煤矿井下转载机监测终端的研制_孙磊.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 煤矿井下转载机监测终端的研制 孙磊 1， 任贺贺2 （1.中国矿业大学 网络与信息中心， 江苏 徐州 221000； 2.兖矿集团有限公司 山东煤炭技术研究所， 山东 济南 250000） 摘要 研制了转载机监测与控制终端。在处理器 STM32WB55CCU6 的基础上设计终端的射频 信号检测电路、 ENC28J60 以太网数据传输电路、 RS-485 总线通信电路等; 在煤矿井下传感器网 络与 uCOS 系统的基础上， 设计终端系统软件。试验结果表明， 2 个节点间的距离在 70 m 之内， 可保证数据的完整与安全传输； 远程监测端的响应时间小于 5 s。 关键词 STM32WB55 处理器； 传感器网络； 无线射频； 转载机监测终端； 远程监控 中图分类号 TD634文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0121-04 Development of Monitoring Terminal for Underground Mine Transfer Machine in Coal Mine SUN Lei1, REN Hehe2 （1.Network and Ination Center, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221000, China;2.Institute of Coal Technology of Shandong, Yankuang Group, Jinan 250000, China） Abstract The monitoring and control terminal for transfer machine is developed. On the basis of processor STM32WB55CCU6, the different circuits have been designed, including the radio frequency signal detection circuit, ENC28J60 Ethernet data transmission circuit, RS-485 bus communication circuit, etc. Based on the sensor network of underground coal mine and the uCOS system, the terminal system software has been designed. The test results show that the distance between two nodes is within 70 meters, which can ensure the integrity and safety of data transmission. Besides, the response time of the remote monitoring terminal is less than 5 seconds. Key words STM32WB55 processor; sensor network; radio frequency; monitoring terminal of transfer machine; remote monitoring 近年，煤矿井下的安全监测问题受到越来越多 的关注。刘明智[1]等研制了煤矿井下气体束管管路 故障监测装置并设计了系统标定的方法，确保了束 管管路故障及时有效排除。刘伟[2]开发的煤矿机电 设备震动监测系统，能够采集煤矿井下设备震动信 号，实现了对设备故障的早期诊断，降低了危险事 故发生的概率。赵晨光[3]设计的刮板输送机监测系 统， 实现了对井下物料传输设备的远程实时监测。 井下转载机是煤矿井下作业的必须设备。在井 下作业的过程中，工作在转载机周围的人员存在不 慎跌入机器中的隐患。如果未能监测到这种事故， 并做出及时的响应，将造成不可挽回的损失。鉴于 此， 采用处理器技术、 射频传感技术、 传感器网络与 软件工程技术[4-7]， 构建煤矿井下监测系统， 并研制 转载机监测与控制终端。终端能实现对转载机装状 态的实时监测， 对转载机出现异常时进行断电控制。 1监测终端硬件 1.1煤矿井下传感器网络 煤矿井下传感器网络如图 1，该网络由监测终 端、 路由器节点、 中继器节点、 交换机节点以及井上 局域网络构成。监测终端被安装在转载机的入口 处，当携带电子标签的井下作业人员不慎跌入转载 机时， 监测终端上的射频模块能够监测到电子标签， 从而控制电控箱切断转载机的电源并控制警笛与预 警灯发出预警信号，同时通过传感器网络将井下突 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.025 孙磊， 任贺贺.