基于物聯網的礦井提升機監測系統

許 桃

關鍵字礦井提升機；監測系統；物聯網

0 引言

礦井提升機是現代煤礦進行生產和運輸過程中關鍵機械設備[1]。一旦提升機發生故障，會對整個礦山生產造成極大損失。因此如何實時監測提升機的運行狀態，對其安全可靠地運行具有重要的意義。

物聯網作為趨于成熟的通信行業新興技術，是互聯網發展下的產物，并超過當今互聯網的發展速度，有著良好的發展勢頭[2]。通過現有的無線傳輸技術，實現對物體相關信號的采集，通過數據的處理與傳輸，實現信息的共享與交流，為礦井提升機監測系統的設計與實現提供了可能。

本文提出建立基于物聯網的礦井提升機監測系統，通過對提升機各部分參數進行實時監控，獲得相關工作數據與信號，使操作人員實時監控礦井提升機的運行狀態，可以在發生故障時，快速準確地定位到故障位置，極大地減少了成本，降低了工作量，具有很高的實用價值和現實意義[3]。

1 系統整體結構設計

本文設計的基于物聯網的礦井提升機監測系統，主要由感知層、傳輸層和應用層組成。感知層由監測節點和匯聚節點構成，礦井提升機由多個部分組成，每部分又有很多器件[4]。監測節點布置在提升機各關鍵器件上，用來采集運行信息，再利用無線傳輸模塊進行數據的上傳，匯聚節點布置在操作室內，通過無線傳輸模塊來匯聚監測節點的數據；傳輸層主要由路由器節點構成，通過LoRa 傳輸技術獲取匯聚節點的信息，并通過有線網絡將信息上傳至應用層的上位機平臺，上位機中安裝終端監控平臺，它接收底層數據，為工作人員提供交互界面，實現用戶管理、提升機故障實時報警、故障類型位置顯示、運行狀態實時顯示與查詢、歷史記錄、系統維護等功能。監測系統總體框圖如圖1 所示。

圖1 監測系統總體框圖

2 系統硬件設計

2.1 監測節點設計

監測節點由主控STM32F103C8T6 芯片、傳感器模塊、電源模塊、時鐘電路、報警電路、復位電路和LoRa 模塊、JTAG 接口組成。電源模塊、時鐘電路和復位電路為主控芯片提供最基本的工作電路，傳感器模塊根據所測部位的不同選用不同的傳感器，系統中需要監測的部位較多，所使用的傳感器的種類和數量也就比較多，根據需要，選擇電流、電壓、位移、溫度、油壓、拉力等傳感器來檢測相應的參數并將采集到的信號傳遞給主控芯片，經過處理后通過無線通信模塊無線傳輸到匯聚節點。報警電路用于進行不正常或故障工作報警。

STM32F103C8T6 是構成監測節點、匯聚節點和路由器節點的主要芯片，單片機內部程序存儲器大小為64 KB，工作電壓在2.0 V～3.6 V 之間，工作環境溫度范圍廣。擁有大量片上外設，包括7 個定時器、3 個USART 接口、2 個I2C 接口、2 個SPI接口等，大量的通信接口使其具有強大的的人機交互功能。STM32F103C8T6 單片機內置多達256 KB 的嵌入式Flash，可用于存儲程序和數據，嵌入式SRAM 多達48 KB 能夠以CPU 的時鐘速度無等待進行讀寫。STM32F103C8T6 芯片的供電方式有三種，分別為數字電源、模擬電源和備份電源。數字電源可使用內置電壓調節器調節2.0～3.6 V 的直流電，提供合適的工作電壓；模擬電源主要供電給ADC 等；備份電源使用紐扣電池供電，形成UPS 系統為寄存器、RTC 等提供電能。

2.2 匯聚節點設計

匯聚節點由主控芯片、LORA 模塊、電源模塊、時鐘電路、復位電路、JTAG 接口構成，匯聚節點布置于提升機的周圍，用于匯集各個監測節點采集的信息，并通過LORA 無線傳輸技術上傳至路由器節點。

2.3 路由器節點設計

路由器節點作為感知層的主要組成部分，主要由主控芯片、LoRa 無線通信模塊、RS-232 電平轉換模塊、電源模塊、時鐘電路和復位電路、JTAG 接口組成，它通過LoRa 通信模塊接受匯聚節點數據，進行數據融合處理后再通過RS-232 電平轉換模塊與上位機相連，進行數據傳送。路由器節點是連接上位機的橋梁，起到無線通信與有線通信之間的協議轉換作用。

3 上位機遠程監測界面設計

應用層是整個系統與外界聯系的橋梁，最大的作用是將處理結果和一些有價值的、潛在的信息發布給用戶，實現人機交互。本文基于物聯網的提升機監測系統的上位機平臺采用Wincc 軟件編寫。上位機所需實現功能如圖2 所示。

圖2 礦井提升機監測系統功能圖

4 結語

以物聯網技術為基礎，通過對感知層、傳輸層和應用層的三層網絡體系的設計，構建了基于物聯網的礦井提升機監測系統。通過感知層的數據采集，傳輸層的可靠高效傳輸，應用層的實時顯示與遠程交互，實現了礦井提升機的實時數據采集與顯示、故障報警、遠程監控等功能，提高了礦井提升機運行的可靠性與故障維修效率，對保障煤礦安全穩定生產、有著重大的意義。