一種新型煤礦安全監控數據采集裝置設計

齊笑笑，郭佑民,2,3，齊金平,2,3

（1.蘭州交通大學 機電技術研究所，蘭州 730070；2.甘肅省物流及運輸裝備信息化工程技術研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省物流與信息技術研究院，蘭州730070）

0 引言

安全監控是煤礦安全生產的重要保障，對煤礦井下甲烷氣體、CO氣體和粉塵等參數進行監測，能夠減少煤礦安全事故的發生[1]。數據采集裝置是煤礦安全監控系統中必不可少的環節之一。目前煤礦井下數據采集裝置存在采集數據量偏少、準確度不高、布線繁瑣、線路易老化以及抗干擾能力差等問題[2]。為解決這些問題，應用新技術新裝備，提高監測系統技術性能和安全可靠性，設計一套新型的數據采集裝置非常必要。

1 監控系統結構

數據采集裝置是煤礦監控系統中的關鍵環節，礦井監控系統整體結構圖如圖1所示。目前國內大部分煤礦井下數據采集裝置具有測點多、分布廣、傳輸距離長等特點。數據采集裝置到監測分站通信有幾十米甚至幾百上千米布線，長距離布線通信成本高，布線繁瑣，長時間工作通信電路易產生老化使得線路接觸不良，井下變頻設備、大功率設備工作時會釋放強烈的電磁干擾，這些因素也都會導致數據采集裝置傳輸到監測分站的數據不準確[3]。

本裝置針對現有裝置存在的缺點進行改進設計，充分利用傳感器技術的最新成果，提高裝置采集數據的準確度和抗干擾能力；通信方式將傳統布線方式改進為采用有線和無線相結合，支持多網、多系統融合，減少布線繁瑣，提高系統拓展能力，減少通信線路易老化問題。

圖1 礦井監控系統整體結構圖

2 裝置硬件設計

圖2 數據采集裝置總體結構圖

根據以上技術特點，本數據采集裝置包含中心控制器、傳感器模塊、監控攝像機、人機交互模塊，存儲模塊、電源模塊、報警模塊、CAN總線接口[4]、RS485接口、SPI總線接口以及GPRS模塊組成。數據采集裝置總體結構圖如圖2所示。中心控制器選用STM32系列STM32F103RCT6芯片，該芯片滿足高性能、低功耗、實時應用以及價格便宜等優點[5]。無線通信方式采用GPRS網絡與監測分站通信，煤礦井下GPRS網絡信號強以及不易布線的地方采用無線數據采集裝置；有線通信方式采用CAN總線與監測分站通信，針對煤礦井下GPRS網絡信號不好以及布線方便的地方采用CAN總線數據采集裝置。數據采集裝置采用不同的通信方式，在煤礦井下進行合理布局，多點監測，較廣分布，以達到對煤礦井下參數有效監測的目的。

2.1 傳感器模塊

目前國內大部分煤礦井下采用的傳感器技術相對落后，催化以及電化學技術傳感器壽命短，工作穩定性差，存在零點漂移；模擬量傳感器易受井下電磁干擾，測量精度低[6]。本裝置傳感器通信接口采用RS485、SPI總線和CAN總線多接口相結合的方式，將新型數字傳感器應用于本裝置，豐富傳感器使用種類，提高裝置拓展能力、抗干擾能力以及采集準確度。多接口新型數字傳感器在裝置末端進行多點布置，某一傳感器出現故障不會影響數據采集，提高數據采集的可靠性，為監測中心提供有效數據。傳感器模塊包含甲烷傳感器、CO傳感器和粉塵傳感器，甲烷傳感器采用GJC4型甲烷傳感器；一氧化碳傳感器采用GTH1000型一氧化碳傳感器；粉塵傳感器采用GC1000J型礦用粉塵傳感器，這三種傳感器均為RS485通信接口，中心控制器STM32只能輸出TTL信號，傳感器與STM32之間用RS485模塊連接，與中心控制器的電路圖連接如圖3所示。

2.2 人機交互模塊

人機交互模塊主要功能是能夠實時顯示傳感器采集的數據，供現場巡檢人員觀察井下數據情況，還可設置傳感器超限值等相關參數。人機交互模塊采用3.5寸USART HMI組態屏，與STM32串口連接實現通信，開發效率高，支持串口下載和SD卡下載，支持PC端模擬調試，支持模擬器和設備同步調試。

2.3 監控攝像頭

圖3 數據采集裝置總體硬件電路圖

監控攝像頭主要功能是定時拍攝井下圖片，STM32控制監控攝像頭定時拍攝井下圖片，圖片保存在存儲模塊，保存的現場圖片定時通過GPRS模塊發送給監控中心，監控中心可通過遠程接收的圖片觀測井下設備以及人員工作情況，如有工作異常或特殊情況，監控中心可及時采取相應措施，保證煤礦井下工作安全。選用ALIENTEK OV7670攝像頭模塊，該傳感器體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能[7]。攝像頭模塊與STM32電路連接圖如圖5所示。

