电源一体化区域灭火物联网光口分站_孙晓东.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 电源一体化区域灭火物联网光口分站 孙晓东 1,2,3， 刘永革4 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122； 3.沈阳煤炭科学研究所有限公司， 辽宁 沈阳 110011； 4.开滦能源化工股份有限公司， 河北 唐山 063018） 摘要 设计一款电源一体化区域灭火物联网光口分站， 介绍了系统架构， 论述了模拟量信号隔 离抗干扰、开关量及通讯隔离电路、电源一体化供电策略、网光口等关键技术。分站以 STM32F429 为控制核心， 结合传感器输出电路及控制策略， 实现全隔离、 可巡检物联感知预警且 电源、 光电口一体化的区域灭火功能， 提高了监控系统系统的抗干扰能力。 关键词 监控系统； 区域灭火； 物联网； MESH； 光口分站 中图分类号 TD76文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0100-04 A Kind of Power Integrated Regional Fire-fighting Internet of Things Optical Port Substation SUN Xiaodong1,2,3, LIU Yongge4 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China;3.Shenyang Coal Research Institute, Shenyang 110011, China; 4.Kailuan Energy and Chemical Co., Ltd., Tangshan 063018 China） Abstract This paper designs a kind of power integrated regional fire-fighting Internet of Things optical port substation, introduces the system architecture, discusses the analog signal isolation anti-interference, switching value and communication isolation circuit, power integrated power supply strategy, network optical port and other key technologies. Take STM32F429 as the control core, combined with the output circuit and control strategy of the sensor, the substation realizes the regional fire-fighting function of full isolation, patrol detection and early warning of the object connection, and integration of power supply and photoelectric port, which improves the anti-interference ability of the monitoring system. Key words monitoring system; regional fire fighting; Internet of Things; MESH; optical port substation 区域自动喷粉灭火抑爆系统将传统的煤矿被动 灭火抑爆转变为主动快速灭火抑爆，达到良好的灭 火抑爆效果[1]； 矿用区域自动喷粉灭火装置是煤科 集团沈阳研究院有限公司于 2014 年国内首次申请 煤安认证的产品。 为解决目前市场上区域灭火类产品现场工人在 施工及维修维护设备过程繁琐，解决工人需要定期 安排巡检人员对喷粉瓶检查是否漏气问题，解决煤 矿对电源、分站、交换机多单机产品种类维护难问 题[2]。设计一款电源一体化区域灭火物联网光口分 站，一体化设计实现区域灭火小型集成化、结合 MESH 网络实现设备巡检人员佩戴的监控设备信息 上传以及巡检时设备异常报警提醒、结合网口、 光 口设备实现数据直接连如环网[3]， 解决目前现场多 以电源、 分站、 交换机的方式进行复杂上传问题。 1系统架构 电源一体化区域灭火网口分站架构架构如图 1，自诊断电源一体化区域灭火网口分站核心控制 器采用 STM32F429 单片机， 主要用来对传感器进行 轮询采集和人机交互及数据上传。由于区域灭火分 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.020 孙晓东， 刘永革.