基于STM32的多功能礦燈設計與驗證

段海貝

(山西焦煤 西山煤電(集團)有限責任公司 東曲煤礦，山西 古交 030200)

0 引言

隨著煤礦井下設備智能控制、巷道環境感知以及井下無線通訊技術的不斷發展和應用,智能型礦燈除發揮照明基本作用外,還需具備的功能為[1-3]:①巷道環境感知能力,即能夠實時采集巷道瓦斯濃度信息、井下人員定位信息并對監測到的異常狀態發出預警;②組網通訊能力,即能夠將獲取的巷道環境數據、人員狀態數據等信息通過無線通訊傳送至地面調度室,同時可以接收并處理地面調度室下發的控制指令;③人機交互能力,即能夠通過本地按鍵對礦燈進行手動設置,也可手動上傳巷道環境異常至地面調度室,同時能夠在本地實時、準確的顯示巷道環境參數、人員定位以及礦燈本體基本信息。本文基于STM32控制器,設計多功能礦燈,解決東曲煤礦在用礦燈存在的功能單一、功耗高、無線通訊丟包率大的問題,提升礦燈的智能化水平。

1 礦燈硬件設計

多功能礦燈硬件設計框圖如圖1所示,主要由主控芯片模塊、傳感器模塊、通訊模塊、人機交互模塊以及電源管理模塊五部分組成。

圖1 多功能礦燈硬件設計框圖

1.1 主控芯片模塊

主控芯片STM32L151VET6基于ARM Cortex-M3內核,采用100引腳LQFP封裝[4,5],支持8個定時器、16通道3個ADC、2個CAN接口等,滿足多功能礦燈硬件設計要求。

1.2 傳感器模塊

瓦斯傳感器選用催化燃燒式MC112型瓦斯濃度傳感器,具有反應速度快、重復性好、可靠性高和工作性能穩定的特點。

人員狀態檢測由MPU6050加速度傳感器實現,通過精確跟蹤快速、慢速運動檢測礦工姿態,進而判斷礦工是否處于安全狀態。

1.3 通訊模塊

低功耗LoRa無線通訊模塊型號為F8L10,基于LoRa TM擴頻調制技術,可實現-148 dBm的高靈敏度以及20 dBm的功率輸出[6],可用于1 km～3.5 km超長距離擴頻光通訊,且兼顧功耗及抗干擾問題。

LoRa無線通訊網關選用的型號為LoRa-F8926-TL,支持多種WAN連接方式,支持無線蜂窩/有線WAN雙鏈路智能切換,支持WEP/WPA/WPA2等多種加密模式,支持LoRa網絡無線數據傳輸功能。

1.4 人機交互模塊

礦燈人機交互模塊由多路按鍵、OLED液晶顯示電路組成。設置的按鍵有開機/關機鍵、復位鍵、向上鍵、向下鍵、對講鍵和拍照鍵,用于查看OLED液晶顯示器中顯示的多頁數據;同時可進行手動報警、對講以及拍照。OLED液晶顯示電路與STM32L151VET6芯片的RS485通訊端口相連,完成礦燈所有數據收發功能。

1.5 電源管理模塊

礦燈輸入電源為3.7 V/10 A·h鋰電池,通過電平轉換電路可提供3.3 V、-3.3 V以及2.8 V三種電壓等級需求,電源管理模塊結構如圖2所示。

圖2 電源管理模塊結構圖

2 礦燈軟件設計

礦燈軟件系統基于Keil MDK5開發環境,基于Free RTOS嵌入式實時操作系統進行多任務管理,實現多功能礦燈的巷道環境感知、組網通訊以及人機交互功能,分別編寫礦燈主程序、傳感器數據處理程序、通訊程序以及人機交互程序。

2.1 主程序設計

礦燈軟件系統主程序設計流程如圖3所示,Free RTOS嵌入式實時操作系統具有實時性高、功耗低、占用資源少的特點,符合礦燈成本與功耗受限的應用場合。基于Free RTOS操作系統,建立多任務線程,根據任務優先級進行任務調度,滿足多功能礦燈實時響應要求。

圖3 礦燈軟件系統主程序設計流程

2.2 傳感器數據處理程序設計

STM32L151VET6芯片完成對傳感器數據的采集、A/D轉換以及閾值判斷等。當瓦斯濃度超限后,生成瓦斯濃度超限信號量并提交給Linux操作系統,啟動瓦斯濃度超限報警任務。

2.3 通訊程序設計

STM32L151VET6芯片將采集并處理后的巷道數據傳送至LoRa無線通訊模塊,由LoRa無線通訊網關基于UDP(User Datagram Protocol)協議傳送至井下工業環網。采用UDP通訊協議傳送時設計主動上傳、輪詢喚醒兩種工作模式:①主動上傳工作模式即礦燈系統通電并接入LoRa無線通訊網絡后自動周期性地向LoRa網關發送數據,LoRa網關接收到數據后自動回復LoRa無線通訊模塊,同時將接收到的數據立即傳送至井下工業環網;②輪詢喚醒工作模式即由LoRa網關發送指令喚醒LoRa無線通訊模塊進行數據無線傳送過程,否則LoRa無線通訊模塊處于休眠狀態。

2.4 人機交互程序設計

STM32L151VET6芯片將采集并處理后的巷道環境數據以UDP Socket通訊模式發送給OLED液晶顯示上位機。上位機對接收到的數據按照通訊協議進行解析并轉換為本地變量存儲至Mysql數據中,同時進行顯示。上位機界面程序設計采用C#語言在Visual Studio 2013開發環境中實現,設計有主界面、巷道環境數據界面、按鍵信息界面和報警信息界面等。

3 礦燈試驗

在山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司東曲煤礦12305掘進工作面中段500 m范圍內分別完成設計并進行了多功能礦燈巷道環境感知功能試驗和組網通訊功能試驗。

3.1 巷道環境感知功能試驗

在12305掘進工作面中段500 m范圍內每隔50 m放置1個礦燈,共11個礦燈,實時采集1#、2#、3#共3處監測點的瓦斯濃度。根據實時瓦斯濃度繪制瓦斯濃度曲線,如圖4所示。當該監測點瓦斯濃度值超出預警報警值后,觸發聲光語音報警。當井下工人按下緊急救援按鈕后能夠向地面調度室發出救援及位置信息。同時,該多功能礦燈能夠實時監測巷道環境內的CO、CO2以及溫濕度等環境數據。

圖4 巷道瓦斯濃度采集

3.2 組網通訊功能試驗

在12305掘進工作面中段500 m范圍內布置60個多功能礦燈以及1個LoRa智能網關,分別測試并統計1、20、40、60個多功能礦燈以LoRa通訊方式經LoRa通訊網關同時向地面調度室發送數據時的丟包率、時延。根據統計的試驗數據可知:該礦燈數據傳輸時延小于100 ms,丟包率小于4%,滿足礦燈設計要求。

4 結論

(1) 本文設計了以STM32L151VET6芯片為核心的礦燈硬件、軟件控制系統,在滿足礦燈照明功能的前提下,應用礦燈可實現巷道環境感知、組網通訊以及人機交互功能,實現了礦燈的多功能化。

(2) 完成了多功能礦燈試驗驗證,試驗驗證結果表明:該多功能礦燈具有低功耗、高數據采集精度、低通訊丟包率的特點。

(3) 本文設計的多功能礦燈為煤礦井下設備智能化以及煤礦井下安全、高效開采提供了參考。