基于嵌入式的煤礦輸送帶縱向撕裂監測系統的研究

趙亞男

（西山煤電西曲礦綜采一隊， 山西 古交 030200）

引言

對于帶式輸送機，輸送帶是物料運輸的關鍵部件，并且成本較高，接近帶式輸送機總體成本的一半。一旦輸送帶出現縱向撕裂，如果得不到及時發現和處理會造成極大的損失，嚴重時甚至會導致煤礦的停產，所以及時檢測到輸送帶縱向撕裂故障有著非常重要的意義。現有的檢測方法有：機械檢測法、電磁檢測法、超聲波檢測法、射線檢測法以及機器視覺檢測法。其中機械檢測法是采用接觸式檢測，可靠性不好、精度較差；電磁檢測法是在輸送帶里事先布置傳感線圈，所以成本很高并且損害后難以修理；利用X射線來判斷縱向撕裂故障的射線檢測法也存在著成本高昂的問題；而超聲波檢測法在現今情況下技術還不夠成熟，實際應用情況欠佳。基于以上原因，可靠性好、成本低、精度高的機器視覺法就成為了研究的重點。李海濱等人利用激光發生器向輸送帶的底部發射“一”字激光，相機將拍攝好的激光條紋傳送給計算機，并由計算機檢測是否出現縱向撕裂故障，取得了一定的效果，但是也存著計算機處理圖片所導致的實時性差的問題。針對該問題，本文以嵌入式控制器為核心設計了縱向撕裂故障檢測器，然后利用WiFi與計算機通信，從而構成縱向撕裂監測系統，該系統精度高、實時性強、并且采用非接觸設計，具有良好的經濟和社會效益[1]。

1 監測系統總體方案設計

基于嵌入式的煤礦輸送帶縱向撕裂監測系統的總體方案如圖1所示。該系統的主要組成部分包括：基于嵌入式的縱撕故障檢測器、“一”字線激光器、CMOS攝像頭、計算機（上位機）、以及無線路由器。

激光器先投射“一”字線激光條紋到輸送帶上，條紋與輸送帶的方向垂直，并且要保證條紋的長度與輸送帶的寬度相等，當輸送帶出現撕裂故障的時候，該激光條紋的形狀就會發生明顯變化；這些圖像信息由面陣CMOS攝像頭采集后傳送到嵌入式處理器，處理器會對圖像信息進行分析和處理，判斷激光條紋形變的程度，當形變程度大于其設定值時，處理器即認定輸送帶發生縱向撕裂故障，檢測器會發出故障報警，并將故障監測信息傳送到個人計算機中[2]。

圖1 監測系統總體結構圖

2 基于嵌入式的縱撕故障檢測器硬件設計

檢測器硬件電路主要是由嵌入式芯片、外部存儲電路、電源電路、攝像頭模塊電路、USB接口電路等組成。其中檢測器的嵌入式芯片選用的是三星公司生產的S3C2440，功耗和價格都比較低，但是其最高主頻達到了400 MHz，性能較強，該芯片集成了LCD液晶顯示器控制器、中斷控制器、攝像頭控制器、中斷控制器、GPIO等外設，能夠滿足本控制器的工作要求。檢測器硬件結構圖如圖2所示。

圖2 故障檢測器硬件結構圖

2.1 USB接口電路設計

由于“通用串行外部總線”可以支持多種外部設備，因此在嵌入式設備中該接口有著非常重要的地位，在本檢測器中，USB總線采用2.0版的規范，傳輸速度可以達到480 Mbit/s，而USB接口主要是用來支持WiFi網卡。

2.2 以太網通信電路設計

為了實現檢測器程序的遠程下載和調試，本文也支持以太網通信。其中以太網通信電路的核心器件是以太網控制芯片DM9000A，該芯片既可以支持半雙工也可以支持全雙工[3]。

2.3 攝像頭接口電路設計

嵌入式芯片S3C2440內部就集成有攝像頭控制器，該控制器可以控制攝像頭采集圖像以及傳輸信息，并且芯片引出了DVP接口。本系統選用的攝像頭型號為ov7740，將圖像的輸出格式設置為YUV4∶2∶2，輸出圖像的分辨率可以達到640×480，然后微控制器中的攝像頭控制器將采集到的該格式的圖像轉換成RGB24格式的圖像并將其保存。