煤矿井下转载机监测终端的研制 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （7） 121-124. SUN Lei, REN Hehe. Development of Monitoring Terminal for Underground Mine Transfer Machine［J］ . Safety in Coal Mines， 2020， 51 （7） 121-124. 移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2017YFC0804401） 121 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 发状况反馈到远程监控端，以便采取应对措施。在 正常的工作状态下，监测终端能够对转载机危险区 域进行实时的监测，并利用井下传感器网络将采集 到的信息转发到井上远程监控端。 1.2监测终端整体功能 监测终端的硬件由 STM32WB55 主处理器及其 驱动电路、 电源管理部分、 射频识别模块、 串口通信 电路、以太网接口、继电器模块与功能按键部分构 成。监测终端硬件功能框图如图 2， STM32WB55 主 处理器是监测终端的控制中心，负责整个系统的调 度；射频天线、 THM3060 射频识别芯片与串口通信 电路的组合实现了实时监测转载机入口处的危险区 域，并能在异常发生时将该信息转发到监测终端； 以太网接口由 RJ45 端口与 ENC28J60 芯片及其驱 动电路组成，能将监测终端的数据转发到井下传感 器网路，是监测终端与井下传感器网络连接的媒 介；电源管理芯片为监测终端提供工作电压，功能 按键是监测终端其它功能的拓展；继电器模块能够 实现对警笛、预警灯与转载机电控箱的控制，它与 主处理器之间通过 MAX485 协议实现数据通信。 1.3 主处理器及外围驱动电路 监测终端的主处理器为 STM32WB55CCU6，该 芯片内嵌应用处理器和网络处理器，在网络信号处 理方面性能更优。同时， STM32WB55CCU6 基于低功 耗的 STM32L4 芯片， 功耗进一步被降低[8-10]。其外围 电路主要包括 复位电路、 在线编程电路、 功能按键 电路等。主处理器电路是监测终端的控制中枢， 监 测终端按照内置软件系统的设定有条不紊地执行各 项任务。 1.4电压转换电路 监测终端利用了 2 块电压转换芯片，分别是 AMS1117-5V 与 AMS1117-3.3V。 这 2 块芯片能为监测 终端上提供 5 V 和 3.3 V 的工作电压[11-13]。AMS1117- 5V 电压转换电路的输出是 AMS1117-3.3V 电压转换 电路的输入， AMS1117-5V 电压转换电路的输入是 12 V 的直流信号。5 V 输出电压为 MAX485ESA 等 芯 片 提 供 工 作 电 压 ， 3.3V 输 出 电 压 为 STM32WB55CCU6、 THM3060、 ENC28J60 等芯片提供 工作电压。5 V 与 3.3 V 电压作为信号源也能够为 监测终端上的三极管电路、芯片驱动电路等提供逻 辑信号。电压转换电路如图 3。 1.5RS-485 通信电路 为了控制监测终端上继电器， 进而实现对警笛、 预警灯以及转载机电控箱的控制，设计并实现了 RS-485 通信电路。MAX485ESA 驱动电路图如图 4， MAX485ESA 芯片为 RS-485 协议数据转换芯片， 其 驱动电路由电阻 R10、 R11、 R13、 R14、 R15，电容 C10以及 三极管 PMBT3904 组成。 RS-485 协议为通用的工业 总线协议， 在此基础上， 根据实际应用需求， 设计监 测终端的通信协议。此外， RS-485 协议具有抗干扰 能力强、 误码率低的特点[14-15]。 1.6射频识别模块电路 THM3060 是监测终端上实现射频识别功能的 图 3AMS1117 电压转换电路图 Fig.3AMS1117 voltage conversion circuit diagram 图 1煤矿井下传感器网络 Fig.1Sensor network of underground coal mine 图 2监测终端硬件功能框图 Fig.2Monitoring terminal hardware function block diagram 122 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 芯片，THM3060 射频芯片电路图如图 5。 THM3060 内置接收放大和数字解调电路、 时钟 电路、 复位电路[16-18]。THM3060 的外围电路由电阻 R16、 R17、 R18、 R19、 R20， 电容 C11、 C12、 C13， 电感 L1、 L2， 二 极管 D3、 D4以及三极管 Q3等构成。 