煤炭儲存無線測溫系統(tǒng)設(shè)計

王獻偉，　陳世海，　馬小平，　張慶學(xué)，　王帥，　渠慎月

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221008；

2.徐州江煤科技有限公司， 江蘇 徐州　221700)

煤炭儲存無線測溫系統(tǒng)設(shè)計

王獻偉1，陳世海1，馬小平1，張慶學(xué)1，王帥1，渠慎月2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州221008；

2.徐州江煤科技有限公司， 江蘇 徐州221700)

摘要：將現(xiàn)代的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的測溫技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了煤炭儲存無線測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用溫度傳感器測量煤炭儲存場所各個點的溫度，通過無線發(fā)射/接收模塊完成分站和傳感器模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，利用GPRS模塊將數(shù)據(jù)從分站上傳至控制室，從而實現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。

關(guān)鍵詞：煤炭儲存； 溫度檢測； GPRS通信

0引言

我國煤炭資源儲存豐富，開采量每年都在增加，尤其是近幾年來，隨著機械化開采煤程度的提高，產(chǎn)量也不斷提高，煤炭的安全儲存已經(jīng)成為煤炭生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵一環(huán)。煤炭大多數(shù)是露天儲存，煤炭儲存安全至關(guān)重要。煤與空氣接觸后，不僅會風(fēng)化,導(dǎo)致煤的質(zhì)量下降，而且還會使煤發(fā)生自燃[1]，特別在露天儲存的大煤堆里，如果不及時檢測出煤堆發(fā)熱溫度并及時采取措施，就會發(fā)生煤堆的自燃[2]，導(dǎo)致生產(chǎn)事故的發(fā)生。

現(xiàn)有的溫度檢測技術(shù)有人工巡回檢測溫度、半自動溫度采集技術(shù)等，這些技術(shù)在一定程度上滿足了溫度檢測要求，但是在具體應(yīng)用中存在一定缺點，如人工巡回檢測溫度不能及時檢測到溫度信息，而且增加了工人的勞動強度，半自動溫度采集技術(shù)是自動檢測溫度，但讀出的結(jié)果需要采用電纜等有線傳輸，限制了其技術(shù)的推廣應(yīng)用。本文將現(xiàn)代的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的測溫技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了煤炭儲存無線測溫系統(tǒng)，滿足了大范圍檢測煤場的溫度變化要求。該系統(tǒng)采用無線傳輸方式，改變了傳統(tǒng)的有線信息收集方式，對提高信號的傳遞速率、及時發(fā)出報警信息具有重要意義。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤炭儲存無線測溫系統(tǒng)主要包括傳感器模塊和分站模塊2個部分，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　煤炭儲存無線測溫系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

傳感器模塊主要由溫度傳感器、STM32處理器、無線發(fā)射/接收模塊SV651組成。溫度傳感器的主要作用是采集煤炭儲存場所各個點的溫度變化。傳感器主控電路由STM32及其最小系統(tǒng)組成，是傳感器模塊的核心，主要完成信息處理和傳送。溫度傳感器采集的是模擬信號，經(jīng)過STM32處理器內(nèi)置的ADC進行AD轉(zhuǎn)換，然后由STM32處理器進行處理，得到煤炭儲存場所各個點的溫度實時數(shù)據(jù)。處理器通過無線發(fā)射/接收模塊SV651向附近的分站發(fā)送采集到的實時溫度。傳感器模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　傳感器模塊硬件結(jié)構(gòu)

分站模塊主要包括無線發(fā)射/接收模塊SV651、STM32處理器、GPRS模塊。其中無線發(fā)射/接收模塊SV651用來接收傳感器模塊發(fā)送來的實時溫度數(shù)據(jù)，然后傳送給分站的主控制器STM32處理器。分站處理器接收數(shù)據(jù)后，進行編號處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給控制中心。控制中心讀取煤炭場所各個點的溫度，并采取必要的預(yù)防措施。在上位機軟件中可設(shè)置報警上限，當煤炭儲存場所某點溫度達到上限時，發(fā)出報警，提醒值班人員采取必要措施。分站模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　分站模塊硬件結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1STM32處理器

