低功耗遠程監控系統的設計與實現

張 杰，席志成，汪 嵩

（1.中國艦船研究設計中心，武漢 430000；2.武漢船用機械有限責任公司，武漢 430000）

0 引言

煤礦井下條件十分復雜，水、火、瓦斯、粉塵、頂板等諸多因素都嚴重威脅著煤礦工人的生命安全，因此實時監控煤礦井下的這些危險因素，對于掌控井下環境，制定相應的安全防護措施，保證煤礦工人的生命安全極其重要[1]。本文設計的井下遠程監控系統，就是針對礦井的復雜工作情況，實時監控井下的瓦斯濃度，氧氣濃度，粉塵濃度，溫度等關鍵量。

目前，傳統的監控系統線路龐雜，可靠性差，功耗高，成本較高，且維護困難，擴展性差[2]。針對這些問題，本文基于無線通信技術[3]，設計了一種新型低功耗井下遠程監控系統。本系統由井下單元節點處的智能檢測裝置、無線通信總線及終端設備三部分組成，監控系統將每一個井下單元的監控信息通過無限通信總線實時反饋給地面監控中心，監控中心對反饋信息進行實時分析并作出有效判決，實現實時準確掌控井下復雜環境的目的。當某一監控量的值超過給定的安全范圍時，在節點處和監控中心同時報警，提示工作人員采取相應的緊急處理措施。采用無線通信方式實現信息交換，不需復雜的線路，可提高系統可靠性；采用分布式結構及網絡化管理，易于系統維護及監控單元的擴展。針對無線通信裝置具有獨立電源、壽命短及在礦井下更換電池困難等問題，本文通過選擇低功耗芯片，開發相應的低功耗模式程序，實現監控系統非工作時智能檢測裝置進入節能等待模式，從而降低系統的功耗，大大延長系統的使用壽命。通過理論分析和實驗，對該系統的有效性和可靠性進行了驗證。

1 系統總體方案設計

低功耗井下遠程監控系統采用C/S結構，主要由節點處的智能檢測裝置、無線通信及終端設備三部分組成，如圖1所示。每一個節點代表一個智能檢測裝置，它包括傳感器組、單片機控制單元及無限通信接口單元。傳感器組可以檢測礦井的瓦斯濃度、氧氣濃度、粉塵濃度、溫度等關鍵量。由單片機控制單元對檢測到的物理量信息進行分析處理，并將處理信息及決策結果通過無限通信接口輸出，通過無線通信總線將數據輸入終端設備。

終端設備（即上位機）由計算機和GSM模塊組成。通過上位機軟件對傳輸而來的信息進行綜合分析，在上位機軟件界面上展示各節點的監控信息，顯示個節點處的安全狀態及相應的語音報警，且將相應的監控信息及處理結果存入數據庫。此外，上位機除了可接收監控信息外，也可以向其授權的節點直接發送設控和撤控等指令，通過上位機軟件，可以設置某一節點為監控對象，也可以取消對某一節點的監控狀態。

圖1 系統總體方案圖

2 系統的主要硬件設計

2.1 主控芯片

STM8S105C6采用高級STM8內核，具有三級流水線哈佛結構，支持擴展指令集，最高處理速度16MHZ，支持多串口通信，支持10位ADC數據采集，支持PWM輸出，具有強大的I/O功能[4]。另外，STM8S105C6支持多個定時器中斷，看門狗定時器，spi總線 ，I2C總線，外部中斷。實際應用中，在不需要CPU運行，例如等待某外部事件時，該芯片具有的幾個低功耗模式可用來節省能耗。STM8產品具有的3種主要低功耗模式如下：

1）等待模式：CPU停止工作，其他外部設備正常工作。

2）活躍停機模式：運行模式和停機模式之間的一種“混合”模式，進入活躍停機模式時，AWU計數器開始計數，AWU中斷會根據配置好的固定時間間隔周期性的喚醒CPU，一旦產品回到運行狀態，AWU計數器停止計數。

3）停機模式：所有設備停止工作。

由于使用的智能檢測裝置安裝在礦井下的各個位置，特殊的工作環境要求智能檢測裝置能夠自動完成檢測任務，無需看守及人工維護，所以為了保證該裝置能夠長期工作，在監控系統不工作或者不需更新數據時，設置板子進入節能狀態下的等待模式；當需要正常工作時，由內部或外部中斷將STM8芯片喚醒進入正常工作模式，數據發送完畢后自動進入等待模式。

