基于STM32F103單片機的遠程無線瓦斯濃度監測系統

王沛雪 張水利 崔佳萌 任卓 李江 閆子瑜 張波

（延安大學物理與電子信息學院，陜西 延安 716000）

1 引言

隨著科技的快速發展，煤礦資源已成為我們生活必不可少的部分。然而在開采煤礦資源時，煤礦瓦斯濃度、水、火等災難事故時有發生，尤其是瓦斯爆炸、瓦斯中毒等事件，已成為我國煤礦生產安全的第一大禍首。這不僅造成較大的經濟損失和社會影響，而且也會給煤礦生產帶來災難性的破壞和嚴重威脅著人員的安全。為了進一步滿足我國煤礦生產的需要，設計一種穩定、精確、可實時監測和無線數據傳輸的瓦斯濃度測量儀是不可少的。顯然，與傳統的有線傳輸測量系統相比，無論是在覆蓋范圍、運行成本和系統維護，還是監測煤礦瓦斯濃度的實時性和精確性上，采用STM32F103 單片機控制和GPRS DTU 的遠程無線傳輸系統都具有更大的優勢。該系統由STM32F103單片機控制的瓦斯濃度測量儀外接GPRS DTU，利用TCP/IP 協議進行無線傳輸，將所測得瓦斯濃度發送到地面監控中心，遠程實時監測各個節點的瓦斯濃度，有效降低了瓦斯爆炸事故發生的風險。

2 系統的總體設計

監測系統主要由瓦斯濃度測量儀節點和網絡監控中心兩個部分組成，其總體的設計框圖如圖1所示。

該系統包括STM32F103 微處理器、MQ-4 氣體傳感器、低通濾波電路、A/D 轉換電路、報警電路和GPRS DTU 模塊等組成，如圖2所示。其工作原理如下：

（1）由氣體傳感器實時獲得井下瓦斯濃度數據，通過低通濾波電路過濾掉所采集數據中的高頻噪音,然后通過A/D轉換將電信號轉化為數字信號，最后用放大電路將該信號放大后送到STM32F103主控器中。

（2）由主控器內部對輸入的瓦斯信號進行處理、加工和分析等，然后將結果與預設值進行比較，判斷是否發生聲光報警。

（3）將生成的報警信號和瓦斯濃度通過GPRS DTU，利用其內部的TCP/IP 協議，以無線傳輸的方式發送到監控中心。

（4）從監控中心實時監測各井下的瓦斯濃度。

3 系統的硬件設計

3.1 MQ-4天然氣傳感器

因為瓦斯的主要成分是可燃性氣體甲烷，所以氣體傳感器應該選用對甲烷的靈敏性高的器件，而MQ-4天然氣傳感器恰恰符合這一要求，且其應用電路簡單、穩定性較高、抗干擾能力強、成本低。MQ-4 天然氣傳感器所使用的氣敏材料是二氧化錫(SnO2)，其在空氣中電導率較低。當該傳感器所處的環境中存在可燃氣體時，天然氣傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

3.2 STM32F103單片機

STM32 系列芯片是一種高性能的32 位微控制器，其擁有超大容量的閃存和豐富的內設資源，使用該單片機極大地簡化了設計電路，且該系列單片機擁有超低功耗、運算速度快、穩定性好等優點，非常適合應用于煤礦工作中。本設計使用STM32F103RBT6芯片，如圖3所示，該微處理器工作頻率為70MHz，內置高達128K 字節Flash 和20K 字節SRAM，具有豐富的I/O 端口。它為實現MCU 的需要提供了低成本的平臺、縮減了引腳數目、降低了系統功耗，同時還提供了先進的中斷響應系統。

3.3 GPRS DTU通信設備

GPRS DTU 是專門用于將串口數據轉換為IP 數據或將IP 數據轉換為串口數據通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備，提供全透明數據通道，支持備用數據中心，點對點互連功能，支持永遠在線、空閑下線和空閑掉電3 種工作方式，具有短信和電話喚醒功能，支持斷線自動重連功能。無線數據傳輸系統的核心設備是GPRS DTU硬件模塊和GPRS網絡，實現數據由監測終端到監控中心的傳輸。GPRS 具有通信速度快、通信費用低、組網靈活等優點。GPR SDTU 具有TCP/IP 協議轉換功能不需要用戶提供TCP/IP 支持，適用于所有帶串口的終端設備，通過GPRS網絡平臺實現數據信息的無線和透明傳輸，為不具備TCP/IP協議處理的終端設備提供了GPRS通信的能力。

3.4 聲光報警裝置

如圖4所示，報警裝置電路由發光二極管、蜂鳴器和驅動電路構成。此報警電路的輸入引腳由單片機的P2.7控制，報警電路的標準值由軟件設置。當傳感器采集的值超過系統所設置的值時，令P2.7=1 時,發光二極管發光的同時蜂鳴器鳴叫。

3.5 系統硬件間的協同工作

（1）天然氣傳感器輸出信號（信號代表環境中的可燃氣體濃度大?。?；

（2）STM32單片機對傳感器傳來的信號進行分析處理；

（3）單片機控制GPRS DTU通信設備，DTU立即把信號發送給監控中心（可燃氣體濃度超過預警時）；

（4）聲光報警裝備報警。

4 系統的軟件設計

4.1 無線瓦斯測量儀節點的軟件設計

該裝置主控使用STM32F103 開發板，軟件編程采用C語言，使用Keil的開發環境。由于本設計使用的主控STM32功能比較復雜，為了減少軟件設計的工作量，這里我們直接調用官方提供的函數庫里面的函數來進行編程，大大減少了編程難度。軟件系統分為主程序模塊和子程序模塊兩個部分。

系統通電后，單片機完成對I/O端口、各個變量進行初始化，并開啟各個器件的功能。傳感器開始收集空氣中的甲烷濃度數據，然后通過低通濾波器、數模轉換電路和放大電路對采集的信號進行處理，該信號再通過STM32 內部軟件程序進行分析，之后進入循環階段，將處理結果與之前所設置的瓦斯濃度值進行比較，若超出所設置的瓦斯濃度值，則進行聲光報警，并生成一個數據包，將其數據通過GPRS DTU通信傳送到監控中心，程序流程圖如圖5所示。

4.2 GPRS DTU軟件設計

首先設置好瓦斯測量儀的GPRS DTU，使它可以和連接Internet的PC 機進行數據傳輸。然后將RTM32F103單片機里的程序開始進行初始化并打開中斷。GPRS DTU 收到信號后向RTM32F103 單片機發出請求信號，RTM32F103 單片機監測到該請求信號后響應GPRS DTU。將RTM32F103單片機傳送給GPRS DTU 的數據通過GPRS DTU 發送到地面監控中心PC機。

4.3 部分代碼

4 結束語

從實際應用效果看，該系統工作穩定，組成了超低功耗、高速率的小型監測系統，適合井下工作的安全檢測。高性能的單片機豐富的片內資源使得外圍擴展器件減少、體積小、降低了故障率。而基于無線傳感網絡的瓦斯監控系統與傳統的瓦斯監控系統相比，克服了有線通信模式布線困難、傳輸距離有限等缺點，控制使用更加方便，大幅減少了井下通信線路鋪設的成本和時間。該系統經過擴展，可實現溫度、瓦斯、CO的監測以及人員定位等功能，具有廣闊的應用前景和實用價值。