煤礦環境參數監測傳感器網絡技術研究

摘 要： 針對監測煤礦環境參數的需求，提出了一個完整的分布式傳感器網絡解決方案。首先描述了傳感器網絡拓撲結構，然后按照HART傳感器網絡總線的物理層、數據鏈路層、應用層的三層協議架構闡述了研究方案。方案包括調制解調模塊和USB接口等組成部分的設計，獲得了實用新型專利，且該產品運行穩定、準確。

關鍵詞： HART協議； 調制解調模塊； 嵌入式微處理器； 調制解調

中圖分類號： TN915.04?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）17?0106?03

Research on sensor network technology for coal mine

environmental parameters monitoring

LI Dan

（Jilin Agricultural Science and Technology University， Jilin 132101， China）

Abstract： According to the requirement of coal mine environmental parameters monitoring， a complete solution of distributed sensor network is proposed. The topology structure of the sensor network is described. And then the research scheme according to the protocol architectures of physical layer， data link layer， application layer of the HART sensor network bus is described. This scheme includes the design of modulating and demodulating module， USB interface， and other components. The scheme has obtained the patent for utility model， and its product has stable and accurate operation.

Keywords： HART protocol； modulating and demodulating module； embedded microprocessor； modulation and demodulation

0 引 言

煤炭開采主要是地下作業，井下處理災害的能力受限并且礦井環境復雜多變，因此有效監控煤礦環境參數并有效預警是保障煤礦安全生產的有力措施。我國礦井重大事故中70%以上是瓦斯事故，所以礦井環境參數監測的重點是瓦斯濃度檢測，除此之外還包括煤塵濃度，CO，NO，SO2，H2S，NH3有害或易燃氣體濃度，風速，風壓等參數的監測。由于煤炭井下各種大型電氣設備產生較惡劣的電磁噪聲污染，并且煤礦環境下要求各電氣設備符合本質安全防爆特性，所以礦井環境監測智能設備之間的通信網絡必須具有強抗干擾能力、具有本質安全防爆特性。目前工控場合廣泛使用的網絡是現場總線式網絡，本文研究采用礦用屏蔽雙絞線作為傳輸媒介的HART協議網絡[1]。

1 傳感器網絡總體設計

根據煤炭開采井下作業的地理分布特點，煤礦環境參數監測傳感器網絡三層拓撲結構如圖1所示。地面中心計算機是系統結構的最頂層，完成煤礦環境參數的最終匯集、分析、預警工作。中心計算機通過工業高速以太網連接井下各個開采通道的監測計算機。位于拓撲結構中間層的監測計算機通過HART協議總線網絡連接自己所在開采礦道的傳感器節點。各類智能型傳感器節點位于拓撲結構的最底層，完成包括瓦斯濃度、煤塵濃度、CO濃度等環境參數的監測工作[2]。

可尋址傳感器數據通路HART協議（Highway Addressable Remote Transducer）是具有代表性和普遍性的一種既支持新型智能儀表的數字信號又兼容傳統的模擬信號的過渡期協議。如圖1所示的電流環路采用礦用屏蔽雙絞線作為介質，信號傳輸距離可以達到2 000 m。拓撲結構第三層的傳感器將環境參數實時測量后通過HART協議總線網絡反饋給第二層的井下監測計算機，經過初步加工處理后通過工業以太網傳遞給第一層的地面中心計算機完成數據匯總、分析和煤礦安全預警計算。

本文主要研究傳感器網絡采用的HART協議總線網絡設計方法。HART協議參考了ISO/OSI七層模型，采用它的簡化三層模型結構，包括第一層物理層，第二層數據鏈路層和第七層應用層。物理層規定了信號的傳輸方法，信號電平；數據鏈路層規定HART協議幀的格式；應用層規定 HART 命令集。在圖1中描述的HART網絡結構位于監測計算機側的HART接口結構和位于傳感器側的接口結構是類似的，下文對位于監測計算機側的HART接口結構進行詳細設計。

2 物理層設計

煤礦井下監測計算機HART協議通信系統由主機和從機兩部分組成。主機是由監測計算機實現，主要任務是完成人機界面接口，即選擇HART 功能命令和顯示HART應答數據。從機是由嵌入式微處理器實現，完成對HART調制解調器的操作，實現發送命令由數字信號調制成音頻信號和接收的組態響應由音頻信號解調成數字信號。主機與從機之間通過USB總線通信。從機的電路由USB通信模塊、嵌入式微處理器模塊、HART調制解調器模塊、顯示模塊組成。

2.1 USB通信模塊設計

USB串行通信模塊采用PL2303芯片，用于實現USB和標準RS 232串行端口之間的轉換。PL2303模塊外圍電路的晶體振蕩器頻率是12 MHz。RXD和TXD分別是異步串行接口的接收和發送引腳，用來完成與嵌入式處理器的通信。DP和DM引腳分別連接USB母座接口的D+引腳和D?引腳，完成與主控機監測計算機的通信。

