礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計分析

杜國瑞

（汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)將不同類型的傳感器整合組網(wǎng)，然后通過信號接收轉(zhuǎn)換分站將測量得到的各種水文數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機(jī)上，并通過上層軟件對各項水文數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析，以達(dá)到對水文災(zāi)害的提前預(yù)警[1-3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)可以分為三個主要部分，第一部分是位于底層的傳感器網(wǎng)絡(luò)，第二部分為信號轉(zhuǎn)換分站，第三部分為監(jiān)控計算機(jī)。信號轉(zhuǎn)換分站接收各個傳感器測量的數(shù)據(jù)然后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控計算機(jī)，并在計算機(jī)上通過上層軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析[4]。位于同一局域網(wǎng)的其他計算機(jī)也可以通過瀏覽器登陸監(jiān)控計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看和分享。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

每個信號轉(zhuǎn)換分站都能接入多個傳感器，傳感器與分站之間采用m-bus總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。不同類型的傳感器將測量得到的水文參數(shù)（如水壓，溫度，流量）通過總線傳輸?shù)叫盘栟D(zhuǎn)換分站。信號轉(zhuǎn)換分站作為m-bus總線的主設(shè)備，智能傳感器作為m-bus的從設(shè)備口1。傳輸m-bus總線信號所采用的電纜為四芯屏蔽線，其中兩根用來傳輸信號，另外兩根通過分站用來為智能傳感器供電。而信號轉(zhuǎn)換分站所需要的24 V直流電是通過礦用隔爆電源通過接入127 V的礦用照明電路轉(zhuǎn)化后得到的。一般情況下每個信號轉(zhuǎn)換分站都會掛載多個傳感器，每個傳感器都有一個唯一的地址與其對應(yīng)。信號轉(zhuǎn)換分站通過地址識別不同的傳感器，每個傳感器都分布在不同的測點，這樣就能監(jiān)測到各個測點的水文參數(shù)[5]。

傳感器所測量的數(shù)據(jù)通過信號轉(zhuǎn)換分站傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機(jī)，由于監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時性要求比較高，所以所采用傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸速率要快，傳輸距離要遠(yuǎn)，傳輸穩(wěn)定性要高。因此為了滿足要求采用了RS485總線來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸H1。對于分站和監(jiān)控計算機(jī)距離較短的情況直接采用兩芯線將分站和通信接口連接起來。如果直接引兩芯線比較麻煩可以接入煤礦的電話網(wǎng)，在電話網(wǎng)的對應(yīng)端口接入分站和通信接口即可。如果礦上有比較完善的光纖網(wǎng)絡(luò)也可以借助光纖來進(jìn)行傳輸，在分站和通信接口分別接入光端機(jī)，一個接接收機(jī)，一個接發(fā)送機(jī)，這一對收發(fā)機(jī)再接入光纖網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)端口。RS485通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 水文監(jiān)測系統(tǒng)的各部分組成

2.1 智能傳感器組成

圖2 RS485通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

智能傳感器是負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的底層設(shè)備，并且還能將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送到上層的信號轉(zhuǎn)換分站。

傳感器部分將被測量的物理量（如溫度、壓力等）轉(zhuǎn)換成電壓或者電流，然后經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入MCU。MCU將得到的數(shù)字量進(jìn)行處理然后通過通信電路將其發(fā)給總線，信號轉(zhuǎn)換分站就可以通過總線接收到所需要的數(shù)據(jù)。

2.1.1 信號調(diào)理電路

因為不同種類的傳感器將各種非電量轉(zhuǎn)化為電量輸出形式不同，所以不同的智能傳感器的信號處理電路也有所不同。有的傳感器可以直接輸出數(shù)字量，然后就可以直接送入單片機(jī)，然后通過編程的方式對信號進(jìn)行處理[3]。有的則輸出為模擬量，需要通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后再將其送入單片機(jī)進(jìn)行處理。下面以智能水壓傳感器為例介紹一下模擬量采集的信號調(diào)理電路。

智能水壓傳感器的測壓探頭是一個電阻隨壓力變化而產(chǎn)生變化的元件，將其與另外三個阻值已知的精密電阻組成電橋。

隨著水壓的變化傳感器受壓元件阻值就會發(fā)生變化，進(jìn)而引起電橋輸出端電壓（UAB）發(fā)生變化。而信號調(diào)理電路要做的工作就是把電橋的輸出電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換所采用的主要元件為AD7705。