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊采用型號為ATK-SIM800C的四頻GSM/GPRS模塊，SIM800C具有短信以及GPRS通信等基本功能，內嵌TCP/IP協議，提供TTL、RS232、RS485三種通訊接口，無線透明傳輸以及方便入網等特點[8]。GPRS模塊的主要功能是實現煤礦井下傳感器采集數據和圖片信息的定時發送以及接收監控中心站。采集數據超限時，SIM800C向中心站發送超限指令的同時能以短信的方式將超限信息發送到工作人員手機上，以防工作人員臨時離開工作崗位不能及時發現超限信息。SIM800C的UART2_RXD、UART2 _TXD、GND三個引腳分別與STM32的U3_RX、U3_TX、GND三個引腳連接，來實現SIM800C與STM32數據之間的通信，SIM800C與STM32電路連接圖如圖5所示。

2.5 存儲模塊

存儲模塊用于將采集到的數據和圖片信息保存在外部存儲設備中，由于STM32F103RCT6芯片沒有自帶文件系統，所以，本系統的存儲模塊采用了CH376芯片來外接更大的存儲設備，將采集到的數據在本地備份，必要時便于監測中心提取和查看歷史信息。CH376支持USB設備方式和USB主機方式，并且內置了USB通訊協議的基本固件，裝置采用了SPI接口與處理器進行通信[9]，CH376與STM32的硬件連接圖如圖5所示。

3 軟件設計

裝置軟件部分采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32開發板，因此選用了Keil uVision5作為集成開發調試環境，裝置軟件程序設計包括：傳感器數據采集模塊、顯示模塊、圖片采集模塊、GPRS模塊以及存儲模塊。以裝置軟件程序設計中的GPRS模塊程序和數據存儲程序為例進行說明。

3.1 GPRS模塊程序設計

GPRS模塊程序主要實現功能是將采集煤礦井下數據定時發送給監控中心，若發送數據接近超限范圍，在發送數據的同時發送報警信息給監測中心，GPRS模塊程序流程圖如圖4所示。GPRS模塊每間隔一分鐘發送打包數據給監控中心，當判斷采集數據接近超限值范圍時，GPRS模塊自動調節發送數據時間為1秒并同時發送報警信息。通過煤礦井下數據采集裝置與井上監測中心的通信，有效監測礦井危險源數據，數據出現異常能夠及時采取措施。

圖4 GPRS模塊程序流程圖

3.2 存儲模塊程序設計

CH376作為現場的存儲芯片，能夠使采集數據和圖片得到備份，可從存儲中查看歷史數據且供監控中心隨時調用，CH376創建文件流程圖如圖5所示。在U盤有限的內存空間下，一直保證一段時間的數據循環存儲，監控中心出現異常情況沒有及時收到數據時，可向CH376發送調數據命令。

圖5 CH376創建文件流程圖

4 功能測試

完成數據采集裝置的硬件搭建以及軟件程序的設計后，對裝置進行測試。由于煤礦井下甲烷氣體作為主要危險源之一，以某煤礦坑道作為實驗環境，將甲烷氣體作為測定參數，5個數據采集裝置針對井下地形進行合理布局，對5個數據采集裝置在煤礦井下采集到的濃度和實際測量的濃度進行比較，進而得到表1的比較結果。

表1 部分采集數據

本次測量實驗采用之前選好的GJC4甲烷傳感器，該傳感器的測量范圍為0～4.00%，甲烷濃度在0.00～1.00%范圍內測量誤差為±0.1%，甲烷濃度在1.00～2.00%范圍內測量誤差為±0.2%，甲烷濃度在2.00～4.00%范圍內測量誤差為±0.3%。在隨機選取的5個數據采集裝置中甲烷氣體采集到濃度測試值和實際值的對比如表1所示，從結果可以看出測量的實際結果與采集結果的誤差大部分集中在測量誤差數值范圍內，由此可以看出本文設計的煤礦井下數據采集裝置的采集準確度較高，可以實際中應用。

5 結論

本文主要針對煤礦井下采集數據準確度不高、布線繁瑣以及線路易老化等情況[10]，設計的一種新型煤礦安全監控系統數據采集裝置。本裝置通過GPRS網絡和CAN總線多網、多系統融合的通信方式減少布線，提高拓展能力，RS485、CAN總線以及SPI總線多接口新型數字傳感器的應用也提高傳感器的使用壽命、抗干擾能力以及數據采集準確度。通過實驗驗證本裝置在煤礦井下使用情況大大改善了傳統裝置的采集的豐富度和傳輸準確度，促進安全監測多元融合和信息共享，提高煤礦安全預測預警水平，為降低煤礦安全事故提供保障。