礦山物聯(lián)網雙CAN通信電源監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉繼文，王劍雄，劉小玉，太 飛，張銀河

(1.河北建筑工程學院，河北張家口075000；2.張家口廣播電視大學，河北張家口075000；3.石家莊銀方軟件科技有限公司，河北石家莊050000)

礦山物聯(lián)網雙CAN通信電源監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉繼文1，王劍雄1，劉小玉2，太 飛1，張銀河3

(1.河北建筑工程學院，河北張家口075000；2.張家口廣播電視大學，河北張家口075000；3.石家莊銀方軟件科技有限公司，河北石家莊050000)

采用STM32作為系統(tǒng)的主控制芯片，通過STM32的雙CAN通信電源接口實現長距離通信，同時設計子系統(tǒng)實現邏輯控制和數據以太網通信傳輸。采用以太網通信將CAN總線檢測的核心數據傳送到遠端控制室進行綜合監(jiān)控，通過仿真和實際案例進行測試，實現了10 km用于礦山物聯(lián)網的雙CAN通信系統(tǒng)的數據檢測、遠程控制和信息通訊功能，達到節(jié)能目的。

STM32；物聯(lián)網；雙CAN總線；通信系統(tǒng)

由于煤礦生產條件的特殊性，礦井內現有通信監(jiān)控系統(tǒng)的信號傳輸距離短、音質差，集控感知度不高，不能適應長距離傳輸的監(jiān)測監(jiān)控需求，更不能適應建設感知礦山、數字礦山的發(fā)展需求。為此，本文基于STM32、PLC、數字語音和CAN總線技術，對現有煤礦通信監(jiān)控系統(tǒng)進行改造，實現煤礦監(jiān)控通信系統(tǒng)的數據檢測、傳輸、遠程綜合控制和保護，實現井下無人監(jiān)守、提高遠程智能監(jiān)控和應急安全防護水平，預防和減少事故發(fā)生，實現節(jié)能與人身安全[1]。

1 系統(tǒng)框架

用于礦山物聯(lián)網的雙CAN通信系統(tǒng)的網絡結構如圖1所示。系統(tǒng)是基于通訊傳輸的CAN總線網絡、STM32等綜合開發(fā)設計，分成若干在物理上相互獨立而在功能上又相互關聯(lián)的幾大部分[2]。整個系統(tǒng)硬件可分為PLC控制部分、檢測控制部分、語音仲裁及監(jiān)測部分、PIC單片機地址映射部分、外圍傳感器及信號采集設備等。

圖1 系統(tǒng)的網絡結構

2 構建典型實驗系統(tǒng)

選用仿真導線模擬實際距離作為CAN通信實驗，選用STM32的兩塊主板分別控制CAN2A和CAN2B總線，每條CAN2總線上設定3臺STM32電話版、1臺閉鎖板、1臺尾端板。兩個CAN2總線上的STM32主板和電話板都連接到CAN1總線，且在CAN1總線上配置一臺FX2N PLC作為語音仲裁設備。配置詳見表1。

表1 系統(tǒng)配置參數

實驗硬件選擇兩條CAN2總線，分別為CAN2A和CAN2B總線，每條CAN2總線定義相同配置。設備ID按照1～20為STM32主控板ID類、21～253為電話板和閉鎖板的ID類、254為尾端板ID的分配原則，測試采用ZLG公司的CAN設備USBCAN及其配套測試軟件CANTest來實現[3]。測試界面如圖2所示。

圖2 CANTest監(jiān)視界面

3 實驗測試及驗證

3.1 CAN總線測試

實驗中，CAN1總線監(jiān)測數據如圖3所示，第0～15個數據幀為FX2N的輪詢和驅動STM32主控板的數據監(jiān)測報文；第72～936個數據幀為STM32電話板(0x32)按講申請、FX2N應答允許按講、STM32電話板獲得允許按講信息后發(fā)送語音信息等的檢測報文。

圖3 CAN1總線數據監(jiān)測報文

根據監(jiān)測報文中的時間標識值，可計算出各數據幀之間的時間差值。FX2N仲裁PLC除了上電檢測STM32主控板的時間差為9 ms和第一次接收到STM32主控板的回應時間差為61 ms之外，當系統(tǒng)正常運行后，FX2N的輪詢時間為2 000 ms，與FX2N程序設計中的定時值相符。計算過程如下：(1)選第12號和第10號數據幀的時間標識進行求差運算：0x021f4f4c－0x021eff0f＝0x503d(20541單位0.1 ms)；(2)選第14號和第12號數據幀的時間標識進行求差運算：0x021f9fc8－0x021f4f4c＝0x507c(20604單位0.1 ms)；(3)選其他時段的時間差值進行綜合平均值計算，得到平均輪詢時間約為2 000 ms。基于時間標識的誤差，考慮是由于PLC內部的時間定時器誤差和網絡延時引起的，監(jiān)測結果達到預期目標。CAN2總線監(jiān)測數據如圖4所示。

圖4 CAN2總線數據監(jiān)測報文

3.2 雙CAN總線通信距離的實驗分析

實驗中CAN總線的通信電纜選用1.5mm2的銅質雙絞線，CAN總線電纜的最大直流電阻為13 mΩ/m，兩線間的線間電容為0.06 μF/km，感應電感為0.8 mH/km。在不考慮線間電容和線路感應電感的情況下，CAN總線可等效為圖5所示的電路。

Research of Dual-CAN bus in mine IOT communication power monitoring system

The STM32 was used as the main controlling chip of the system, long-distance communication was achieved through the dual-CAN communication interface of STM32.Then subsystem was designed to achieve the logic control and the transmission of data Ethernet communication at the same time.The CAN bus measuring core data was transmitted to the remote controlling room for integrated monitoring using the Ethernet communication.Through simulation and a practical case testing,remote controlling,and information and communication function were achieved using the 10 km for mines networking dual-can communication system,and the goal of energy saving was attained.

STM32;IOT;Dual-CAN bus;communication system

TM248

A

1002-087X(2016)12-2461-02

2016-05-13

河北省高等學校科學研究計劃指令項目(QN2015-110)；張家口市科學技術研究與發(fā)展計劃指導項目(1421008BX)

劉繼文(1984—)，男，湖南省人，講師，碩士，主要研究方向為控制工程、智能算法。