AD7705可工作在2.7 V至3.3 V或4.75 V至5.25 V電壓下，內(nèi)部含有六個寄存器：通訊寄存器、設(shè)置寄存器、時鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、零標(biāo)度寄存器、滿標(biāo)度寄存器。通訊寄存器用來選擇模擬電壓的輸入通道，以及操作的目的寄存器和對目的寄存器的讀寫類型。設(shè)置寄存器用來進(jìn)行校準(zhǔn)模式、輸入極性、增益倍數(shù)以及緩沖模式的相關(guān)設(shè)置，時鐘寄存器則主要用來選擇濾波器和控制時鐘。

2.1.2 微控制器選擇和通信電路

智能傳感器選用P89LPC93作為微控制器，該芯片串口始終處于工作，而且功耗比較低，指令執(zhí)行速度快，適合智能傳感器這種低功耗，效率要求高的場合。這種芯片的集成度較高，有利于減少外圍器件的數(shù)量以及電路板面積和成本。

智能傳感器與信號轉(zhuǎn)換分站之間采用的m-bus總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通信電路主要通過TSS721芯片將單片機(jī)接入m-bus總線。這樣通信電路就能適應(yīng)m-bus總線的主機(jī)與從機(jī)之間不同的電壓。為了防止單片機(jī)與通信電路之間相互干擾采用光耦器件6N139隔離單片機(jī)和芯片TSS721，這樣以來電路的可靠性和穩(wěn)定也得到了提升。TSS721可以辨別動態(tài)電平，這種動態(tài)電平辨別機(jī)制可以增加通信電路的可適用性。

2.2 信號轉(zhuǎn)換分站的結(jié)構(gòu)組成

信號轉(zhuǎn)換分站是整個系統(tǒng)中起到信息集中和轉(zhuǎn)發(fā)樞紐作用的重要設(shè)備，它可以將分布在不同測點的智能傳感器測量得到的數(shù)據(jù)接收過來并轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控計算機(jī)，是連接底層智能傳感器和上層監(jiān)控計算機(jī)的通信節(jié)點。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖5。

分站由防爆電源提供24 V的直流電壓，可以分為單片機(jī)、通信模塊、存儲模塊、顯示模塊、時鐘模塊、以及隔離模塊六個部分。單片機(jī)接收傳感器通過m-bus總線發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然后再將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計算機(jī)。單片機(jī)可以通過控制開關(guān)來控制的m-bus模塊的工作狀態(tài)，傳感器的分時依次循環(huán)上電也是通過單片機(jī)發(fā)送地址匹配信息來完成的。

信號轉(zhuǎn)換分站的通信模塊是采用RS485總線實現(xiàn)通信的，通信總線主要有三種不同的實現(xiàn)形式。一是直接采用兩線制的RS485總線方式進(jìn)行通信，二是接入礦井的電話網(wǎng)，通過比較完善方便的電話網(wǎng)進(jìn)行通信，還可以利用現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，即將分站接在光端機(jī)的發(fā)送機(jī)，然后在通信接口端接入光端機(jī)的接收機(jī)，這樣就可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2.3 通信接口結(jié)構(gòu)組成

信號轉(zhuǎn)換分站傳送出來的信號為RS485信號，由于監(jiān)控計算機(jī)沒有RS485接口所以不能直接識別該信號，需要將RS485信號轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能識別的RS232信號。通信接口就是完成這一信號轉(zhuǎn)化過程的設(shè)備，通信接口主要分為兩大部分：信號轉(zhuǎn)換電路和本安型電源電路。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 通信接口組成框圖

分站的供電由本安電源電路提供，為各個元器件提供所需電壓。監(jiān)控計算機(jī)發(fā)送的RS232信號進(jìn)入通信接口，通信接口的信號電平轉(zhuǎn)化電路可以先將其轉(zhuǎn)化為TTL電平信號，然后再轉(zhuǎn)化為RS485電平信號。而分站發(fā)送的RS485信號送入通信接口，就可以先轉(zhuǎn)化為TTL電平信號，然后再轉(zhuǎn)化RS232信號，這樣就實現(xiàn)了分站和監(jiān)控計算機(jī)之間的通信。

單片機(jī)是整個通信接口的控制和信號轉(zhuǎn)換中樞，因為通信接口既要和分站通信又要和計算機(jī)通信，為了減少設(shè)計的繁瑣度單片機(jī)采用了具有雙串口的W77E58。

RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換電路的核心元件為SP202。SP202是一種RS232標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)芯片，采用+5 V供電，不僅支持RS232協(xié)議還支持V.28串行協(xié)議。SP202的傳輸速率比較快，可以達(dá)到至少120 kb/s的速率。芯片外圍的電荷電容為0.1 μF，可以實現(xiàn)芯片的低功耗運行。SP202與單片機(jī)的連接方式也比較簡單，SP202的T1IN和R1OUT接到單片機(jī)的TXD1和RXD1，而SP202的T1OUT和R1IN分別接到RS232的TXD和和RXD即可。由于該芯片的集成度較高，外圍電路所需器件比較少，連接簡單，所以抗干擾能力比較強[4]。

TTL到RS485電平轉(zhuǎn)換電路所用的芯片為MAXl483。MAXl483是MAXIM公司生產(chǎn)的一款標(biāo)準(zhǔn)RS485接口芯片，其輸入阻抗高，靜態(tài)電流低，可掛載節(jié)點數(shù)量多（可達(dá)256個），適合將多個RS485設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)使用。MAXl483與單片機(jī)的連接方式也比較簡單，只需要將選擇發(fā)送接收狀態(tài)端RE和DE兩個引腳連在一起，然后通過光耦元件和單片機(jī)I/O口連接，這樣就可以通單片機(jī)控制其工作狀態(tài)。R0和D1分別接收發(fā)送端，也通過光耦與單片機(jī)的RXD、TXD連接。

2.4 監(jiān)控軟件的組成與功能

監(jiān)控軟件安裝在服務(wù)器上（監(jiān)控計算機(jī)），用來顯示并監(jiān)測從傳感器測量得到的各項水文數(shù)據(jù)，而且還可以對各項數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析并存儲在服務(wù)器硬盤上。除此之外還可以通過監(jiān)測軟件對分站、傳感器進(jìn)行分類、命名等初始化操作，其他客戶端計算機(jī)遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器也是通過監(jiān)測軟件來完成的。

監(jiān)控計算機(jī)要作為服務(wù)器來使用，所以預(yù)裝了windows 2003 sever網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，而監(jiān)控軟件就是基于windows開發(fā)的。軟件的開發(fā)同時運用了ASP．net動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)語言、JavaScript、VBScript三種不同的語言，并用SQLserver2000數(shù)據(jù)庫對各項水文數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。ASP．net是一個已編譯的基于．net的環(huán)境，它是功能最強大最完整的網(wǎng)頁編輯工具。VBScript是VisualBasic script的簡稱，是ASP動態(tài)網(wǎng)頁默認(rèn)的編程語言，配合ASP內(nèi)建的對象和ADO對象。JavaScript是一種面向?qū)ο蟮膭討B(tài)類型的區(qū)分大小寫的客戶端腳本語言。SOLserver2000是微軟推出的一種應(yīng)用比較廣泛的數(shù)據(jù)庫管理軟件，可以比較方便的對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)，在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)中的使用也比較普遍。

監(jiān)控軟件的研制以簡潔性、實用性、通用性和易操作性等為原則，整個監(jiān)控軟件系統(tǒng)要實現(xiàn)眾多功能，涉及多個方面，程序編制工作相當(dāng)復(fù)雜，為簡化系統(tǒng)的設(shè)計，減少錯誤，采用模塊化設(shè)計方式。這樣將整個軟件分為幾個不同的模塊，然后再逐個模塊完成，最終組合成一個完整的程序，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。整個軟件的模塊化框圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測軟件的框圖

搜索傳感器模塊用來搜索各個分站所掛載的傳感器，巡測分站模塊用來檢測通信接口所連接的分站，數(shù)據(jù)處理模塊對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析并存儲在服務(wù)器硬盤，系統(tǒng)設(shè)置模塊用來設(shè)置分站的名稱、地點和分站編號以及傳感器的編號、類型、地點和所屬分站等，數(shù)據(jù)瀏覽模塊對其他客戶端計算機(jī)訪問服務(wù)器提供支持。

3 結(jié)論

文監(jiān)測系統(tǒng)能有效地收集各個測點傳感器的數(shù)據(jù)，具有實時性、便捷性的特點，可大大節(jié)省人工測量所浪費人力財力和物力，并且可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，為水文災(zāi)害分析和預(yù)測提供保障。隨著新技術(shù)新手段的應(yīng)用和人們對水害的重視，礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和智能化程度會有很大的提高。