由井壁變形檢測探討智能儀器設計

孫立平 孫文全 王可超 宋政謙 庸國祥

摘 要 本系統通過分析斜井井壁變形的原因，結合研究現狀，提出基于STM32F407ZGT6單片機，利用RS-485總線、M-Bus總線，動態檢測車與靜態傳感器結合的一套智能檢測系統。并使用GPRS模塊-SIM900，2.4G模塊-NRF24L01將檢測到的井壁情況接入網絡，通知用戶。達到實時提醒的效果。由于激光檢測車檢測到可能形變后才打開對應部分電源，可以節能并且降低器件損耗。本系統的亮點一是多傳感器檢測，是一個全方位，可靠性比較高的系統；二是提出采用檢測車先檢測，若出現問題則打開對應區域電源的方式，在節能和降低器件損耗方面有優點；三是使用單片機、總線、傳感器構成的智能儀器，更加實時、準確。

【關鍵詞】斜井 井壁變形 智能儀器 監測系統 信息傳輸

現在立井井壁檢測技術已經比較成熟，立井井壁檢測與斜井有相同之處，也有所區別。

要想設計一個監測系統，首先需要了解引起斜井井壁變形的原因，以及變形所造成的效果，這樣才能選擇合適的智能儀器對這些效果進行監測。

1 斜井井壁變形的原因，以及變形所造成的效果

經研究，造成斜井井壁變形的因素主要是“地下水位變化，地層與井壁之間的摩擦以及地應力”這三個因素。由此產生的井壁變形主要體現在：

（1）井壁沿軸向的擠壓和拉伸；

（2）中心線的彎曲和移動；

（3）徑向擠壓引起井壁變形。

2 系統總體設計

如圖1所示。

將整個傳感器系統分成一塊塊小區域，分別供電。先用載有激光測距傳感器的掃描車對井壁進行輪詢，若發現疑似出現故障則發送無線信號打開對應區域電源，這部分傳感器組開始工作，進一步確認。傳感器組由應變片 、輪輻荷重傳感器 、激光測距傳感器組成。

這三個傳感器都是輸出模擬信號，需要DAQM-4202進行AD采集，并轉換為RS-485信號；然后經過485總線傳輸到STM32F407ZGT6單片機處；若應變片和輪輻荷重傳感器的輸出值超過規定值，激光傳感器未接收到信號，則判斷該區域出現問題；再將信號用2.4G無線傳輸傳到電腦，用SIM900發消息給手機，并且打開繼電器進行井下報警。整個系統多次監測，能夠減小錯判率，保障井下人員的安全。

3 各個模塊的選擇

3.1 傳感器的選擇

分析斜井井壁變形造成的影響：

（1）井壁沿軸向的擠壓和拉伸：可以選用應變片測量壓力和拉力的變化，如ZH300。

（2）中心線的彎曲和移動，這種影響可以使用激光傳感器檢測，若下一個激光傳感器能接收到上一個激光傳感器發出的激光，則在這個傳感器之前的電路沒有問題，以此確定形變區域。為防止采礦機械的影響，將激光傳感器置于頂部。選用GLS-B100激光傳感器。

（3）形變會引起井壁所受力的改變，因此可以在容易形變的特殊區域，如拐點，長壁中心點等位置使用輪輻荷重傳感器檢測受力。可選用米科的傳感器，如圖2所示。

3.2 激光測距掃描車的設計

如圖3所示，斜井通道會鋪設軌道以便于采礦，這為掃描車的使用提供了方便。這種掃描車的核心是激光測距傳感器：先由激光二極管對準目標發射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收后成像到雪崩光電二極管上，將光信號轉化為電信號。記錄并處理從光脈沖發出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。

得到的數據經過AD轉換傳入STM32單片機，再接入電腦儲存起來，形成一個數據庫，若某次檢測到一個區域的距離與平時的距離差別較大，單片機用無線通知對應區域電源打開，進而打開該區域傳感器進行精確檢測。

3.3 AD轉換及RS-485總線傳輸

各個傳感器得到的信號都是模擬信號，要想傳輸需要轉換為數字信號，這里采用八路模擬量轉485信號的模塊DAQM-4300，這種模塊分辨率可達16位，運行需要的溫濕度條件比較寬松，適合在環境惡劣的礦井井道中使用。它的工作電壓在7-36V之間，需要外加電源。

礦井巷道內情況復雜，不能使用無線傳輸，RS-485 標準采用差分半雙工方式傳輸，最大的傳輸距離約為 1200m，傳輸速率為 90kbps，傳輸線路使用平衡雙絞線。一根RS-485總線可以同時接30多個傳感器，可降低鋪設線路的復雜度。因此選擇RS-485總線進行傳輸。

3.4 單片機選用

單片機選用STM32F407ZGT6，眾多的IO接口、無線模塊接口、低功耗等性能使該單片機能很容易完成接收數據并且進行無線傳輸的任務。

4 無線傳輸

傳輸到井上單片機的信號一方面需要傳到遠程終端機，另一方面需要給手機發送短信以便外界能更快速地了解井壁情況，更快做出補救。因此在無線傳輸上選用2.4G模塊NRF2401和GPRS無線模塊SIM900。

4.1 2.4G模塊NRF24L01

NRF24L01是NORDIC公司生產的一款無線通信通信芯片，無線通信速度最高可達到2Mbps。

有以下特點：

（1）2.4G全球開放的ISM頻段，免許可證使用。

（2）最高工作速率2Mbps，高校的GFSK調制，抗干擾能力強。

（3）126個可選的頻道，滿足多點通信和調頻通信的需要。

4.1.1 與單片機的連接

NRF24L01采用SPI通信，可以很方便的連接到MCU上面。只需要將“SCK-PB3 MISO-PB4 MOSI-PB5”對應連接即可，如圖4。

4.1.2 與PC機的連接

單片機+nrf24L01做為接收端，單片機再通過串口連接PC機。

4.1.3 整體傳輸圖

如圖5所示。

單片機+NRF24L01做為發送端：任務是把信息發送出去；

單片機+NRF24L01做為接收端：任務是NRF24l01接收發來的信息，并把信息送給單片機進而通過串口送給PC機。

4.2 GPRS無線模塊SIM900

ATK-SIM900A 模塊板載工業級雙頻GSM/GPRS模塊：SIM900A，工作頻段雙頻：900/1800Mhz，可以實現低功耗數據的傳輸。

SIM900與單片機連接后，就能給手機端發送短信，以此快速提醒管理人員井內的情況。

ATK-SIM900A 所有的控制與數據，都是通過串口來傳輸的，所以STM32F4與模塊連接，只需要連接串口即可。

連接如表1所示。

5 總結

本系統的亮點一是多傳感器檢測，是一個全方位，可靠性比較高的系統；二是提出采用檢測車先檢測，若出現問題則打開對應區域電源的方式，在節能和降低器件損耗方面有優點；三是使用智能儀器，更加實時、準確。各種無線通信方式的使用也使整個系統的時效性更好，能更快速地做出決策，保障人員安全，減少損失。

這個系統各種組合儀器擁有對數據的儲存，運算，邏輯判斷及自動化操作等功能，是典型的智能儀器系統，在設計過程中，各種CUP的使用使得傳感器采集到的信息能更有效的利用。智能儀器是計算機技術和測量技術的產物，這也是它不同于普通聰敏儀器和模塊化儀器的地方

參考文獻

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[3]梁化強.礦井井壁變形監測及治理研究[J].礦業安全與環保，2008.

[4]程德福.智能儀器[M].北京工業出版社，2014.

作者單位

山東科技大學 山東省青島市 266000