基于ARM的礦用注漿在線監測系統設計

李 鵬，姜 琳，董慶余

（1.濟寧高新技術產業開發區管委會 山東 濟寧 272000；2.山東理工職業學院建筑工程學院 山東 濟寧272000；3.濟寧六合工程機械有限公司 山東 濟寧 272000）

基于ARM的礦用注漿在線監測系統設計

李 鵬1，姜 琳2，董慶余3

（1.濟寧高新技術產業開發區管委會 山東 濟寧 272000；2.山東理工職業學院建筑工程學院 山東 濟寧272000；3.濟寧六合工程機械有限公司 山東 濟寧 272000）

基于ARM的礦用注漿在線監測系統是基于工業以太網和CAN總線，使用ARM系列STM32F103單片機開發下位機，實現多通道數據自動采集和上傳。上位機監測軟件采用.NET平臺C#語言設計開發，實現實時數據讀取存儲、曲線顯示、實時控制、歷史查詢、注漿統計、壓力計算等。下位機硬件電路數據采集效率高、穩定性強，上位機監測軟件界面友好、操作靈活，實現了數據傳輸準確性、穩定性及監測系統的人機交互性，并通過工程實踐驗證了系統的各項功能。

注漿；在線監測；ARM單片機；.NET

注漿技術是一種具有很強實用性的工程技術，主要應用于防治水災害和加固地層。煤礦生產十分關注現場注漿數據，它不僅是煤礦企業績效評價的重要依據，其質量直接關系到井下突水事故預防效果，對煤礦安全生產管理意義重大。長期以來，國內煤礦企業對注漿現場缺乏科學高效的監測手段，且監測參數單一，監測系統缺乏靈活可擴展性，存在人為疏漏誤報現象，這種粗放型管理方式明顯不符合現代煤礦安全管理的要求。為提升注漿工作精細化管理水平，提高注漿作業的自動化程度，使煤礦管理人員隨時掌握注漿現場實時數據變化，及時調整應對策略，文中主要研究對注漿過程進行實時在線監測，準確獲取重要參數，實現注漿自動化監測統計系統具有重要的現實意義[1-2]。

1 系統結構介紹

文中系統是基于工業以太網、CAN總線開發，由注漿監測服務器、傳輸分站及采集分站組成。注漿監測服務器主要功能為實時數據顯示和存儲，歷史數據查詢和曲線顯示，壓力計算和統計報表等，傳輸分站主要功能實現CAN總線網絡同工業以太網的協議轉換，采集分站主要實現實時數據包括壓力、流量、流速、加速度等自動采集和實時上傳[3]。圖1所示為系統結構圖。

圖1 系統結構圖

注漿監測服務器作為系統的主控計算機，運行在服務器端，監聽終端采集數據?；赨DP協議傳輸實時性強、適合單次傳輸少量數據等特點，上位機監測軟件采用標準網絡傳輸報文協議UDP/IP協議棧作為物理層及以上各層的通訊協議，默認通過預設端口號8001來訪問傳輸分站，也可軟件設置。通過傳輸分站UDP/IP協議與CAN協議轉換，實現監測服務器同采集分站的數據通訊[4]。

2 基于CAN總線和工業以太網的通訊

通訊網絡基于工業以太網和CAN總線，通過使用CANET工業級雙路智能CAN轉以太網接口卡實現網絡協議轉換。工業以太網通訊設備包括監測服務器、傳輸分站、以太網交換機等；CAN總線設備包括采集分站、傳輸分站[5-7]。圖2所示為系統網絡結構圖。

圖2 系統網絡結構

數據傳輸分為井下和井上兩部分。井下數據傳輸以CAN總線和以太網光纖為主。其中，CAN總線用于采集分站與傳輸分站之間的數據傳輸。井下CAN總線傳輸部分要求最長傳輸距離 2千米，最多終端數20個，最短監測周期10秒。CAN通訊以標準CAN總線傳輸層協議為基礎，數據幀包含幀信息（1字節）、幀ID（4字節）和幀數據（8字節）共13字節。其中，幀ID由設備ID（2字節）和傳感器ID（2字節）組成?？偩€波特率默認設置10kbps，用戶可通過監測軟件遠程設置總線波特率。數據幀中最后字節用于校驗，其它非有效數據字節填0x00，使用異或校驗法[8-9]。每個采集分站有唯一ID號，且ID號設置允許掉電保持。傳感器類型ID須按照預先協議規定設置，傳感器類型ID配置如表1所示。

