基于CAN 總線的煤礦監控系統研究

尹建龍，郭秀娟

（吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林 長春 130118）

0 引言

隨著我國煤炭能源消耗的不斷增加，煤礦安全事故時有發生，因此煤礦監控是安全生產的重要環節。我國傳統的煤礦監控系統利用RS-485 總線進行數據傳輸，傳輸速度慢、距離短、定位精度低、集成度低、成本高[1-3]。在此背景下，本文中的煤礦監控系統以CAN 總線技術為基礎，將井下各個節點組成網絡，使上位機準確有效地對井下監控分站進行實時監控，利用CAN 總線的特性提高系統的可靠性，并且該系統以STM32 單片機為井下監測分站控制核心，結合多傳感器監測井下環境參數及人員RFID定位，CAN 總線將井下數據傳輸給上位機，上位機采用組態王進行設計以實現人機交互。

1 系統總體方案

針對煤礦井下復雜的環境，本文提出基于CAN總線的煤礦監控系統，包括信息采集電路、井下監測分站、CAN 總線通信網絡及上位機4 部分。煤礦監控系統設計方案如圖1 所示。從圖1 中可以看出：井下監測分站外接RFID 收發器和多個傳感器用于采集井下實際環境參數和人員位置信息，并傳給監測分站進行分析處理，若監測到實際環境參數超過預設值，則進行聲光報警，監測分站與上位機通過CAN 總線實現數據通訊，并在上位機進行數據顯示、儲存，若監測到井下區域環境參數超限，則將報警信號通過監測分站傳給井下工作人員，及時限制工作人員進入危險區域，實現報警裝置與人員定位聯動。

2 系統硬件設計

在本文的煤礦監控系統中，硬件選型主要包括單片機模塊、CAN 總線模塊、RFID 接收模塊、傳感器模塊等。井下監測分站主要以STM32 單片機為控制核心，系統具有數據采集、超限報警、人員跟蹤定位、聯動控制等功能，其系統硬件結構如圖2 所示。

2.1 CAN 總線模塊

CAN 總線控制器選用SJA1000 獨立控制器來實現數據發送和接收的任務，該控制器支持CAN2.0B 協議，采用低電平復位，可以支持11 位和29 位識別碼。收發器選用82C250，該收發器具有對CAN 總線差動發送和差動接收的功能，通信速率可達1 Mbit/s。為了增強抗干擾能力，本系統在CAN總線控制器SJA1000 和收發器82C250 之間增加了1 個高速光耦器86N137，實現CAN 總線節點之間的電氣隔離[4]。電路連接如圖3 所示。CAN 總線多采用主控制模式，按照優先級處理各單元發送的信息，糾錯方式為CRC 校驗，通訊介質采用雙絞線，傳輸距離最遠可達10 km，較傳統的RS-485 總線，傳輸距離遠，抗干擾性強，適宜井下信號傳輸。

2.2 RFID 模塊

RFID 模塊選用nRF24L01 單片射頻收發器，該收發器內部集成了功率放大器、晶體振蕩器等多個模塊，具有125 個可選頻道和多種低功率工作模式，實現多點通訊和調頻，與STM32 單片機通過SPI口連接來完成數據通信功能。較藍牙、WIFI 數據傳輸距離更遠。其電路原理如圖4 所示。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括溫濕度傳感器和煙霧、溫濕度、CO，CH4氣敏傳感器。溫濕度傳感器DHT11 是一種以數字信號為輸出，集溫濕度于一體的復合型傳感器，該傳感器采用單總線數據格式與單片機進行通信，僅需要1 個I/0 端口，采用校驗和的方式進行校驗，精度高，響應速度。為提高其穩定性，本系統在數據端（DATA）與電源（VDD）之間加上拉電阻。其連接如圖5 所示。

氣敏傳感器選用 MQ-7，MQ-4，MQ-2 分別對CO，CH4、煙霧濃度進行數據采集。MQ 系列傳感器多采用半導體為敏感材料，響應恢復快，可靠穩定，高度集成。MQ-2 型傳感器檢測范圍廣，對煙霧、烷及天然氣具有極高的靈敏性，該傳感器在使用前要進行預熱。MQ-2 煙霧傳感器的第4 引腳經過比較器、與非門和單片機相連，輸出隨濃度變化的直流信號，若檢測到煙霧，則輸出低電平，濃度越大，其電導率越高，電阻越小，輸出電壓也會相應增大。MQ-2 工作原理如圖6 所示。

