基于STM32的煤礦采煤機器人智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了高效和精確的獲取煤礦采煤機器人的物理狀態(tài)數(shù)據(jù)，文章設(shè)計了基于STM32的智能化監(jiān)控設(shè)備，文章以ESP8266WIFI模塊實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)實時監(jiān)測為例，實現(xiàn)了作業(yè)人員通過手持設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的物理狀態(tài)信息，驗證了基于STM32的智能監(jiān)控系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：STM32 單片機 ?智能監(jiān)控系統(tǒng) ?煤礦環(huán)境 ?DHT11

目前，煤炭能源的消費在我國一次能源生產(chǎn)和消費中占70%，這充分說明了煤炭能源在我國能源中占有極大地位。當(dāng)下采煤機是煤礦產(chǎn)業(yè)最重要的機器，將機器人技術(shù)應(yīng)用于煤礦行業(yè)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)逐步實現(xiàn)無人智能化具有重要的意義[1]。但由于機器人的自身運行狀況會影響其采礦效率，也會對礦井下的環(huán)境安全造成影響，需要對機器人自身姿態(tài)、機器溫度等機器人自身物理量進(jìn)行監(jiān)控。例如采煤機上使用的制動器是盤形液壓制動器，該制動器在制動過程中，摩擦副會因為摩擦升溫，從而影響工作性能，因此實時檢測摩擦副的溫度具有必要性。除此之外，礦井下機器人的許多關(guān)鍵器件都需要對溫度進(jìn)行實時監(jiān)控，以保證井下采集工作的正常進(jìn)行。

本論文以溫濕度的檢測為例，分別通過串口、Wi-Fi模塊傳輸溫濕度信號，在電腦和手機上顯示出傳感器所處環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過單片機上的液晶屏幕，實現(xiàn)在液晶屏幕上的溫濕度數(shù)據(jù)的直接顯示，以代表對煤礦機器人相關(guān)物理量的檢測，因此監(jiān)控平臺傳感器將選擇溫濕度傳感器作為主要傳感器。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的基于STM32的實時溫度檢測系統(tǒng)，主要包括STM32系統(tǒng)、電源、溫度采集、顯示電路、ESP8266WIFI模塊以及上位機，其中溫度采集模塊采用數(shù)字溫度傳感器DHT11，顯示電路使用LCD1602液晶顯示器。我們選用WiFi模塊中STA模式，利用電腦開放熱點，使該模塊接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號到上位機的傳輸。

2監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1采集終端

目前市面上的許多STM32單片機都是以ARM公司生產(chǎn)的Cortex-M3為核心，其內(nèi)部資源豐富，且其內(nèi)部寄存器、外設(shè)功能等均優(yōu)于其它類型的單片機，因其為哈佛結(jié)構(gòu)，故而處理數(shù)據(jù)的速度更快。

STM32F103VET6是以ARM Cortex-M為內(nèi)核的32位微控制器。STM32F103增強型系列微控制器內(nèi)部集成了高性能的ARM Cortex-M3內(nèi)核，STM32系列有更高的中斷響應(yīng)速度，同時也兼具最低的功耗。

2.2 采集端傳感器

本文中的現(xiàn)場溫度采集模塊是以DHT11溫濕度傳感器為核心實現(xiàn)的，DHT型傳感器的組成有NTC測溫元件、電阻式感濕元件，其與8位單片機相連接，DHT11傳感器能夠在單一總線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速雙向傳輸，具有成本較低、穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點。DHT11溫濕度傳感器技術(shù)參數(shù)如表1所示：

單線制串行接口，使系統(tǒng)集 成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，可以實現(xiàn)對采煤機的溫度采集。

2.3電源模塊

為確保該系統(tǒng)對采煤機工作環(huán)境的長時間監(jiān)測，該系統(tǒng)采用USB接口對單片機進(jìn)行供電，提供穩(wěn)定電壓，將USB接口的輸入電壓轉(zhuǎn)化為5V電壓進(jìn)行供電，確保單片機的正常工作。

2.4顯示電路

本系統(tǒng)采用3.2液晶顯示屏，顯示分辨率為320*240，可以滿足使用需求，顯示屏采用ILI9341驅(qū)動芯片，帶有供電模擬電路，其工作溫度范圍為-40°C-85°C。

2.5ESP8266WIFI模塊

ESP8266目前是一個較為成熟并且具有一定穩(wěn)定性的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，它具備性能較高的無線SOC，不僅可以獨立運行，也能搭載在其他Host作為slave運行。ESP8266可用來做串口透傳、PWM調(diào)控、遠(yuǎn)程調(diào)控開關(guān)等用途。

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計與測試

本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的核心是其軟件部分。對應(yīng)于三種不同的應(yīng)用場景，我們將分別下載三種不同的程序代碼至單片機中。代碼編寫軟件采用了Keil uVision5，并使用C語言進(jìn)行代碼編程，此軟件自帶有編譯下載功能，完成后運用野火串口調(diào)試助手對單片機進(jìn)行調(diào)試。

3.1信號串口傳輸

在此系統(tǒng)設(shè)計中，我們首先將電腦與單片機相連，使用Keil uVision5將編譯好的程序下載至單片機。首先將系統(tǒng)的定時器、串口等所需配置初始化，而后調(diào)用子函數(shù)讀取傳感器測得的溫濕度信號，其中，讀取溫度的函數(shù)也為一死循環(huán)，不斷讀取刷新傳感器的信號。將程序下載至單片機，電腦端將能夠通過串口接收到DHT11采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。

3.2信號液晶傳輸

在此系統(tǒng)設(shè)計中，基本步驟與信號串口傳輸基本相似。將程序下載至單片機后，我們將能夠使溫濕度直接在單片機液晶板上進(jìn)行顯示。

3.3手機App控制

此信號傳輸方式較上兩種更具有應(yīng)用價值，編寫與下載程序步驟與上述步驟相似。它將使用單片機上的ESP8266模塊，ESP8266 WiFi模塊主要有三種不同的工作模式，此處主要使用AP模式，它將建立一個熱點，當(dāng)手機連接此熱點后，使用秉火物聯(lián)App輸入給定的IP地址以及端口號，即可在手機上實現(xiàn)對單片機上溫濕度數(shù)據(jù)信號的接收與顯示，并可以通過手機控制單片機上的不同顏色信號燈，還可以對單片機上的蜂鳴器實現(xiàn)控制。手機上顯示出傳感器所處環(huán)境的溫濕度，并通過手機端控制單片機的LED燈，使紅色LED燈處于常亮狀態(tài)。

4結(jié)束語

本文通過以STM32為核心，搭載DHT11傳感器、ESP8266WIFI模塊，通過軟硬件的結(jié)合，最終實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的本地檢測和網(wǎng)絡(luò)傳輸，具有實時性、可視性、可遠(yuǎn)程控制等特點，且STM32單片機具有很強的拓展性，可實現(xiàn)更多功能的拓展，本文驗證了溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的可行性，與實際應(yīng)用場景仍有較大差距，但此方向具有相當(dāng)?shù)氖褂脙r值前景，當(dāng)各功能模塊皆完善時，預(yù)能夠充分勝任復(fù)雜多變井下環(huán)境，配合于最先進(jìn)的5G建設(shè)，期待真正實現(xiàn)煤礦井下的無人化操作，為智慧礦山建設(shè)更添一份力量。

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作者簡介：邱贊，女，漢，湖南益陽，2001.01.17，大學(xué)本科，學(xué)生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。