礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計分析

杜國瑞

（汾西礦業(yè)集團柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)將不同類型的傳感器整合組網(wǎng)，然后通過信號接收轉(zhuǎn)換分站將測量得到的各種水文數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機上，并通過上層軟件對各項水文數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析，以達(dá)到對水文災(zāi)害的提前預(yù)警[1-3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)可以分為三個主要部分，第一部分是位于底層的傳感器網(wǎng)絡(luò)，第二部分為信號轉(zhuǎn)換分站，第三部分為監(jiān)控計算機。信號轉(zhuǎn)換分站接收各個傳感器測量的數(shù)據(jù)然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控計算機，并在計算機上通過上層軟件進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析[4]。位于同一局域網(wǎng)的其他計算機也可以通過瀏覽器登陸監(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)的查看和分享。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

每個信號轉(zhuǎn)換分站都能接入多個傳感器，傳感器與分站之間采用m-bus總線進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。不同類型的傳感器將測量得到的水文參數(shù)（如水壓，溫度，流量）通過總線傳輸?shù)叫盘栟D(zhuǎn)換分站。信號轉(zhuǎn)換分站作為m-bus總線的主設(shè)備，智能傳感器作為m-bus的從設(shè)備口1。傳輸m-bus總線信號所采用的電纜為四芯屏蔽線，其中兩根用來傳輸信號，另外兩根通過分站用來為智能傳感器供電。而信號轉(zhuǎn)換分站所需要的24 V直流電是通過礦用隔爆電源通過接入127 V的礦用照明電路轉(zhuǎn)化后得到的。一般情況下每個信號轉(zhuǎn)換分站都會掛載多個傳感器，每個傳感器都有一個唯一的地址與其對應(yīng)。信號轉(zhuǎn)換分站通過地址識別不同的傳感器，每個傳感器都分布在不同的測點，這樣就能監(jiān)測到各個測點的水文參數(shù)[5]。

傳感器所測量的數(shù)據(jù)通過信號轉(zhuǎn)換分站傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機，由于監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時性要求比較高，所以所采用傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率要快，傳輸距離要遠(yuǎn)，傳輸穩(wěn)定性要高。因此為了滿足要求采用了RS485總線來進行數(shù)據(jù)的傳輸H1。對于分站和監(jiān)控計算機距離較短的情況直接采用兩芯線將分站和通信接口連接起來。如果直接引兩芯線比較麻煩可以接入煤礦的電話網(wǎng)，在電話網(wǎng)的對應(yīng)端口接入分站和通信接口即可。如果礦上有比較完善的光纖網(wǎng)絡(luò)也可以借助光纖來進行傳輸，在分站和通信接口分別接入光端機，一個接接收機，一個接發(fā)送機，這一對收發(fā)機再接入光纖網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)端口。RS485通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 水文監(jiān)測系統(tǒng)的各部分組成

2.1 智能傳感器組成

圖2 RS485通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

智能傳感器是負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的底層設(shè)備，并且還能將采集到的數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送到上層的信號轉(zhuǎn)換分站。

傳感器部分將被測量的物理量（如溫度、壓力等）轉(zhuǎn)換成電壓或者電流，然后經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入MCU。MCU將得到的數(shù)字量進行處理然后通過通信電路將其發(fā)給總線，信號轉(zhuǎn)換分站就可以通過總線接收到所需要的數(shù)據(jù)。

2.1.1 信號調(diào)理電路

因為不同種類的傳感器將各種非電量轉(zhuǎn)化為電量輸出形式不同，所以不同的智能傳感器的信號處理電路也有所不同。有的傳感器可以直接輸出數(shù)字量，然后就可以直接送入單片機，然后通過編程的方式對信號進行處理[3]。有的則輸出為模擬量，需要通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后再將其送入單片機進行處理。下面以智能水壓傳感器為例介紹一下模擬量采集的信號調(diào)理電路。

智能水壓傳感器的測壓探頭是一個電阻隨壓力變化而產(chǎn)生變化的元件，將其與另外三個阻值已知的精密電阻組成電橋。

隨著水壓的變化傳感器受壓元件阻值就會發(fā)生變化，進而引起電橋輸出端電壓（UAB）發(fā)生變化。而信號調(diào)理電路要做的工作就是把電橋的輸出電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。進行A/D轉(zhuǎn)換所采用的主要元件為AD7705。

