基于STM32的礦井水文監測系統研究

馬媛 王昊星 胡小旗

摘 要：煤炭資源的開采和利用長期以來一直是我國工業發展的重要基礎，但是煤炭資源的開采大多工作于地下，并且周邊地質水文環境較為復雜，這樣便會給煤炭企業的安全生產帶來不利影響。為此建立一種高效、穩定、準確且能夠適應多種環境的礦井水文監測系統十分必要。文章主要對水文監測系統的組成、STM32對礦井水文監測的改進和應用，重點對礦井水文應用STM32單片機技術改善后的優勢進行了簡單闡述，可以為研究基于STM32的礦井水文監測系統提供一些參考。

關鍵詞：STM32；礦井；水文監測系統

前言

煤炭資源長期以來一直是我國極為重要的自然資源，煤炭資源對于人們生活質量以及工業企業的生產有著極為重要的影響。我國是煤炭資源勘探大國，近些年越來越多的煤炭資源被開采，但與此同時，由于對礦井水文監測缺乏重視，常常會因為煤礦滲水和漏水引發許多礦井生產安全事故，為此加強煤礦礦井水文系統的監測具有十分重要的意義。隨著現代信息技術的發展，一種以STM32微處理器為核心的礦井水文監測系統被開發和利用，基于STM32微處理器技術的信息平臺將水位、水溫、水壓和流量等水文信息通過智能傳感器監測再通過RS-485總線傳送，并可以通過以太網與計算機系統實現共享，進而實現對礦井水文情況進行系統性、科學性以及實時性監測。

1 水文監測系統的組成

礦井水文監測系統組成包括傳感器系統（其中包括智能水位傳感器、智能水壓傳感器以及智能水位移傳感器）、通信線路、監測分站、通信接口以及計算機系統。各類傳感器完成對水文系統的各項數據監測，并通過總線和通信電纜進行傳輸，最終進入計算機系統。計算機系統是處理各項數據以及實現水文監測系統各項功能的核心，功能實現的主要內容包括各項數據的統一管理，測量間隔的任意設定，可查的歷史數據和曲線，數據報警功能的實現等。水文監測系統儲存、計算、處理并完成報警的數據一般包括：礦井各含水層的水位水壓變化情況；礦井降水量及涌水量變化；礦井受害地點水文變化情況；礦井防水設備的維護情況；礦井排水系統的工況運行情況以及礦井周圍地面地質鉆孔水位及水溫變化情況。經過多年的發展我國的水文監測技術已經達到了世界先進水平，尤其是在江河湖泊泥沙流域等的水文監測已經處于國際領先水平。但是在煤礦行業當中的水文監測系統方面依然還需諸多地方地方得到提高。主要體現在水文監測數據的實時性不夠理想，上層服務器數據處理的配套系統還不夠先進，在一些領域應經無法滿足煤礦產業的水文監測要求，因此必須要建立和建設一種基于STM32的礦漿水文監測系統。

2 STM32對礦井水文監測的改進和應用

STM32是一種高性能ARM Cortex-M內核微處理器，其主要的優點是高性能、低功耗。基于STM32的礦井水文監測系統是一種充分利用先進傳感器技術、微處理器技術以及現場總線技術的綜合性技術，其主要是利用先進的傳感技術將井下水溫、水壓、水位、及流量等巷道充水性和礦井涌水量等水文數據進行監測，測得的數據再通過現場總線技術、微處理器技術以及以太網傳輸到計算機系統內，按照相關的工藝要求等進行處理分析，從而實現煤礦企業對于礦井水文信息的監測，同時也能夠為煤礦企業在生產過程中提供水害威脅報警，進而保證煤礦企業的安全高效生產。

基于STM32的礦井水文監測系統一般多采用多層次網絡配置。第一層便是通過RS-485總線將各部分的智能傳感器采集來的水文數據傳送給通信分站，該通信分站就是以STM32為基礎建立的平臺。第二層便是將采集來的水文信息數據通過RS-485再次傳到以太網模塊當中去進而發送給第三層的計算機系統，計算機系統成為了數據的終端，依據接收到的信息數據建立各種水文信息監測和預警模型，通過模型的計算，便可以利用得到的計算指數和結果判斷一些事故發生的可能性并發出預警。此外這些數據還能進行記錄和保存，技術人員可以通過查詢和分析歷史數據進而進行精度分析和判斷。隨著現代信息技術的發展，其功能還可以延伸至互聯網領域，得到廣泛應用和發展。基于STM32的礦井水文監測系統的主要參數一般包括：系統的巡檢周期小于30s；采用RS-485的總線以及工業以太網的接口形式；智能傳感器數目可達到80個；采用異步通信的方式以及四芯通信電纜速率可達15200bps，誤碼率小于0.000001。因此便可以在較短的時間內甚至實時的監測礦井的降水量，水域流量變化以及礦井含水層水位及水壓的變化。礦井水文監測系統可以根據水文綜合變化情況對礦井所可能遭到的危害進行提前預警，這不僅達到監測的目的，更保證了礦井的安全生產。

3 礦井水文應用STM32單片機技術改善后的優勢

基于STM32的礦井水文監測系統與傳統礦井水文監測系統相比較，其在設計和功能上具有十分突出的優勢。基于STM32的礦井水文監測系統不僅擁有通用的通信分站、組網等功能，更為重要的是其因擁有高性能ARM Cortex-M內核微處理器使得信息數據的采集速度得到了飛速提高，并且減輕了計算機系統的工作負載。采用RS-485總線通信的方式將智能傳感器采集的信息數據傳送給通信分站，數字信號在沒有改變形式的情況下直接傳送，從而提高了各項信息數據的可靠性。采取該方式的另一項優勢便是使得智能傳感器以及通信分站在安裝位置上可以不受模擬信號傳輸的距離限制，因而增強了基于STM32的礦井水文監測系統的整體靈活性。

由于STM32的礦井水文監測系統建立了通信分站因此其可以RS.485和以太網網絡將各個智能傳感器測量的水文參數傳送給上位機，由于系統配備了高性能ARM Cortex-M內核微處理器因此其具備了建立突水模型的條件。這樣一來上位機便可以利用STM32單片機的強大功能優勢使得突水模型起到數據測量、傳輸、計算處理以及報警的功能。由于突水模型的建立以及STM32單片機的應用，使得水文數據可以直接在服務器當中進行讀寫和處理。這樣便可以快速運行算得出突水指數。在生產實際的過程中，利用生產實際經驗將突水指數設定一些閥值，這樣便可以將煤礦作業區劃分為突水危險區、可能突水區和安全區三類，這樣通過檢測數據計算得出的情況與實際情況相互對比，進而逐步建立正確的模型。由于在這一過程當中需要海量的數據反復進行運算和對比而這一切都離不開基于STM32單片機的超強計算能力，如果沒有基于STM32單片機系統，礦井水文監測系統的突水模型將很難被建立。

4 結束語

綜上所述，基于STM32的礦井水文監測系統是一種可以高效、穩定、準確采集和處理礦井水文信息數據、實現網絡共享的信息系統。由于所有數據均通過數字信號傳送，STM32單片機的超強計算能力使得其安全可靠性得到大幅提升，建立的可編程模型使得該系統可以對一些典型事故進行預警，并對礦井水文的各項數據參數進行實時監視，從而充分及時的掌握礦井水文動態，這一平臺不僅提高了水文監測工作的效率和可靠性，更為重要的是它能為煤礦企業的安全生產提供更堅實的保障。

參考文獻

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