STM32F103CBT6是一款基于CORTEX-M3內(nèi)核的高性能、低成本、低功耗的微處理器，在引腳和軟件設(shè)計方面同其他STM32系列處理器兼容，它的時鐘頻率最高達到72 MHz，能夠滿足高端運算[3]。更重要的是它擁有最快轉(zhuǎn)換速度為1 μs的雙12位精度ADC，非常適用于數(shù)據(jù)的快速采集和處理。

傳感器模塊和分站模塊的接線分別如圖4、圖5所示。

圖4　傳感器模塊接線

圖5　分站模塊接線

2.2溫度傳感器

目前用于測溫的傳感器很多，如熱電偶、熱電阻以及石英體溫度傳感器等，其中PT100鉑熱電阻溫度傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，測溫范圍為-200～650 ℃，使用方便。本文選用PT100鉑熱電阻溫度傳感器來測量煤炭的實時溫度，防止煤炭自燃。PT100鉑熱電阻利用導(dǎo)體或者半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的原理，根據(jù)電阻和溫度的關(guān)系，利用測量電阻的方法來推算出溫度。鉑熱電阻的阻值Rt與溫度t之間的關(guān)系是非線性的[4]，當溫度為0～650 ℃時，有

Rt=R0(1+at+bt2)

(1)

式中：Rt和R0分別是溫度為t和0 ℃時電阻的阻值，R0=100 Ω。

PT100采用不銹鋼封裝，不銹鋼外殼與鉑金接觸良好，保證了良好的導(dǎo)熱性，降低了測量誤差。

2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換

PT100溫度傳感器輸出的是模擬信號，通過無線發(fā)射/接收模塊SV651發(fā)送的是數(shù)字信號，因此，在由STM32發(fā)送給無線發(fā)射/接收模塊SV651之前要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，把溫度傳感器檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。STM32內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器滿足要求。

STM32處理器所帶的12位ADC是一種逐次逼近式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，ADC轉(zhuǎn)換速度高達1 MHz，它有18個通道，可以測量16個外部信號源和2個內(nèi)部信號源。各個通道的AD轉(zhuǎn)換既可以單次掃描或連續(xù)掃描，也可以不連續(xù)掃描。ADC的結(jié)果可以左對齊或者右對齊，并且儲存在16位數(shù)據(jù)寄存器中。

STM32的ADC基準電壓VREF+在芯片內(nèi)部與電源信號線連接，系統(tǒng)選用一個高精度的3.3 V外部參照電壓，目的是為了解決電源電壓變動導(dǎo)致ADC測量結(jié)果不準確的問題。

2.4無線發(fā)射/接收模塊

SV651是一款大功率的高速集成無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用的是高性能的Silicon Lab射頻芯片。它具有極低的接收靈敏度和業(yè)界領(lǐng)先的傳輸功率，并提供了多頻段、多信道以及網(wǎng)絡(luò)ID來降低傳輸過程中的干擾以提高傳輸性能。用戶可以通過PC軟件或者在線修改串口以及RF的相關(guān)參數(shù)。

2.5GPRS/GSM模塊

當分站收集到傳感器模塊發(fā)出的信息時，用GSM/GPRS模塊將信息上傳至控制中心。我國的GSM/GPRS技術(shù)發(fā)展很快，基本覆蓋全國各個城市和地區(qū)[5]，給工業(yè)上的數(shù)據(jù)傳輸提供了先進的手段[6]，已廣泛應(yīng)用于石油、電力等領(lǐng)域[7]。SIM900A是一款專門為中國用戶設(shè)計的GSM/GPRS模塊[8],其工作頻率為EGSM900 MHz和DCS1 800 MHz。SIM900A尺寸很小，基本可以滿足用戶對空間的要求。SIM900A采用省電技術(shù)設(shè)計，在睡眠狀態(tài)下功耗很小，同時SIM900A內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