AD7705可工作在2.7 V至3.3 V或4.75 V至5.25 V電壓下，內(nèi)部含有六個寄存器：通訊寄存器、設(shè)置寄存器、時鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、零標(biāo)度寄存器、滿標(biāo)度寄存器。通訊寄存器用來選擇模擬電壓的輸入通道，以及操作的目的寄存器和對目的寄存器的讀寫類型。設(shè)置寄存器用來進行校準(zhǔn)模式、輸入極性、增益倍數(shù)以及緩沖模式的相關(guān)設(shè)置，時鐘寄存器則主要用來選擇濾波器和控制時鐘。

2.1.2 微控制器選擇和通信電路

智能傳感器選用P89LPC93作為微控制器，該芯片串口始終處于工作，而且功耗比較低，指令執(zhí)行速度快，適合智能傳感器這種低功耗，效率要求高的場合。這種芯片的集成度較高，有利于減少外圍器件的數(shù)量以及電路板面積和成本。

智能傳感器與信號轉(zhuǎn)換分站之間采用的m-bus總線方式進行數(shù)據(jù)傳輸。通信電路主要通過TSS721芯片將單片機接入m-bus總線。這樣通信電路就能適應(yīng)m-bus總線的主機與從機之間不同的電壓。為了防止單片機與通信電路之間相互干擾采用光耦器件6N139隔離單片機和芯片TSS721，這樣以來電路的可靠性和穩(wěn)定也得到了提升。TSS721可以辨別動態(tài)電平，這種動態(tài)電平辨別機制可以增加通信電路的可適用性。

2.2 信號轉(zhuǎn)換分站的結(jié)構(gòu)組成

信號轉(zhuǎn)換分站是整個系統(tǒng)中起到信息集中和轉(zhuǎn)發(fā)樞紐作用的重要設(shè)備，它可以將分布在不同測點的智能傳感器測量得到的數(shù)據(jù)接收過來并轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控計算機，是連接底層智能傳感器和上層監(jiān)控計算機的通信節(jié)點。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖5。

分站由防爆電源提供24 V的直流電壓，可以分為單片機、通信模塊、存儲模塊、顯示模塊、時鐘模塊、以及隔離模塊六個部分。單片機接收傳感器通過m-bus總線發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計算機。單片機可以通過控制開關(guān)來控制的m-bus模塊的工作狀態(tài)，傳感器的分時依次循環(huán)上電也是通過單片機發(fā)送地址匹配信息來完成的。

信號轉(zhuǎn)換分站的通信模塊是采用RS485總線實現(xiàn)通信的，通信總線主要有三種不同的實現(xiàn)形式。一是直接采用兩線制的RS485總線方式進行通信，二是接入礦井的電話網(wǎng)，通過比較完善方便的電話網(wǎng)進行通信，還可以利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)進行通信，即將分站接在光端機的發(fā)送機，然后在通信接口端接入光端機的接收機，這樣就可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)進行通信。

2.3 通信接口結(jié)構(gòu)組成

信號轉(zhuǎn)換分站傳送出來的信號為RS485信號，由于監(jiān)控計算機沒有RS485接口所以不能直接識別該信號，需要將RS485信號轉(zhuǎn)化為計算機能識別的RS232信號。通信接口就是完成這一信號轉(zhuǎn)化過程的設(shè)備，通信接口主要分為兩大部分：信號轉(zhuǎn)換電路和本安型電源電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 通信接口組成框圖

分站的供電由本安電源電路提供，為各個元器件提供所需電壓。監(jiān)控計算機發(fā)送的RS232信號進入通信接口，通信接口的信號電平轉(zhuǎn)化電路可以先將其轉(zhuǎn)化為TTL電平信號，然后再轉(zhuǎn)化為RS485電平信號。而分站發(fā)送的RS485信號送入通信接口，就可以先轉(zhuǎn)化為TTL電平信號，然后再轉(zhuǎn)化RS232信號，這樣就實現(xiàn)了分站和監(jiān)控計算機之間的通信。

單片機是整個通信接口的控制和信號轉(zhuǎn)換中樞，因為通信接口既要和分站通信又要和計算機通信，為了減少設(shè)計的繁瑣度單片機采用了具有雙串口的W77E58。

RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換電路的核心元件為SP202。SP202是一種RS232標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)芯片，采用+5 V供電，不僅支持RS232協(xié)議還支持V.28串行協(xié)議。SP202的傳輸速率比較快，可以達(dá)到至少120 kb/s的速率。芯片外圍的電荷電容為0.1 μF，可以實現(xiàn)芯片的低功耗運行。SP202與單片機的連接方式也比較簡單，SP202的T1IN和R1OUT接到單片機的TXD1和RXD1，而SP202的T1OUT和R1IN分別接到RS232的TXD和和RXD即可。由于該芯片的集成度較高，外圍電路所需器件比較少，連接簡單，所以抗干擾能力比較強[4]。

TTL到RS485電平轉(zhuǎn)換電路所用的芯片為MAXl483。MAXl483是MAXIM公司生產(chǎn)的一款標(biāo)準(zhǔn)RS485接口芯片，其輸入阻抗高，靜態(tài)電流低，可掛載節(jié)點數(shù)量多（可達(dá)256個），適合將多個RS485設(shè)備進行組網(wǎng)使用。MAXl483與單片機的連接方式也比較簡單，只需要將選擇發(fā)送接收狀態(tài)端RE和DE兩個引腳連在一起，然后通過光耦元件和單片機I/O口連接，這樣就可以通單片機控制其工作狀態(tài)。R0和D1分別接收發(fā)送端，也通過光耦與單片機的RXD、TXD連接。

2.4 監(jiān)控軟件的組成與功能

監(jiān)控軟件安裝在服務(wù)器上（監(jiān)控計算機），用來顯示并監(jiān)測從傳感器測量得到的各項水文數(shù)據(jù)，而且還可以對各項數(shù)據(jù)進行處理、分析并存儲在服務(wù)器硬盤上。除此之外還可以通過監(jiān)測軟件對分站、傳感器進行分類、命名等初始化操作，其他客戶端計算機遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器也是通過監(jiān)測軟件來完成的。

監(jiān)控計算機要作為服務(wù)器來使用，所以預(yù)裝了windows 2003 sever網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，而監(jiān)控軟件就是基于windows開發(fā)的。軟件的開發(fā)同時運用了ASP．net動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)語言、JavaScript、VBScript三種不同的語言，并用SQLserver2000數(shù)據(jù)庫對各項水文數(shù)據(jù)進行管理。ASP．net是一個已編譯的基于．net的環(huán)境，它是功能最強大最完整的網(wǎng)頁編輯工具。VBScript是VisualBasic script的簡稱，是ASP動態(tài)網(wǎng)頁默認(rèn)的編程語言，配合ASP內(nèi)建的對象和ADO對象。JavaScript是一種面向?qū)ο蟮膭討B(tài)類型的區(qū)分大小寫的客戶端腳本語言。SOLserver2000是微軟推出的一種應(yīng)用比較廣泛的數(shù)據(jù)庫管理軟件，可以比較方便的對數(shù)據(jù)進行管理和維護，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)中的使用也比較普遍。

監(jiān)控軟件的研制以簡潔性、實用性、通用性和易操作性等為原則，整個監(jiān)控軟件系統(tǒng)要實現(xiàn)眾多功能，涉及多個方面，程序編制工作相當(dāng)復(fù)雜，為簡化系統(tǒng)的設(shè)計，減少錯誤，采用模塊化設(shè)計方式。這樣將整個軟件分為幾個不同的模塊，然后再逐個模塊完成，最終組合成一個完整的程序，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。整個軟件的模塊化框圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測軟件的框圖

搜索傳感器模塊用來搜索各個分站所掛載的傳感器，巡測分站模塊用來檢測通信接口所連接的分站，數(shù)據(jù)處理模塊對接收的數(shù)據(jù)進行處理和分析并存儲在服務(wù)器硬盤，系統(tǒng)設(shè)置模塊用來設(shè)置分站的名稱、地點和分站編號以及傳感器的編號、類型、地點和所屬分站等，數(shù)據(jù)瀏覽模塊對其他客戶端計算機訪問服務(wù)器提供支持。

3 結(jié)論

文監(jiān)測系統(tǒng)能有效地收集各個測點傳感器的數(shù)據(jù)，具有實時性、便捷性的特點，可大大節(jié)省人工測量所浪費人力財力和物力，并且可以對采集到的數(shù)據(jù)進行計算處理，為水文災(zāi)害分析和預(yù)測提供保障。隨著新技術(shù)新手段的應(yīng)用和人們對水害的重視，礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和智能化程度會有很大的提高。