圖5 DHT11 連接圖

圖6 MQ-2 工作原理

2.4 單片機模塊

本系統選用STM32 單片機作為井下監測分站的控制核心，在傳感器采集模塊和CAN 總線模塊之間承擔著中轉站的角色，STM32 單片機是基于ARM公司cortex-M 的32 位的微控制器, 較傳統的51 系列、AVR 系列的微控制器,STM32 單片機具有更多的寄存器和外設功能,高性能、低功耗,時鐘頻率可達72 MHz，支持以太網、USB 和CAN2.0B 等多種外設接口同時工作。

3 RFID 定位及算法

RFID 系統主要由 3 部分組成：RFID 標簽、RFID 讀寫器和通信網絡。單片機外接RFID 讀寫器，通過已知位置的讀寫器對儲存著編碼信息的被測標簽進行定位。定位方法選擇基于測距的RSSI定位，并結合優化后的LANDMARC 算法對井下人員進行定位跟蹤。RSSI 定位是利用RFID 標簽發出無線電信號隨距離的增大而有規律的衰減來計算RFID 標簽與讀寫器的距離，以此實現井下人員的定位。

LANDMARC 算法的基本原理是實時讀取待定位標簽和參考標簽的RSSI 值，并通過歐幾里得公式計算待定位標簽和參考標簽的距離，根據RSSI的相似程度比較Emn，選擇最小的前k 個參考標簽，并計算這k 個參考點的權重，從而對待定位標簽的坐標進行加權估算[5-6]。歐幾里得公式為：

式（1）中，系統設有 R 個 RFID 讀寫器，N 個待定位標簽，M 個參考標簽，Emn表示第n 個待定位標簽與第m 個參考標簽的歐氏距離，m；Smr為第m 個參考標簽在讀寫器r 處的RSSI 值，Snr為第n 個待定標簽在讀寫器r 處的RSSI 值。

由于煤礦井下環境復雜，干擾因素多，傳統的LANDMARC 算法定位準確度欠佳，因此本系統加入自適應k 值算法來優化LANDMARC 算法，依據多個參考標簽的權重，分別計算不同k 值下參考標簽和待定位的坐標并且計算誤差ek，當ek 最小時，取kbest個參考標簽計算待定位標簽的坐標，以此來減小井下工作人員的定位誤差。在不同k 值情況下進行算法仿真，誤差值如圖7 所示。k 值優化前后，仿真結果如圖8 所示。

圖7 不同k 值下待定位標簽誤差值

由圖8 可知，當選擇合適的k 值時，LANDMARC 算法優化前后，定位誤差有較大差別。優化前，60%的待定位標簽的定位誤差在0.8 m 以內，而優化后其定位誤差在0.54 m 以內。定位誤差在0.8 m 內的待定位標簽，優化前為60%，而優化后為80%，經上述分析，LANDMARC 算法在優化后，定位精度得到提高。

圖8 k 值優化前后誤差分析

4 系統軟件設計

4.1 下位機軟件設計

根據煤礦井下監控系統的功能要求，下位機程序設計選取Keil uvision5 進行軟件編程，主程序工作步驟如下：

1）對整個系統進行初始化設置。

2）設置報警上下限，錄入人員信息。

3）進行數據采集，井下數據采集包括兩部分：一部分是采集井下CO，CH4、煙霧、溫濕度等環境參數，另一部分是通過井下人員所攜帶被測標簽發出應答信號的功率損耗來采集井下人員位置信息。

4）將采集的實際數據與設定的報警參數相比較，若超限則進行聲光報警。

5）數據儲存，并將數據經CAN 總線轉RS-485模塊傳輸給CAN 總線。

4.2 上位機軟件設計

井上檢測中心選用工業監控軟件組態王進行上位機設計，其主要有對數據顯示儲存、分析處理、圖形界面設置等功能。組態王通過CAN 總線與單片機進行交互, 井下所有采集的數據可以實時上傳到上位機的歷史庫表。在組態王歷史庫中，可以查詢井下人員位置信息、溫濕度、CH4 濃度等歷史數據。此外，上位機對接收的數據進行分析處理，并判斷是否通過下位機向井下工作人員發出報警信號。以東北某煤礦為例,上位機超限報警設置界面、煤礦綜合監控系統模型分別見圖9～圖10。

圖9 上位機超限報警設置圖

圖10 煤礦綜合監控系統模型

5 結論

本文將CAN 總線技術應用于煤礦監控系統中，對煤礦監控系統的硬件、軟件進行設計，詳細闡述了系統的總體設計、RFID 人員定位算法、CAN 總線模塊選型、下位機軟件設計。本系統可實時監控煤礦環境及井下人員位置，并根據井下環境及時對工作人員發出報警信號，提高了定位的準確度，降低了煤礦事故發生的可能性。同時本系統采用CAN 總線通訊方式，增強了系統的抗干擾能力，數據傳輸既快又準，穩定性好，為其他煤礦監控系統的研究提供借鑒和參考。