表1 傳感器類型ID

3 系統組成

3.1 下位機采集分站

采集分站由主控設備箱硬件部分和測量傳感器組成。系統ARM硬件控制系統主要由STM32F103微控制器、電流/電壓轉換電路、電源及各種接口等組成。主控設備箱是采集分站主體，測量傳感器包括電磁流量計、加速度傳感器、壓力傳感器，通過電纜線與主控設備箱外接。

1）ARM控制系統：系統中數據自動采集功能核心部分使用ARM控制系統，核心單元選用高性能ARM芯片STM32f103。傳感器信號轉換采集、數據轉換處理、數據存儲顯示、數據上傳等功能模塊都受ARM芯片控制。傳感器信號采集模塊使用電流/電壓轉換電路轉換傳感器信號，然后通過ARM芯片的高精度A/D轉換器轉換為數字信號。數據處理模塊通過ARM芯片智能算法對A/D轉換后的數字信號進行處理，轉化為所需注漿流量、流速、壓力、加速度數據。存儲顯示模塊通過ARM芯片控制存儲器和顯示器，將采集數據存儲到flash并顯示到設備LED顯示屏。通訊模塊通過ARM芯片內部CAN控制器完成標準CAN總線底層協議通訊，通過ARM芯片的運算處理解析CAN總線通訊數據，定時上傳注漿監測數據。ARM控制系統軟件由初始化程序、循環主程序和各功能模塊子程序組成。軟件啟動時先執行初始化程序，然后進入主程序循環調用各功能模塊子程序。ARM芯片通過分配不同等級的優先級中斷程序，實現各參數實時采集[10-12]。圖3所示為CAN收發電路原理圖。

2）電流／電壓轉換電路：注漿監測系統中，電磁流量計的輸出信號為電流信號，要轉化成可被系統處理的電壓信號，需經電流／電壓轉換。圖4所示為電流/電壓轉換電路原理圖，WT為模擬量電流信號，R4為采樣電阻，R8為限流電阻，BAO為4.7 V基準電壓。AD6連接STM32f103單片機中AD采集I/O口。

圖3 CAN收發電路原理

圖4 電流/電壓轉換電路原理

3.2 上位機監測軟件

1）軟件整體結構：在整個系統中，每臺采集分站由傳感器（壓力、流量、流速、加速度）采集信號并將其存儲到單片機的Flash中，同時將數據通過CAN總線發送至傳輸分站，經CAN轉以太網適配器協議轉換后，發送至上位機。上位機軟件監聽來自傳輸分站的終端采集數據，功能包括：實時采集數據并存儲到數據庫；實時數據動態曲線顯示；遠程集中控制，實現對采集分站重啟、自檢、ECHO應答、總線速率、發送間隔等指令發送；系統通訊狀態顯示、設備故障報警；歷史數據查詢、歷史曲線分析、注漿統計分析等。

2）軟件核心功能：在注漿監測系統中，上位機軟件采用.NET平臺C#語言開發，基于Socket技術開發通訊模塊，數據存儲采用Sqlserver2005數據庫實現。軟件實現網絡通訊、數據存儲、動態曲線及注漿統計等多任務高效并發，綜合運用.NET線程池管理、C#委托、數據庫存儲過程等技術[13-15]。部分關鍵代碼如下：

4 實驗應用

軟件運行在工程現場實驗環境中時，點擊實時監控界面中開始按鈕，系統開始接收采集分站數據，實時監控顯示當前設備連接數量及設備信息，通訊狀態欄中顯示數據采集情況，圖5所示為實時監測界面。軟件注漿統計模塊中，軟件可根據用戶預設日水灰比參數，按照水灰比生效時間點分段計算注漿日、月、年累計并生成統計報表，注漿日累計可自動生成日分時統計柱形圖，圖6所示為注漿統計界面。為避免用戶誤操作，系統設定了權限管理，用戶只有在通過身份密碼驗證的情況下，才能進行相關權限操作，同時可以靈活修改賬戶密碼，管理員可以維護用戶信息，有效提高了監測系統的安全性和靈活性。用戶可在歷史查詢界面查詢某時間區間內所有參數歷史數據及歷史曲線圖。