2.2 無線通信芯片

無線通信模塊選用西門子公司GSM雙模無線數據收發模塊TC35，該模塊提供了標準的AT命令接口，支持語音和短消息的傳輸[5]，支持RS232通訊接口，工作溫度為-20℃～+55℃，由天線連接器連接外部天線。

2.3 低功耗實現電路

圖2 TC35通斷電控制電路

由于TC35在檢測到基站信號后具有高達50mA工作電流，為降低功耗，故在非工作狀態是不應該給TC35持續供電，為此，需要一個控制電路控制是否給其供電，當需要發送無限通信信號時，通過觸發信號使TC35通電正常工作；當信號發送完成后，TC35實現自動斷電，實現降低功耗的功能。具體的控制電路如圖2所示。當PB8是低電平時，兩個三極管都不通，Vout=0v，TC35處于斷電不工作狀態；當PB8置高電平時，兩個三極管都導通，Vout=Vin，TC35處于通電正常工作狀態。

2.4 數據采樣電路

智能檢測裝置中的傳感器采集數據時，周圍的一些干擾信號對采樣精度的影響較大，為此，外圍電路中加入了π形濾波電路、濾波去耦電路，并通過放大器將采樣信號進行放大，提高采樣精度。采樣電路如圖3所示。

圖3 采樣電路圖

2.5 控制系統硬件組成

控制板主要由STM8S105C6、TC35和串口芯片max3223等組成，其中STM8S105C6負責從傳感器采集數據，并進行處理；TC35負責識別SIM卡和上位機通信；max3223負責主控器和TC35之間的通信，具體硬件組成如圖4所示。

圖4 控制系統硬件組成圖

2.6 下位機軟件設計

ARM公司為STM8提供了一個非常友好的開發平臺：keil，該平臺支持程序燒寫、在線仿真、內存查看等功能，為實現STM8控制功能，軟件流程圖如圖5所示。

圖5 下位機軟件流程圖

其中數據采用并均值濾波的流程圖如圖6所示。

圖6 數據采樣流程圖

3 上位機軟件設計

上位機軟件是監控中心統一管理調度的軟件，實時監控整個礦井每一個節點處的具體工作環境，為相應的安全措施提供信息支持。為實現串口通訊功能，采用C#語言編寫。其Net.Framework為應用程序訪問Internet提供了分層的、可擴展的以及受管轄的網絡服務。串口中斷服務程序主要是完成計算機對嵌入式客戶端進行參數的配置，其收到的數據報只有一種格式，因此利用C#提供的串口標準通訊函數即可實現GSM模塊通信功能。

上位機軟件界面上展示了各節點的實時監測數據，通過后臺代碼設置，節點的監測數據5分鐘自動更新一次，當有節點監測到的數據超過給定的安全范圍時，對應節點的安全狀態顯示為危險，同時在報警提示信息欄中顯示對應的危險信息和節點編號；通過重新設定按鈕，可以設定各個監測量的安全范圍值。操作界面的具體形式如圖7所示。

圖7 上位機軟件操作界面

4 結論

為驗證系統的有效性和可靠性，將6個節點單元和一臺終端機連接起來，構建了一個現場模擬井下遠程監控系統，通過不斷改變節點單元周圍的環境，測試上位機界面上的監控數據變化情況，及相應的報警提示信息；將節點處的主控制單元外接電流表，測其電流變化情況。實驗結果表明，系統工作正常，反應靈敏，沒有發生任何擁塞現象，也未發生虛警和漏檢。當主控制單元需要采集數據，正常工作時，其電流值為80mA，當數據發送完成，進入等待狀態時，其電流值為6uA，可見，系統滿足了設計的低功耗要求。

[1] 易菊蘭,簡茶生,劉志龍.煤礦遠程監控系統中OPC客戶端的設計與實現[J].煤炭技術,2012,31(11):193-196

[2] 岳一領,李東生.基于數據挖掘技術的煤礦遠程監控系統研究[J].太原理工大學學報,2005,36(2):211-215.

[3] 劉士光,沈春寶,包長春,等.無線通信技術在溫室測控系統中的應用研究[J].農業工程學報,2006,22(12):155-158.

[4] 陳琪琳,雷必成.基于STM8的光伏逆變器設計[J].電子設計工程,2013,21(11):85-87.

[5] 杜向黨,李淼,張繼紅.基于無線傳感器網絡和GPRS的無線遠程監控系統設計[J],機械與電子,2010(2):72-74.