煤礦井下轉載機監測終端的研制

孫 磊，任賀賀

（1.中國礦業大學 網絡與信息中心，江蘇 徐州221000；2.兗礦集團有限公司 山東煤炭技術研究所，山東 濟南250000）

近年，煤礦井下的安全監測問題受到越來越多的關注。劉明智[1]等研制了煤礦井下氣體束管管路故障監測裝置并設計了系統標定的方法，確保了束管管路故障及時有效排除。劉偉[2]開發的煤礦機電設備震動監測系統，能夠采集煤礦井下設備震動信號，實現了對設備故障的早期診斷，降低了危險事故發生的概率。趙晨光[3]設計的刮板輸送機監測系統，實現了對井下物料傳輸設備的遠程實時監測。

井下轉載機是煤礦井下作業的必須設備。在井下作業的過程中，工作在轉載機周圍的人員存在不慎跌入機器中的隱患。如果未能監測到這種事故，并做出及時的響應，將造成不可挽回的損失。鑒于此，采用處理器技術、射頻傳感技術、傳感器網絡與軟件工程技術[4-7]，構建煤礦井下監測系統，并研制轉載機監測與控制終端。終端能實現對轉載機裝狀態的實時監測，對轉載機出現異常時進行斷電控制。

1 監測終端硬件

1.1 煤礦井下傳感器網絡

煤礦井下傳感器網絡如圖1，該網絡由監測終端、路由器節點、中繼器節點、交換機節點以及井上局域網絡構成。監測終端被安裝在轉載機的入口處，當攜帶電子標簽的井下作業人員不慎跌入轉載機時，監測終端上的射頻模塊能夠監測到電子標簽，從而控制電控箱切斷轉載機的電源并控制警笛與預警燈發出預警信號，同時通過傳感器網絡將井下突發狀況反饋到遠程監控端，以便采取應對措施。在正常的工作狀態下，監測終端能夠對轉載機危險區域進行實時的監測，并利用井下傳感器網絡將采集到的信息轉發到井上遠程監控端。

圖1 煤礦井下傳感器網絡Fig.1 Sensor network of underground coal mine

1.2 監測終端整體功能

監測終端的硬件由STM32WB55 主處理器及其驅動電路、電源管理部分、射頻識別模塊、串口通信電路、以太網接口、繼電器模塊與功能按鍵部分構成。監測終端硬件功能框圖如圖2，STM32WB55 主處理器是監測終端的控制中心，負責整個系統的調度；射頻天線、THM3060 射頻識別芯片與串口通信電路的組合實現了實時監測轉載機入口處的危險區域，并能在異常發生時將該信息轉發到監測終端；以太網接口由RJ45 端口與ENC28J60 芯片及其驅動電路組成，能將監測終端的數據轉發到井下傳感器網路，是監測終端與井下傳感器網絡連接的媒介；電源管理芯片為監測終端提供工作電壓，功能按鍵是監測終端其它功能的拓展；繼電器模塊能夠實現對警笛、預警燈與轉載機電控箱的控制，它與主處理器之間通過MAX485 協議實現數據通信。

圖2 監測終端硬件功能框圖Fig.2 Monitoring terminal hardware function block diagram

1.3 主處理器及外圍驅動電路

監測終端的主處理器為STM32WB55CCU6，該芯片內嵌應用處理器和網絡處理器，在網絡信號處理方面性能更優。同時，STM32WB55CCU6 基于低功耗的STM32L4 芯片，功耗進一步被降低[8-10]。其外圍電路主要包括：復位電路、在線編程電路、功能按鍵電路等。主處理器電路是監測終端的控制中樞，監測終端按照內置軟件系統的設定有條不紊地執行各項任務。

1.4 電壓轉換電路

監測終端利用了2 塊電壓轉換芯片，分別是AMS1117-5V 與AMS1117-3.3V。這2 塊芯片能為監測終端上提供5 V 和3.3 V 的工作電壓[11-13]。AMS1117-5V 電壓轉換電路的輸出是AMS1117-3.3V 電壓轉換電路的輸入，AMS1117-5V 電壓轉換電路的輸入是12 V 的直流信號。5 V 輸出電壓為MAX485ESA 等芯片提供工作電壓，3.3 V 輸出電壓為STM32WB55CCU6、THM3060、ENC28J60 等芯片提供工作電壓。5 V 與3.3 V 電壓作為信號源也能夠為監測終端上的三極管電路、芯片驅動電路等提供邏輯信號。電壓轉換電路如圖3。

圖3 AMS1117 電壓轉換電路圖Fig.3 AMS1117 voltage conversion circuit diagram

1.5 RS-485 通信電路

為了控制監測終端上繼電器，進而實現對警笛、預警燈以及轉載機電控箱的控制，設計并實現了RS-485 通信電路。MAX485ESA 驅動電路圖如圖4，MAX485ESA 芯片為RS-485 協議數據轉換芯片，其驅動電路由電阻R10、R11、R13、R14、R15，電容C10以及三極管PMBT3904 組成。RS-485 協議為通用的工業總線協議，在此基礎上，根據實際應用需求，設計監測終端的通信協議。此外，RS-485 協議具有抗干擾能力強、誤碼率低的特點[14-15]。

