基于STM32的礦用監控分站研究與設計

安徽理工大學電氣與信息工程學院 劉 歡

煤礦監控分站是整個礦山檢測系統中較為重要的組成部分，是連接井下傳感層與地面監控中心之間信息傳輸的橋梁，是將井下各類數據傳輸至監控中心的樞紐部分。本文設計了一種以STM32單片機為核心處理器的煤礦用監控分站，具有RS-485總線和以太網通訊接口，集信號采集、存儲、傳輸為一體功能，并對軟件部分采用嵌入式開發。大大提高了數據傳輸的精度和速度，對數字化、信息化礦山建設具有重大意義。

監控分站位于煤礦井下傳感層與地面監控中心之間，是整個煤礦監控系統的最前端，擔任著井下數據采集、存儲和運輸的重要任務。監控分站的數據采集精度和傳輸速度直接影響地面監控中心對井下工作環境檢測以及各類終端的運行控制，對煤礦安全生產具有重大意義。本文根據現代化煤礦安全生產以及數字化、信息化礦山建設要求，設計了一種以STM32系列單片機為核心處理器的礦用監控分站，主要分為硬件電路設計和嵌入式軟件開發。

1 礦山監控系統

煤礦監控系統主要由地面監控中心、監控分站、遠端傳感器三部分組成，其簡要結構框圖如圖1所示。傳感器主要類型有CO2傳感器、CO傳感器、甲烷傳感器，溫度傳感器，風速傳感器等，對井下各項指標進行檢測，并將數據傳給監控分站；監控分站主要任務是采集各類傳感器數據，并將其存儲打包然后發送給地面監控中心；地面中心站將監控分站傳輸的數據進行處理、顯示并建立數據信息庫，一遍工作人員根據所采集的數據信息對井下環境進行判斷，對煤礦安全生產具有重要作用。

圖1 煤礦監控系統結構圖

由于井下環境復雜，各種電磁干擾較強，對數據采集以及發送的要求較高，該分站在與傳感器通訊方面設計并采用了RS-485總線的結構，較大程度的降低了信息采集時的各項干擾。監控分站采用了以太網通訊方式與地面監控中心交互數據，大大提高了數據傳輸的效率。

2 監控分站電路結構設計

監控分站電路結構圖如圖2所示。

圖2 硬件電路結構圖

2.1 電源模塊

監控分站采用本安型12VDC電池供電，主要為分站和與分站相連接的外部傳感器供電，并設計了由主處理器控制的光電隔離電路來控制外部傳感器電源的通斷。

監控分站的電路的電壓等級主要分為5V、3.3V兩個等級，其中以太網通訊模塊的工作電壓為5V，設計電路時采用了LM2596S芯片（降壓型開關穩壓器）將12V電壓轉換為5V來作為以太網模塊的工作電源。

監控分站的硬件電路其他模塊的工作電壓為3.3V，通過LD1117芯片將5V電壓轉換為3.3V為核心處理器、數據存儲、顯示屏等電路模塊供電。

2.2 核心處理器

核心處理器采用意法半導體公司生產的STM32F103，具有成本低、功耗低、性能高、體積小等優點，數據處理速度快，并可以進行嵌入式軟件開發，軟件程序編寫更加簡單。

2.3 數據存儲模塊

該分站采用了存儲容量為16M的FLASH閃存，用來存儲系統程序以及各類數據，可以進行至少10萬次重復擦寫，并可以保存數據20年。

2.4 顯示模塊

分站外接了LCD液晶顯示屏，用來顯示分站工作狀況，以及外部傳感器工作狀態。為工作人員檢修提供了方便。

2.5 RS-485總線

監控分站采用了RS-485總線的方式與外部傳感器連接，構成數據采集單元，RS-485總線具有很強的抗干擾能力，并且使用方法簡單，能夠適應井下惡劣環境，并且能夠保持數據采集精度。

2.6 以太網通訊接口

監控分站與地面中心采用以太網通訊方式，提高數據傳輸效率和準確率，為地面工作人員提供了具有實時性的判斷依據。

3 分站軟件設計

分站采用嵌入式軟件開發，使用keil軟件進行程序編寫，系統軟件采用模塊化設計，便于后期操作系統的移植、調試從而提高程序利用效率。軟件設計流程主要為地面監控中心站向監控分站發出指令后，監控分站初始化并給各個模塊以及外部傳感設備配置參數，將數據采集后存入指定存儲器，LCD對數據參數進行顯示，并將數據回傳給地面監控中心。

結語：本文根據目前煤礦安全生產以及信息化礦山建設等實際情況，設計了以STM32F407單片機機為核心處理器的監控分站。設計了以RS-485總線的數據采集單元，較大程度的提高了數據采集精度；在分站與地面數據傳輸采用了以太網通訊，提高數據傳輸效率，為監控中心提供了更加具有時效性數據，進一步推動了煤礦信息化數字化建設，具有較高的實際應用價值。