煤炭儲存無線測溫系統(tǒng)軟件設(shè)計包括傳感器模塊和分站模塊軟件設(shè)計2個部分，采用STM32標準庫3.5，在MDK環(huán)境下編寫[9]。

3.1傳感器模塊軟件設(shè)計

傳感器模塊軟件主要完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理，并控制無線發(fā)射/接收模塊SV651將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給分站。

3.1.1初始化

初始化主要包括系統(tǒng)時鐘初始化、數(shù)據(jù)采集初始化、實時時鐘初始化、無線模塊初始化、定時中斷初始化、發(fā)送中斷初始化、GPIO口的初始化等，配置PA0和PA1為傳感器輸入，PA2和PA3為無線發(fā)射/接收模塊的串口輸入和輸出，PA4和PA5為無線發(fā)射/接收模塊的片選端CS和SET。

3.1.2數(shù)據(jù)采集和處理

初始化完成后即可進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集時，需要清空串口緩沖區(qū)，等待接收數(shù)據(jù)。讀無線模塊的網(wǎng)絡(luò)地址和節(jié)點地址，目的是為了分清采集點，進行AD采集。PT100采集的溫度信息是模擬信號，該模擬信號輸入到STM32的ADC中進行AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換按照PT100的電阻值化公式得出，ADC處理后的數(shù)據(jù)儲存在ADCConvertedValue中，利用公式tempreture=(((float)ADCConvertedValue)/5.2)得出真實溫度值。

3.1.3數(shù)據(jù)發(fā)送

經(jīng)STM32處理后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給無線發(fā)射/接收模塊，然后發(fā)送給分站。首先STM32把SV651的片選端CS置0，SET置0，使SV651進入待機狀態(tài)，然后把溫度傳感器的NODE-ID/NET-ID通過串口寫入SV651中。STM32再次把CS置1，使SV651進入發(fā)送狀態(tài)，啟動數(shù)據(jù)發(fā)送；SV651將CRC校驗碼打包后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給分站，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，傳感器模塊進入定時睡眠狀態(tài)，等待被喚醒。傳感器模塊工作流程如圖6所示。

3.2分站模塊軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，分站模塊軟件主要用于收集各個傳感器模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整理后發(fā)送給控制中心。

3.2.1初始化

首先完成GPIO口的初始化，配置PA9和PA10為GPRS的TX和RX端，PA2和PA3為無線發(fā)射/接收模塊的串口輸入和輸出，PA4和PA5為無線發(fā)射/接收模塊的片選端CS和SET，初始化定時器TIM3、系統(tǒng)時鐘、GPRS、串口。

圖6　傳感器模塊工作流程

3.2.2數(shù)據(jù)接收

分站的無線發(fā)射/接收模塊接收傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給STM32。STM32把SV651的SET置0，CS置1，使SV651處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)；數(shù)據(jù)包接收完畢后，進行CRC校驗，如果校驗正確，則SV651會自動去除CRC校驗部分，把數(shù)據(jù)保存在寄存器內(nèi)，并通過串口發(fā)送給STM32。分站STM32的作用是簡單的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和控制。

3.2.3數(shù)據(jù)發(fā)送

當GPRS模塊接收到數(shù)據(jù)時，并不及時發(fā)送給控制中心，而是在一定的時間內(nèi)收集到預(yù)先設(shè)置的條數(shù)后，再發(fā)送給控制中心。首先STM32通過串口發(fā)送AT指令給GPRS模塊[10]，實現(xiàn)模塊初始化，配置和鏈接TCP，然后發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)，當檢測到數(shù)據(jù)發(fā)送完成時，關(guān)閉GPRS的TCP鏈接，同時利用軟件清空GPRS的緩存區(qū)，等待接收數(shù)據(jù)。分站工作流程如圖7所示。

