基于STM32的多功能礦燈設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

段海貝

(山西焦煤 西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 東曲煤礦，山西 古交 030200)

0 引言

隨著煤礦井下設(shè)備智能控制、巷道環(huán)境感知以及井下無(wú)線通訊技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用,智能型礦燈除發(fā)揮照明基本作用外,還需具備的功能為[1-3]:①巷道環(huán)境感知能力,即能夠?qū)崟r(shí)采集巷道瓦斯?jié)舛刃畔ⅰ⒕氯藛T定位信息并對(duì)監(jiān)測(cè)到的異常狀態(tài)發(fā)出預(yù)警;②組網(wǎng)通訊能力,即能夠?qū)@取的巷道環(huán)境數(shù)據(jù)、人員狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息通過(guò)無(wú)線通訊傳送至地面調(diào)度室,同時(shí)可以接收并處理地面調(diào)度室下發(fā)的控制指令;③人機(jī)交互能力,即能夠通過(guò)本地按鍵對(duì)礦燈進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置,也可手動(dòng)上傳巷道環(huán)境異常至地面調(diào)度室,同時(shí)能夠在本地實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的顯示巷道環(huán)境參數(shù)、人員定位以及礦燈本體基本信息。本文基于STM32控制器,設(shè)計(jì)多功能礦燈,解決東曲煤礦在用礦燈存在的功能單一、功耗高、無(wú)線通訊丟包率大的問(wèn)題,提升礦燈的智能化水平。

1 礦燈硬件設(shè)計(jì)

多功能礦燈硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,主要由主控芯片模塊、傳感器模塊、通訊模塊、人機(jī)交互模塊以及電源管理模塊五部分組成。

圖1 多功能礦燈硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1 主控芯片模塊

主控芯片STM32L151VET6基于ARM Cortex-M3內(nèi)核,采用100引腳LQFP封裝[4,5],支持8個(gè)定時(shí)器、16通道3個(gè)ADC、2個(gè)CAN接口等,滿足多功能礦燈硬件設(shè)計(jì)要求。

1.2 傳感器模塊

瓦斯傳感器選用催化燃燒式MC112型瓦斯?jié)舛葌鞲衅?具有反應(yīng)速度快、重復(fù)性好、可靠性高和工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

人員狀態(tài)檢測(cè)由MPU6050加速度傳感器實(shí)現(xiàn),通過(guò)精確跟蹤快速、慢速運(yùn)動(dòng)檢測(cè)礦工姿態(tài),進(jìn)而判斷礦工是否處于安全狀態(tài)。

1.3 通訊模塊

低功耗LoRa無(wú)線通訊模塊型號(hào)為F8L10,基于LoRa TM擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù),可實(shí)現(xiàn)-148 dBm的高靈敏度以及20 dBm的功率輸出[6],可用于1 km～3.5 km超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻光通訊,且兼顧功耗及抗干擾問(wèn)題。

LoRa無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)選用的型號(hào)為L(zhǎng)oRa-F8926-TL,支持多種WAN連接方式,支持無(wú)線蜂窩/有線WAN雙鏈路智能切換,支持WEP/WPA/WPA2等多種加密模式,支持LoRa網(wǎng)絡(luò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能。

1.4 人機(jī)交互模塊

礦燈人機(jī)交互模塊由多路按鍵、OLED液晶顯示電路組成。設(shè)置的按鍵有開(kāi)機(jī)/關(guān)機(jī)鍵、復(fù)位鍵、向上鍵、向下鍵、對(duì)講鍵和拍照鍵,用于查看OLED液晶顯示器中顯示的多頁(yè)數(shù)據(jù);同時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)報(bào)警、對(duì)講以及拍照。OLED液晶顯示電路與STM32L151VET6芯片的RS485通訊端口相連,完成礦燈所有數(shù)據(jù)收發(fā)功能。

1.5 電源管理模塊

礦燈輸入電源為3.7 V/10 A·h鋰電池,通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路可提供3.3 V、-3.3 V以及2.8 V三種電壓等級(jí)需求,電源管理模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電源管理模塊結(jié)構(gòu)圖

2 礦燈軟件設(shè)計(jì)

礦燈軟件系統(tǒng)基于Keil MDK5開(kāi)發(fā)環(huán)境,基于Free RTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)管理,實(shí)現(xiàn)多功能礦燈的巷道環(huán)境感知、組網(wǎng)通訊以及人機(jī)交互功能,分別編寫(xiě)礦燈主程序、傳感器數(shù)據(jù)處理程序、通訊程序以及人機(jī)交互程序。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