2.2 嵌入式微處理器模塊設計

HART接口控制核心采用Xilinx公司推出的低功耗、高性能的Zynq?7000全可編程系列芯片XC7Z20?1CLG400。芯片由雙核ARM Cortex?A9 CPU和FPGA 可編程邏輯組成。此芯片既繼承了ARM處理器優異的軟件編程能力，也繼承了FPGA強大的硬件可編程能力[3]。

首先，芯片ARM系統提供的GPIO端口工作在MIO模式，完成控制HART調制解調模塊發送和接收狀態的切換；ARM系統提供的兩個UART控制器，其中一個完成與調制解調模塊的數據通信，另一個完成與USB模塊的通信。其次，芯片FPGA可編程邏輯實現自定義的硬件VGA的IP核，提供HART接口的數據顯示功能。

2.3 HART調制解調器模塊設計

在HART模塊選用A5191HRT芯片，該芯片適用于符合HART協議現場儀表和主控設備的CMOS調制解調器。HART模塊使用較少的外圍元件就可以滿足HART協議物理層的規定，實現調制模塊、解調模塊、接收濾波模塊、載波檢測模塊和發送信號整形模塊。HART模塊采用半雙工的1 200 b/s頻移鍵控FSK調制方式。

如圖2所示，HART模塊由A5191HRT U1、電壓跟隨器U2和電子開關U3組成，U2電壓跟隨器用來提高A5191HRT的OTXA引腳輸出音頻信號的負載能力；HART模塊的接收信道和發送信道共用圖中的HART節點，由于發送信道的輸入阻抗低，因此在HART模塊接收音頻信號時使用電子開關U3增加發送信道的輸入阻抗[4]。

圖2 調制解調器模塊電路圖

當芯片U1的INRTS引腳處于高電平、電子開關U3斷開時，模塊處于接收狀態從而信號被解調，OCD載波檢測信號引腳通知微處理器有解調數字信號生成，微處理器從ORXD引腳讀入數字信號。當INRTS引腳處于低電平、電子開關U3閉合時，模塊處于發送狀態，微處理器將待轉化信號從ITXD引腳送入HART模塊。

3 數據鏈路層設計

在數據鏈路層具有完整邏輯意義的幾個基本數據單位組成的數據幀按照數據流向可分為：由主控設備PC機傳向現場從設備傳感器的主從數據幀或命令幀，由傳感器反饋給PC機的主從數據幀或應答幀。主從數據幀格式包括先導字符、分界符字節、地址字段、命令字段、計數字段、數據字段、校驗字段。

4 應用層設計

HART網絡系統頂層屬于應用層設計，由運行在井下監測計算機上Visual Basic語言設計的應用軟件實現。這個應用軟件由兩個功能模塊組成，包括連接傳感器節點控制模塊和讀取傳感器當前各項工作參數模塊。

在連接傳感器控制模塊中實現了兩項功能：完成檢測計算機與本地HART接口的連接；發送HART協議0號命令讀取傳感器設備類型代碼、版本、設備標識碼。檢測計算機與本地HART接口的連接使用Visual Basic語言中的MSComm控件進行設計，代碼如下：

MSComm1.CommPort =′cmbport.ListIndex + 1′本程序使用cmbport列表框選擇串行端口號

MSComm1.Settings = \"9600，o，8，1\"

發送的HART協議0號命令幀格式：先導字符5個HFF、分界符字節H02、地址字段H80、命令字段H00、計數字段H00、校驗字段[5]。

5 結 語

本文設計了完整的煤礦環境參數監測傳感器網絡系統，其中HART協議傳感器系統已經取得實用新型專利CN204790453U。開發生產的HART接口物理設備在帶有HART協議智能閥門定位器的用戶現場已穩定運行大約兩年的時間。系統通信數據準確，工作穩定可靠。

參考文獻

[1] 孫改平，郭海文.煤礦井下環境安全評價系統的研究[J].煤炭技術，2015，34（6）：320?322.

[2] 馬納吉，馬安昌.基于DSP的煤礦數字監測系統的設計[J].煤炭技術，2015，34（8）：265?266.

[3] 莫灼宇.煤礦井下環境參數遠程監控系統中嵌入式Web Server的應用[J].煤炭技術，2014，33（2）：163?165.

[4] 李丹，許薇.一種便攜式HART分析儀平臺：中國，CN204790453U[P].2015?11?18.

[5] 趙亮.煤礦在用安全監控在線達標監測系統設計[J].煤炭技術，2015，34（8）：213?215.

[6] 戚艷軍，冀汶莉，李強.基于物聯網的井下監控系統的分析與設計[J].現代電子技術，2015，38（14）：64?66.