圖7　分站工作流程

3.3數(shù)據(jù)丟包處理

在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集時有丟包現(xiàn)象，這有2個方面原因：① 傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32處理后，經(jīng)過串口向無線發(fā)射/接收模塊傳輸時，串口的波特率高于無線發(fā)射/接收模塊的發(fā)送波特率，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。針對該問題，應(yīng)設(shè)置串口波特率不高于無線發(fā)射/接收模塊的發(fā)送波特率。② 各個傳感器模塊上傳數(shù)據(jù)至分站模塊時，由于傳感器模塊之間可能同時上傳數(shù)據(jù)，造成數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。針對該問題，利用無線發(fā)射/接收模塊有4個工作頻段、每個工作頻段有40個通道的特點，分別給每個傳感器模塊分配1個信道，分站的無線模塊按照設(shè)定的時間采集每個信道的信息，這樣能夠解決丟包問題。

4結(jié)語

介紹了煤炭儲存無線測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和軟硬件設(shè)計，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，大大增加了測量點的范圍；采用無線發(fā)射/接收模塊SV651傳輸和接收數(shù)據(jù)，滿足工業(yè)級別的數(shù)據(jù)傳輸要求，上傳到控制中心的數(shù)據(jù)采用GPRS模塊傳輸，采用流量上傳數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)安裝使用方便，工作穩(wěn)定，不僅適用于大范圍及分散點煤炭儲存場所的溫度測量，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)制造中的溫度測量也具有重要意義。

參考文獻：

[1]何啟林.煤低溫氧化性與自燃過程的實驗及模擬的研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2004.

[2]朱志宇,趙浩,劉光偉.淺析露天煤礦煤炭自燃[J].露天采礦技術(shù),2011(1):59-60.

[3]丁紅斌,秦會斌,孫順遠.基于STM32的虛擬示波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子器件,2009(6): 1007-1010.

[4]陳志文,王瑋.基于Pt100鉑熱電阻的溫度變送器設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(8):197-199.

[5]王宏偉,趙國慶.在GSM網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)高壓電力線路檢測[J].儀器儀表學(xué)報,2007,28(12):2260-2262.

[6]丁暉.GPRS技術(shù)在電力SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電測與儀表,2007,44(8):25-27.

[7]IGURE V M, LAUGHTER S A, WILLIAMS R D. Security issues in SCADA networks[J].Computers and Security,2006,25(7):498-506.

[8]滕菲,郭慶.基于GSM短消息的振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2006,11(5):76-78.

[9]李寧.基于MDK的STM32處理器應(yīng)用開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008:304-327.

[10]李立志,周明建,于忠臣.基于GPRS&GPS的防盜追蹤系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 國外電子測量技術(shù),2011,30(5):59-62.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1551.020.html

Design of wireless temperature measurement system for coal storage

WANG Xianwei1，CHEN Shihai1，MA Xiaoping1，ZHANG Qingxue1，

WANG Shuai1，QU Shenyue2

(1.School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology,

Xuzhou 221008, China； 2.Xuzhou Jiangmei Science and Technology Co., Ltd., Xuzhou 221700, China)

Abstract：Wireless temperature measurement system for coal storage was designed combining modern wireless network technology and traditional temperature measurement technology. The system uses temperature sensor to measure temperature at various points of the coal storage sites, completes data transmission between sub-station and sensor modules via wireless transmitter/receiver module, and uses GPRS module to upload data from sub-station to control room, so achieves temperature data acquisition and wireless transmission.

Key words:coal storage; temperature detection; GPRS communication

作者簡介：王獻偉(1989-)，男，河南永城人，碩士研究生，研究方向為煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)，E-mail:2217928222@qq.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61303183)；江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20130204)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目(20120095120023)。

收稿日期：2015-11-25；修回日期：2015-12-15；責任編輯：胡嫻。

中圖分類號：TD679

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-01-26 15:51

文章編號：1671-251X(2016)02-0077-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.020

王獻偉，陳世海，馬小平，等.煤炭儲存無線測溫系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(2)：77-80.