1.6 射頻識別模塊電路

THM3060 是監測終端上實現射頻識別功能的芯片，THM3060 射頻芯片電路圖如圖5。

圖4 MAX485ESA 驅動電路圖Fig.4 MAX485ESA driver circuit diagram

圖5 THM3060 射頻芯片電路圖Fig.5 THM3060 radio frequency chip circuit diagram

THM3060 內置接收放大和數字解調電路、時鐘電路、復位電路[16-18]。THM3060 的外圍電路由電阻R16、R17、R18、R19、R20，電容C11、C12、C13，電感L1、L2，二極管D3、D4以及三極管Q3等構成。THM3060 與主處理器間的通信方式為串口協議，根據射頻信號的特點，設計通信協議。在射頻芯片的基礎上，監測終端能夠監測到是否有作業人員跌入了轉載機的入口處。

1.7 以太網數據傳輸模塊

監測終端網絡傳輸芯片是 ENC28J60，ENC28J60 網絡芯片及驅動電路圖如圖6，ENC28J60的外圍驅動電路由晶振X1，電阻R21、R22、R23、R24、R25，電容C13、C14、C15等組成。指示燈LEDA 與LEDB可以表示網絡芯片的工作狀態。ENC28J60 網絡芯片能夠將監測終端采集到的信息轉發到井下傳感器網絡，進而傳輸到井上監控終端，同時將來自井上監控端的信號下達給監測終端。監測終端上的以太網數據傳輸模塊是連接無線傳感器網絡與各監測終端的數據通道。

2 監測終端軟件系統

圖6 ENC28J60 網絡芯片電路圖Fig.6 ENC28J60 network chip circuit diagram

采用C 語言開發監測終端的軟件系統，集成開發環境為keil5。將UCOS 操作系統移植到主處理器STM32WB55CCU6，在UCOS 系統框架中，開發監測終端的應用系統。監測終端集成了以太網數據傳輸協議、射頻數據傳輸協議與RS-485 通信協議。監測終端具體工作流程如圖7。

圖7 監測終端軟件工作流程圖Fig.7 Monitoring terminal software work flow chart

在為監測終端供電后，執行UCOS 操作系統初始化程序；執行主處理器、射頻模塊、網絡模塊等初始化程序；然后，主處理器檢測以太網模塊連接狀態是否就緒；接著，射頻模塊開始工作對轉載機入口進行實時掃描監測；當監測到作業人員身上攜帶的電子標簽時，就認為現場有作業人員不慎跌入轉載機。此時，監測終端控制電控箱將轉載機電源切斷，并釋放預警信號。與此同時，監測終端也會將預警信息及相關數據打包，通過井下傳感器網絡轉發到井上監控中心。為了降低監測終端功耗，在沒有按鍵或者事件觸發時，監測終端進入休眠狀態。

3 系統測試

首先進行了網絡節點間距離與丟包率關系的測試，包括：監測終端與路由器間、路由器與中繼器間、中繼器與交換機間。在煤礦井下實際的環境中，進行監測終端與路由器節點間距離與丟包率關系的測試，固定路由器，路由器通過網口與筆記本連接，監測終端放置在不同的距離上，監測終端向路由器發送500 個數據包，路由器收到監測終端發送來的數據后通過串口調試助手進行統計，并顯示收到的數據個數。同時記錄2 個節點之間的距離并記錄下來，每個定點測量距離通過3 次試驗取平均值，得到路由器接收到的數據個數。采用相同的方式測試了另外2 類節點間距離與丟包率的關系。把所有的數據匯總后得到了網絡傳輸節點間距離與丟包率關系（圖略）為:當2 個節點間距離在70 m 范圍內時，丟包率較低；在70～90 m 之間時，丟包率有所上升，在90 m 范圍內時，丟包率依然保持在可容忍的范圍內，增加必要的確認重傳機制，可以保障節點間的可靠通信。

此外，經過多次試驗，預警信號從監測終端傳輸到井上監控端的時間在5 s 之內，在井下傳感器網絡正常工作的情況下，這保證了井上監測人員能在5 s 內響應轉載機造成的事故。

4 結 論

研制了煤礦井下轉載機入口監測終端，采用STM32WB55 芯片作為終端的主處理器，硬件上實現了主處理器及其外圍驅動電路、電壓轉換電路、RS-485 通信電路、射頻識別模塊電路、以太網數據傳輸模塊電路等；終端的軟件實現了射頻信號的采集與處理功能、網絡的初始化與數據傳輸功能、設備的狀態控制功能以及其它相關業務功能。