2.4 外部存儲電路設計

2.4.1 FLASH電路設計

由于該控制器需要實現的功能較為復雜，軟件的體量也比較大，所以我們選用了FLASH存儲器用于存放數據。FLASH存儲器又稱閃存，不僅具備EEPROM的電子可擦除的性能，并且讀取速度更快還不會因為斷電而丟失數據，近年來FLASH逐步替代EEPROM作為嵌入式系統存儲器的地位。選用三星的NAND FLASH，型號是K9F2G08U0M，容量為64M，I/O為8位。既可通過LPC1788從FALSH中讀寫數據，也可以通過USB接口向FLASH寫入數據，便于修改程序[4-5]。

2.4.2 動態RAM（SDRAM）電路

SDRAM雖然在掉電之后會丟失數據，但相較于Flash存儲器，其讀寫速度要快很多，并且和靜態RAM（SRAM）相比，SDRAM容量更大，價格也更便宜。所以SDRAM應用很廣泛，在系統運行時可以加快運行速度。本文選用三星公司的K4S561632N，容量為64 MB[6-7]。

2.5 電源電路設計

經過統計，要使本系統能夠正常通過，則需要5V、1.3 V、3.3 V三個電壓等級，檢測器采用5 V作為輸入電壓，并利用AP3407和LTC3406兩個芯片分別把電壓降低至3.3 V和1.3 V。

3 基于嵌入式的縱撕故障監測系統軟件設計

3.1 面陣CMOS攝像頭驅動程序

編寫攝像頭的驅動程序，主要需要編寫兩部分。由于CMOS攝像頭是一個IIC設備，所以需要編寫相應的IIC設備驅動程序；第二就是根據V4L2標準編寫主體驅動。面陣CMOS攝像頭驅動程序流程圖如圖3所示。

圖3 驅動程序流程圖

3.2 縱向撕裂監控程序

由于基于嵌入式的故障檢測器和計算機依靠WiFi進行通信，所以需要將嵌入式平臺設置為服務器模式，而計算機設置為客戶端模式；然后通過調用相應函數打開攝像頭，采集圖像數據并將其保存到內存空間中；最后微控制器采用縱向撕裂故障檢測算法提取內存空間中的存儲數據并進行分析和檢測；當故障發生時，檢測器發出報警信號，并通過WiFi將報警信號和圖像傳遞給計算機。監控程序流程圖如圖4所示[8]。

圖4 縱向撕裂監控程序流程圖

3.3 輸送帶縱向撕裂算法

當輸送帶發生縱向撕裂故障時，“一”字線激光會發生變化。第一種情況是縱向撕裂較為嚴重，激光線在撕裂處斷開，如下頁圖5所示；另一種情況是撕裂程度較低，激光線并沒有斷開，但是發生了較為明顯的形變，如下頁圖6所示。雖然以上兩種情況有所區別，但是都可以根據算法來檢測區分是否發生了撕裂故障。具體過程有：圖像剪切選擇、R分量提取、R分量中值濾波、提取激光線骨架、鄰域求差分檢測斷點、均值濾波、求二階導數檢測波動。通過該算法即可準確檢測出激光線是否發生形變，進而斷定輸送帶是否發生縱向撕裂，算法流程圖如圖7所示[9]。

圖5 激光線斷裂圖

圖6 激光線形變圖

圖7 縱向撕裂算法流程圖

4 結語

帶式輸送機是煤礦運輸的主力設備，而輸送帶也是帶式輸送機中非常重要的部件。由于煤礦井下工作環境較為惡劣，輸送帶容易被煤矸石等異物劃傷，從而造成輸送帶的縱向撕裂。所以以嵌入式為核心，結合機器視覺技術設計的輸送帶縱向撕裂監測系統，其可通過微控制器對攝像頭采集的圖像進行處理從而判斷是否發生縱向撕裂故障，然后通過WIFI將信號傳送給上位機，不僅能夠準確識別縱向撕裂故障、可靠性高還能減少工作面布線，具有廣泛的應用價值。