THM3060 与主处 理器间的通信方式为串口协议，根据射频信号的特 点， 设计通信协议。在射频芯片的基础上， 监测终端 能够监测到是否有作业人员跌入了转载机的入口处。 1.7以太网数据传输模块 监 测 终 端 网 络 传 输 芯 片 是 ENC28J60， ENC28J60 网络芯片及驱动电路图如图 6， ENC28J60 的外围驱动电路由晶振 X1，电阻 R21、 R22、 R23、 R24、 R25， 电容 C13、 C14、 C15等组成。指示灯 LEDA 与 LEDB 可以表示网络芯片的工作状态。 ENC28J60 网络芯片 能够将监测终端采集到的信息转发到井下传感器网 络，进而传输到井上监控终端，同时将来自井上监 控端的信号下达给监测终端。监测终端上的以太网 数据传输模块是连接无线传感器网络与各监测终端 的数据通道。 2监测终端软件系统 采用 C 语言开发监测终端的软件系统， 集成开 发环境为 keil5。将 UCOS 操作系统移植到主处理器 STM32WB55CCU6， 在 UCOS 系统框架中， 开发监测 终端的应用系统。监测终端集成了以太网数据传输 协议、 射频数据传输协议与 RS-485 通信协议。监测 终端具体工作流程如图 7。 在为监测终端供电后，执行 UCOS 操作系统初 始化程序； 执行主处理器、 射频模块、 网络模块等初 始化程序； 然后， 主处理器检测以太网模块连接状态 是否就绪； 接着， 射频模块开始工作对转载机入口进 行实时扫描监测；当监测到作业人员身上携带的电 子标签时， 就认为现场有作业人员不慎跌入转载机。 此时， 监测终端控制电控箱将转载机电源切断， 并释 放预警信号。 与此同时， 监测终端也会将预警信息及 相关数据打包，通过井下传感器网络转发到井上监 控中心。 为了降低监测终端功耗， 在没有按键或者事 图 7监测终端软件工作流程图 Fig.7Monitoring terminal software work flow chart 图 6ENC28J60 网络芯片电路图 Fig.6ENC28J60 network chip circuit diagram 图 5THM3060 射频芯片电路图 Fig.5THM3060 radio frequency chip circuit diagram 图 4MAX485ESA 驱动电路图 Fig.4MAX485ESA driver circuit diagram 123 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 件触发时， 监测终端进入休眠状态。 3系统测试 首先进行了网络节点间距离与丢包率关系的测 试，包括监测终端与路由器间、路由器与中继器 间、 中继器与交换机间。在煤矿井下实际的环境中， 进行监测终端与路由器节点间距离与丢包率关系的 测试， 固定路由器， 路由器通过网口与笔记本连接， 监测终端放置在不同的距离上，监测终端向路由器 发送 500 个数据包，路由器收到监测终端发送来的 数据后通过串口调试助手进行统计，并显示收到的 数据个数。同时记录 2 个节点之间的距离并记录下 来， 每个定点测量距离通过 3 次试验取平均值， 得到 路由器接收到的数据个数。采用相同的方式测试了 另外 2 类节点间距离与丢包率的关系。把所有的数 据汇总后得到了网络传输节点间距离与丢包率关系 （图略） 为当 2 个节点间距离在 70 m 范围内时， 丢 包率较低； 在 70～90 m 之间时， 丢包率有所上升， 在 90 m 范围内时，丢包率依然保持在可容忍的范围 内，增加必要的确认重传机制，可以保障节点间的 可靠通信。 此外， 经过多次试验， 预警信号从监测终端传输 到井上监控端的时间在 5 s 之内， 在井下传感器网 络正常工作的情况下， 这保证了井上监测人员能在 5 s 内响应转载机造成的事故。 4结论 研制了煤矿井下转载机入口监测终端，采用 STM32WB55 芯片作为终端的主处理器， 硬件上实现 了主处理器及其外围驱动电路、 电压转换电路、 RS- 485 通信电路、 射频识别模块电路、 以太网数据传输 模块电路等；终端的软件实现了射频信号的采集与 处理功能、网络的初始化与数据传输功能、设备的 状态控制功能以及其它相关业务功能。 参考文献 ［1］ 刘明智， 潘锋， 任春香.煤矿井下气体束管管路故障监 测装置及监测技术 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （8） 100. ［2］ 翁寅生， 邬迪， 鲁飞飞， 等.煤矿井下钻机远程控制系 统设计 ［J］ .煤田地质与勘探， 2019， 47 （2） 20-26. ［3］ 廖姜男， 姜楠， 宋海涛， 等.基于嵌入式技术的全液压 钻机参数监测软件设计 ［J］ .煤田地质与勘探， 2019， 32 （5） 78-80. ［4］Jinghan DU, Haiyan Chen, Weining Zhang. 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