圖5 實時監測界面

圖6 注漿統計界面

5 結 論

文中介紹了一種基于工業以太網和CAN總線開發的注漿在線監測系統，從通訊協議、功能開發等幾個方面詳細進行了闡述。該系統經過工程現場試驗，連續運行近半年，可靠性高、實時性強，并具有以下特點：數據采集分站采用ARM32位可編程控制器作為下位機，使數據自動采集和處理、通訊可靠性及系統穩定性得到極大提升；數據傳輸分站與上位機采用光纖通訊，最大限度地抑制了環境變化對數據通訊的影響；上位機程序實現了對下位機的自動數據采集，可通過以太網對采集分站發送控制命令，用戶可以隨時了解實時注漿信息及統計數據，方便獲取管理決策數據。系統硬件和軟件均采用模塊化設計，便于擴展，可根據實際監測需要增加傳感器完成系統功能擴展。

[1]曾松春，龐建勇.張集新副井地面預注漿及監測技術研究[J].安徽理工大學學報：自然科學版，2014，1（34）:76-79.

[2]談建良，蔣曙光，吳征艷，等.基于OPC的以太網通訊方式在注漿監測系統中的應用 [J].煤礦安全，2011，1（42）:67-70.

[3]是利娜，吳海衛.基于PLC控制的人機界面遠程注漿監測系統研究[J].能源技術與管理，2011，2（36）: 134-136.

[4]車行，郭建洲.基于C8051F040的以太網-CAN轉換電路設計[J].電子設計工程，2011，19（1）:96-98.

[5]李武杰，鄭晟，陳文輝．Ethernet_IP工業以太網的研究及應用[J].電子設計工程，2011，19（9）:26-29.

[6]陳偉.基于CAN總線的煤礦安全監控系統的研究[J].煤礦現代化，2012（1）:51-52.

[7]米蘭，任子暉，黃濤.基于CAN總線和VB6．0的煤礦井下溫度監測系統設計 [J].煤礦機械，2012，33（11）:253-255.

[8]王邦繼，劉慶想，李相強，等.CAN總線應用層協議的研究與實現 [J].計算機工程與應用，2011（20）:14-16.

[9]廖忠明，徐秀紅，彭小軍.一種基于CAN總線的煤礦遠程監控系統[J].煤炭技術，2012，31（1）:97-98.

[10]武風波，周云如.基于ARM的礦井環境監測系統設計[J].西北大學學報：自然科學版，2015（4）:551-554.

[11]曹文霞，賈艷梅，馮玉泉.基于ARM的遠程電能質量監測系統的研究與設計[J].電源技術，2014（10）: 1940-1941.

[12]楊博，張加宏，李敏，等.基于ARM的多通道數據采集系統[J].儀表技術與傳感器，2015（2）:104-107.

[13]Bob Quinn，Dave Shute.Windows Sockets網絡編程[M].北京：機械工業出版社，2012.

[14]Robert Vieira.SQL Server 2005高級程序設計[M]．北京：人民郵電出版社，2008.

[15]范營營，田雨.基于Socket通訊多線程技術的工業無線數據服務軟件設計[J].機械設計與制造工程，2016（3）:61-64.

The design of online grouting monitoring system based on ARM

LI Peng1，JIANG Lin2，DONG Qing-yu3
（1.Jining National High-tech Industrial Development Zone.，Jining 272000，China；2.Shandong Polytechnic College Jining 272000，China；3.Jining Liu He Engineering Machinery Co.Ltd.，Jining 272000，China）

The online grouting monitoring systemis a network control systembased on Industrial CAN bus and Ethernet.Slave computer hardware developed by ARM micro-controller realizes multi-channel automatic data acquisition and uploading.Mater computer software developed by C#of.NET framework achieves remote real-time data reading and storage，curve display，real-time control，historical inquiry，grouting statistics，pressure calculation and other functions.In this system，the hardware circuit of slave computer for data acquisition is efficient and stable.The software monitoring system of mater computer has friendly interface and flexible operation.The entire system which achieves data accuracy，transmission capability and good man-machine conversation capability is verified by engineering practice.

grouting method；online monitoring；ARMSCM；.NET

TP274

A

1674-6236（2017）09-0128-04

2016-06-13稿件編號：201606093

國家科技支撐計劃（2013BAK06B00）

李 鵬（1983—），男，山東濟寧人，碩士研究生。研究方向：計算機應用技術、嵌入式系統。