礦燈軟件系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示,Free RTOS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高、功耗低、占用資源少的特點(diǎn),符合礦燈成本與功耗受限的應(yīng)用場(chǎng)合?；贔ree RTOS操作系統(tǒng),建立多任務(wù)線程,根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度,滿足多功能礦燈實(shí)時(shí)響應(yīng)要求。

圖3 礦燈軟件系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程

2.2 傳感器數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

STM32L151VET6芯片完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換以及閾值判斷等。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸藓?生成瓦斯?jié)舛瘸扌盘?hào)量并提交給Linux操作系統(tǒng),啟動(dòng)瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警任務(wù)。

2.3 通訊程序設(shè)計(jì)

STM32L151VET6芯片將采集并處理后的巷道數(shù)據(jù)傳送至LoRa無(wú)線通訊模塊,由LoRa無(wú)線通訊網(wǎng)關(guān)基于UDP(User Datagram Protocol)協(xié)議傳送至井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)。采用UDP通訊協(xié)議傳送時(shí)設(shè)計(jì)主動(dòng)上傳、輪詢喚醒兩種工作模式:①主動(dòng)上傳工作模式即礦燈系統(tǒng)通電并接入LoRa無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)后自動(dòng)周期性地向LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù),LoRa網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后自動(dòng)回復(fù)LoRa無(wú)線通訊模塊,同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)立即傳送至井下工業(yè)環(huán)網(wǎng);②輪詢喚醒工作模式即由LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令喚醒LoRa無(wú)線通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳送過(guò)程,否則LoRa無(wú)線通訊模塊處于休眠狀態(tài)。

2.4 人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)

STM32L151VET6芯片將采集并處理后的巷道環(huán)境數(shù)據(jù)以UDP Socket通訊模式發(fā)送給OLED液晶顯示上位機(jī)。上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)按照通訊協(xié)議進(jìn)行解析并轉(zhuǎn)換為本地變量存儲(chǔ)至Mysql數(shù)據(jù)中,同時(shí)進(jìn)行顯示。上位機(jī)界面程序設(shè)計(jì)采用C#語(yǔ)言在Visual Studio 2013開(kāi)發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)有主界面、巷道環(huán)境數(shù)據(jù)界面、按鍵信息界面和報(bào)警信息界面等。

3 礦燈試驗(yàn)

在山西焦煤西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲煤礦12305掘進(jìn)工作面中段500 m范圍內(nèi)分別完成設(shè)計(jì)并進(jìn)行了多功能礦燈巷道環(huán)境感知功能試驗(yàn)和組網(wǎng)通訊功能試驗(yàn)。

3.1 巷道環(huán)境感知功能試驗(yàn)

在12305掘進(jìn)工作面中段500 m范圍內(nèi)每隔50 m放置1個(gè)礦燈,共11個(gè)礦燈,實(shí)時(shí)采集1#、2#、3#共3處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛?。根?jù)實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛壤L制瓦斯?jié)舛惹€,如圖4所示。當(dāng)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛戎党鲱A(yù)警報(bào)警值后,觸發(fā)聲光語(yǔ)音報(bào)警。當(dāng)井下工人按下緊急救援按鈕后能夠向地面調(diào)度室發(fā)出救援及位置信息。同時(shí),該多功能礦燈能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)巷道環(huán)境內(nèi)的CO、CO2以及溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖4 巷道瓦斯?jié)舛炔杉?/p>

3.2 組網(wǎng)通訊功能試驗(yàn)

在12305掘進(jìn)工作面中段500 m范圍內(nèi)布置60個(gè)多功能礦燈以及1個(gè)LoRa智能網(wǎng)關(guān),分別測(cè)試并統(tǒng)計(jì)1、20、40、60個(gè)多功能礦燈以LoRa通訊方式經(jīng)LoRa通訊網(wǎng)關(guān)同時(shí)向地面調(diào)度室發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的丟包率、時(shí)延。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:該礦燈數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小于100 ms,丟包率小于4%,滿足礦燈設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

(1) 本文設(shè)計(jì)了以STM32L151VET6芯片為核心的礦燈硬件、軟件控制系統(tǒng),在滿足礦燈照明功能的前提下,應(yīng)用礦燈可實(shí)現(xiàn)巷道環(huán)境感知、組網(wǎng)通訊以及人機(jī)交互功能,實(shí)現(xiàn)了礦燈的多功能化。

(2) 完成了多功能礦燈試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明:該多功能礦燈具有低功耗、高數(shù)據(jù)采集精度、低通訊丟包率的特點(diǎn)。

(3) 本文設(shè)計(jì)的多功能礦燈為煤礦井下設(shè)備智能化以及煤礦井下安全、高效開(kāi)采提供了參考。