电源一体化区域灭火物联网光口分站 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7 ） 100-103. SUN Xiaodong, LIU Yongge. A Kind of Power Integrated Regional Fire-fighting Internet of Things Optical Port Substation ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 100-103. 基金项目中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项青 年资助项目 （2018- 2- QN011） 移动扫码阅读 100 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 站所连接的传感器均在 10 m 以内进行连接，为了 兼容老版本区域灭火且区域灭火联动机械设备目前 多为无源触点方式，为了提高火焰传感器响应时 间，因此还不能像煤矿安全监控系统一样进行全数 字化设计。 图 1 中总线量传感器主要为烟雾传感器、一氧 化碳传感器， 采用 RS485 接口， ModBus 协议； 模拟量 传感器主要为电流型压力传感器；开关量传感器主 要为火焰传感器，因火焰传感器对火焰响应时间越 快，喷粉灭火越及时，因此火焰传感器全硬件电路 设计， 避免单片机处理， 提高了喷粉响应速度。 2关键技术 电源一体化区域灭火网口分站原理图如图 2。 2.1模拟量信号隔离抗干扰 图 2 电源一体化区域灭火网口分站电路原理 图中 T1部分为双路模拟信号隔离电路[4]。图中 HN1 的 1 脚、 2 脚为隔离信号输入，当输入信号为 4～20 mA 电流型经电阻 IV 变换后点亮输入发光管， 输入 信号大小与流过发光管电流大小成比例关系，发光 管发出的光会在 3 脚和 4 脚的发光管上感应出正比 于 1 脚与 2 脚发光管的电流，在 5 脚和 6 脚感应出 正比于 1 脚和 2 脚光强度的电流。 电路中 U1在信号输入处加入电压跟随设计， 这 样可以降低阻抗，避免了后级电路对输入信号的影 响。电路中 HN1的前半部分及运放 U1和后半部分 及运放 U2采用隔离供电。 这样可以阻断传感器到单 片机部分的干扰。图中 RK2电阻起到限流作用， 选 220 Ω。隔离信号输出与输入放大关系由传输增益 K、 RK4和 RK52 个电阻取值决定， 分析如下 电路中假设输入电流经 RK1电阻进行 I-U 变 换后电压为 U1, 根据虚短原则流过 HN1的 3 脚与 4 脚反馈电流 If为 IfU1/RK5（1 ） 运放 U2输出的电压设定为 U2，对于运放 U2由 虚断法则可得 U2为 U2I0 RK5（2） 式中 I0为为 HN1第 5 脚和第 6 脚感应出正比 于 1 脚和 2 脚的 LED 发光强度的感应电流。 由于芯片 HN1传输增益 K 器件制造出来即固 定， 约为 1。 U2I0/If（3） 因此 U2K If RK5K （U1/RK4） RK5（4 ） 取电阻值 RK5RK4100 kΩ 可得 U2/U1K1（5 ） 即实现模拟信号一比一隔离传输[5]。 2.2开关量及通讯隔离电路 图 2 电路原理图中 T6为光耦无源输出节点， 用 于异地常开常闭联动，图中当系统上电后，核心控 制器 U5的 52 脚为低电平，此时 K7光耦打开， 53 脚 处于高电平， K8光耦处于关闭状态，此时 J6端组合 为常开常闭触点。 T7部分为 485 隔离电路。光耦 GL3为 485 收发 控制隔离， GL1为发射隔离， GL2为接收隔离。 光耦两 端采用隔离后的电源进行供电。 T3部分为光耦输入隔离部分， J1、 J2、 J3为火焰传 感器输入接口。 传感器电源采用 T2中 BA1隔离后的 电源进行供电， 这样设计保障了分站电路的健壮性。 当有外部火焰触发时， K1、 K2、 K3导通， 对应单片机引 脚输入高电平则认为对应火焰传感器有火。若不考 虑成本， 也可选用磁隔离进行设计。 2.3电源一体化供电策略 图 2 中 T2部分电路为一体化电源设计， 变压器 T1采用自适应变压器[6]， 其输入电压为 90～900 VAC， 经本安电源保护模块 BA2后变为直流 18 V 为电路 进行供电。分站采用全隔离设计，在隔离后的芯片 供电上多采用隔离电源方案。图中 BA1隔离后主要 为火焰传感器、 压力传感器[7]进行供电。BG1隔离后 的电源芯片主要为网口及通讯隔离后电路进行供电。 2.4网光口 网口电路采用 W5300 芯片， 其与核心控制器采 用总线方式对其寄存器进行配置。配置过程为上电 初始化、 通用寄存器配置、 socket 寄存器配置。分站 上电后， W5300 第 66 脚拉低 3 μs 后恢复高电平持 续 15 ms， 保证锁相环稳定后对寄存器进行配置。 