機(jī)電集成，利用紅外光線對(duì)一定體積分?jǐn)?shù)氣體吸收的原理，同時(shí)對(duì)CH4和CO氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測(cè)，具有體積小、重量輕、精度高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 雙氣體傳感器實(shí)物圖Fig 5 Physical map of double gas sensor

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C51程序編寫，分為主程序、傳感器子程序、液晶顯示子程序、聲光報(bào)警子程序等，核心程序流程圖如圖6所示。通電之后利用開關(guān)設(shè)置各待測(cè)參量的安全閾值。單片機(jī)上電初始化后，開始采集溫度，濕度，CH4，CO，H2S氣體體積分?jǐn)?shù)、粉塵濃度等數(shù)據(jù)，設(shè)置定時(shí)時(shí)間為2 s，2 s不到，繼續(xù)采集;2 s到，液晶屏顯示當(dāng)前各值。所顯示的各數(shù)值如果都不超過設(shè)定的安全閾值，則顯示屏上每2 s更換一次數(shù)據(jù);如果有任意體積分?jǐn)?shù)值超過設(shè)定的安全閾值，則蜂鳴器報(bào)警、LED報(bào)警燈亮。

圖6 核心程序流程Fig 6 Flow chart of core program

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

傳感器被分布式布置在井下各需被檢測(cè)的采區(qū)位置，其輸出數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)控，檢測(cè)原煤開采過程中所產(chǎn)生的CH4，CO2，H2S，CO等氣體，并結(jié)合溫濕度傳感器的信息判斷事故發(fā)生的可能性，實(shí)現(xiàn)預(yù)警，從而避免事故的發(fā)生。

在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境下測(cè)得CO氣體體積分?jǐn)?shù)曲線圖如圖7所示。圖8為所測(cè)CH4氣體的體積分?jǐn)?shù)曲線圖。

圖7 CO氣體體積分?jǐn)?shù)曲線Fig 7 Curve of volume fraction of CO

圖8 CH4氣體體積分?jǐn)?shù)曲線Fig 8 Curve of volume fraction of CH4

4 結(jié)論

本文給出一種基于CAN總線的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選用C8051F040作為核心控制器件，設(shè)置了多個(gè)智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成局域網(wǎng)，利用CAN總線高性能、高可靠性以及抗電磁干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了各節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下現(xiàn)場(chǎng)各危害指數(shù)的精確監(jiān)測(cè)、報(bào)警，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、可靠、高效，且生產(chǎn)成本低，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 閆 飛．基于CAN總線的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)——分站的研制及通訊實(shí)現(xiàn)［D］．西安:西安科技大學(xué)，2009:2－5．

［2］ 喻 梅，夏秋航，楊曉東．井下人員定位系統(tǒng)中基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］．科技信息，2007，32（2）:1 －5．

［3］ Xia Shixiong，Qiao Dalei，Chen Dai，et al．A new design and implementaation of an attendance cheking node for coal mines［J］．Journal of China University of Mining ＆ Technology，2007，17（2）:193－196．

［4］ 朱 敏，張崇巍．CAN總線在數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，25（3）:1 －3．

［5］ 王紅旗，李 輝．基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的智能溫度采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（1）:125 －127．

［6］ 丁 蘭，曹延磊．環(huán)境溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制［J］．安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，10（5）:1－3．

［7］ 譚秋林．面向危險(xiǎn)氣體檢測(cè)的紅外光學(xué)氣體傳感器的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．太原:中北大學(xué)，2009:34－50．