图 1电源一体化区域灭火网口分站架构架构 Fig.1Architecture of power supply integrated regional fire network outlet substation 101 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 本 机 端 口 号 设 置 通 过 端 口 寄 存 器 里 面 的 SO_PORTR 进行设置，通讯协议通过模式寄存器下 的 S0_MR 中 P3-P0 进行设置。然后对控制寄存器 S0_CR 通过置高开执行打开命令， 此时若 Socket0 寄 存器中的 S0_SSR 变为 0 x13， 则初始化完成[8]。继续 对 S0_CR 发送监听指令 0X02， 此时若 S0_SSR 状态 变为监听 0 x14， 则执行完侦听任务。W5300 设置为 TCP 服务器；最后等待 S0_SSR 改变为 SOCK_ES－ TABLISHED （0 x17 ） ， 若 S0_SSR 变为预期值， 则建立 了 Socket0 连接， 可以进行数据通信[9]。 为了实现对外光口进行数据传输，采用市场上 常用的 2 光 3 电模块，实现电口转光口拓展。图中 U5的 92、 93 引脚用于连接 mesh 模块，通过串口和 MESH 网口进行连接， 当有手表或支持 mesh 的巡检 设备接入时， 可以预警感知设备信息， 实现物联。 2.5分站软件 程序流程图如图 3。 系统软件采用 FreeRTOS， FreeRTOS 操作系统 图 2电源一体化区域灭火网口分站原理图 Fig.2Schematic diagram of fire-fighting net outlet sub-station in power integration area 102 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 相比其他商业收费系统比完全免费。操作系统且具 有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的特 点。通过操作系统可以合理高效的利用 CPU 资源， 保障系统运行的可靠性。 FreeRTOS 是一个迷你的实 时操作系统内核。主要包括 任务管理、 时间管理、 信号量、 消息队列、 内存管理、 记录功能、 软件定时 器、协程等，可满足电源一体化区域灭火物联网光 口分站设计。 3结语 设计了一款电源一体化区域灭火物联网光分 站，实现了分站全隔离信息采集，提高了整体硬件 设计的健壮性。将电源和交换机与分站集成在一 起，一体化设计降低了区域灭火维护难度，可集中 监控，一体化方案也适用于小型煤矿的煤矿安全监 控系统设计。相比市场上其他区域灭火类产品将电 源、 分站、 交换机组合方式更具有施工维护简单、 集 成化高、 可扩展性强， 使用维护安装方便等特点。提 高了产品性能同时降低维护复杂度， 降本增效， 更具 有实用性。 参考文献 ［1］ 常琳.煤矿井下区域自动喷粉灭火抑爆系统研究 ［J］ . 煤矿安全， 2018， 49 （7） 13-15. ［2］ 张伟， 胡双启， 胡立双， 等.ZFM30/10 型矿用区域灭火 抑爆装置 ［J］ .消防科学与技术， 2019， 38 （1） 113. ［3］ 张建国， 胡晓辉.一种基于以太坊改进的物联网设备 访问控制研究 ［J/OL］ .计算机工程， ［2020-04-23］ . https//doi.org/10.19678/j.issn.1000-3428.0057729. ［4］ 单巍， 李素文.基于光纤隔离的高压线性隔离系统设 计 ［J］ .蚌埠学院学报， 2019， 8 （5） 41-45. ［5］ 邱吉冰， 赵伟.电流小信号隔离采集板的设计与实现 ［J］ .自动化仪表， 2007 （4） 61-63. ［6］ 杨毅， 王丰华， 段若晨， 等.基于自适应筛选 EMD 和 CFDC 的变压器绕组状态检测 ［J］ .振动与冲击,2017， 36 （19） 106-111. ［7］ 王铭艺， 贺利乐， 李育， 等.多传感器信息融合的移动 机器人定位算法研究［J］ .Journal of Measurement Science and Instrumentation， 2020， 11 （2） 152-160. ［8］ 强明辉， 李东蔚.基于 W5300 在测试系统通信接口的 应用研究 ［J］ .工业仪表与自动化装置， 2016 （5） 49. ［9］ 倪晓宇， 楚建安， 严建海.基于 W5300 以太网接口的 伺服控制系统设计 ［J］ .电子设计工程， 2016， 24 （3） 102-103. ［10］ 宋海强， 马涛.基于 WiFi 和嵌入式技术的温湿度监 测系统设计 ［J］ .自动化技术与应用， 2017， 36 （6） 112-114. 作者简介 孙晓东 （1987） ， 辽宁朝阳人， 工程师， 硕 士， 2013 年毕业于辽宁工程技术大学，主要从事救援救护 装备、 灭火装备、 监控系统及新产品开发工作。 （收稿日期 2020-04-24； 责任编辑 李力欣） 图 3程序流程图 Fig.3Program flow chart 103 ChaoXing