基于STM32的矿井水文监测系统研究

马媛 王昊星 胡小旗

摘 要：煤炭资源的开采和利用长期以来一直是我国工业发展的重要基础，但是煤炭资源的开采大多工作于地下，并且周边地质水文环境较为复杂，这样便会给煤炭企业的安全生产带来不利影响。为此建立一种高效、稳定、准确且能够适应多种环境的矿井水文监测系统十分必要。文章主要对水文监测系统的组成、STM32对矿井水文监测的改进和应用，重点对矿井水文应用STM32单片机技术改善后的优势进行了简单阐述，可以为研究基于STM32的矿井水文监测系统提供一些参考。

关键词：STM32；矿井；水文监测系统

前言

煤炭资源长期以来一直是我国极为重要的自然资源，煤炭资源对于人们生活质量以及工业企业的生产有着极为重要的影响。我国是煤炭资源勘探大国，近些年越来越多的煤炭资源被开采，但与此同时，由于对矿井水文监测缺乏重视，常常会因为煤矿渗水和漏水引发许多矿井生产安全事故，为此加强煤矿矿井水文系统的监测具有十分重要的意义。随着现代信息技术的发展，一种以STM32微处理器为核心的矿井水文监测系统被开发和利用，基于STM32微处理器技术的信息平台将水位、水温、水压和流量等水文信息通过智能传感器监测再通过RS-485总线传送，并可以通过以太网与计算机系统实现共享，进而实现对矿井水文情况进行系统性、科學性以及实时性监测。

1 水文监测系统的组成

矿井水文监测系统组成包括传感器系统（其中包括智能水位传感器、智能水压传感器以及智能水位移传感器）、通信线路、监测分站、通信接口以及计算机系统。各类传感器完成对水文系统的各项数据监测，并通过总线和通信电缆进行传输，最终进入计算机系统。计算机系统是处理各项数据以及实现水文监测系统各项功能的核心，功能实现的主要内容包括各项数据的统一管理，测量间隔的任意设定，可查的历史数据和曲线，数据报警功能的实现等。水文监测系统储存、计算、处理并完成报警的数据一般包括：矿井各含水层的水位水压变化情况；矿井降水量及涌水量变化；矿井受害地点水文变化情况；矿井防水设备的维护情况；矿井排水系统的工况运行情况以及矿井周围地面地质钻孔水位及水温变化情况。经过多年的发展我国的水文监测技术已经达到了世界先进水平，尤其是在江河湖泊泥沙流域等的水文监测已经处于国际领先水平。但是在煤矿行业当中的水文监测系统方面依然还需诸多地方地方得到提高。主要体现在水文监测数据的实时性不够理想，上层服务器数据处理的配套系统还不够先进，在一些领域应经无法满足煤矿产业的水文监测要求，因此必须要建立和建设一种基于STM32的矿浆水文监测系统。

2 STM32对矿井水文监测的改进和应用

STM32是一种高性能ARM Cortex-M内核微处理器，其主要的优点是高性能、低功耗。基于STM32的矿井水文监测系统是一种充分利用先进传感器技术、微处理器技术以及现场总线技术的综合性技术，其主要是利用先进的传感技术将井下水温、水压、水位、及流量等巷道充水性和矿井涌水量等水文数据进行监测，测得的数据再通过现场总线技术、微处理器技术以及以太网传输到计算机系统内，按照相关的工艺要求等进行处理分析，从而实现煤矿企业对于矿井水文信息的监测，同时也能够为煤矿企业在生产过程中提供水害威胁报警，进而保证煤矿企业的安全高效生产。

基于STM32的矿井水文监测系统一般多采用多层次网络配置。第一层便是通过RS-485总线将各部分的智能传感器采集来的水文数据传送给通信分站，该通信分站就是以STM32为基础建立的平台。第二层便是将采集来的水文信息数据通过RS-485再次传到以太网模块当中去进而发送给第三层的计算机系统，计算机系统成为了数据的终端，依据接收到的信息数据建立各种水文信息监测和预警模型，通过模型的计算，便可以利用得到的计算指数和结果判断一些事故发生的可能性并发出预警。此外这些数据还能进行记录和保存，技术人员可以通过查询和分析历史数据进而进行精度分析和判断。随着现代信息技术的发展，其功能还可以延伸至互联网领域，得到广泛应用和发展。基于STM32的矿井水文监测系统的主要参数一般包括：系统的巡检周期小于30s；采用RS-485的总线以及工业以太网的接口形式；智能传感器数目可达到80个；采用异步通信的方式以及四芯通信电缆速率可达15200bps，误码率小于0.000001。因此便可以在较短的时间内甚至实时的监测矿井的降水量，水域流量变化以及矿井含水层水位及水压的变化。矿井水文监测系统可以根据水文综合变化情况对矿井所可能遭到的危害进行提前预警，这不仅达到监测的目的，更保证了矿井的安全生产。

3 矿井水文应用STM32单片机技术改善后的优势

基于STM32的矿井水文监测系统与传统矿井水文监测系统相比较，其在设计和功能上具有十分突出的优势。基于STM32的矿井水文监测系统不仅拥有通用的通信分站、组网等功能，更为重要的是其因拥有高性能ARM Cortex-M内核微处理器使得信息数据的采集速度得到了飞速提高，并且减轻了计算机系统的工作负载。采用RS-485总线通信的方式将智能传感器采集的信息数据传送给通信分站，数字信号在没有改变形式的情况下直接传送，从而提高了各项信息数据的可靠性。采取该方式的另一项优势便是使得智能传感器以及通信分站在安装位置上可以不受模拟信号传输的距离限制，因而增强了基于STM32的矿井水文监测系统的整体灵活性。

由于STM32的矿井水文监测系统建立了通信分站因此其可以RS.485和以太网网络将各个智能传感器测量的水文参数传送给上位机，由于系统配备了高性能ARM Cortex-M内核微处理器因此其具备了建立突水模型的条件。这样一来上位机便可以利用STM32单片机的强大功能优势使得突水模型起到数据测量、传输、计算处理以及报警的功能。由于突水模型的建立以及STM32单片机的应用，使得水文数据可以直接在服务器当中进行读写和处理。这样便可以快速运行算得出突水指数。在生产实际的过程中，利用生产实际经验将突水指数设定一些阀值，这样便可以将煤矿作业区划分为突水危险区、可能突水区和安全区三类，这样通过检测数据计算得出的情况与实际情况相互对比，进而逐步建立正确的模型。由于在这一过程当中需要海量的数据反复进行运算和对比而这一切都离不开基于STM32单片机的超强计算能力，如果没有基于STM32单片机系统，矿井水文监测系统的突水模型将很难被建立。

4 结束语

综上所述，基于STM32的矿井水文监测系统是一种可以高效、稳定、准确采集和处理矿井水文信息数据、实现网络共享的信息系统。由于所有数据均通过数字信号传送，STM32单片机的超强计算能力使得其安全可靠性得到大幅提升，建立的可编程模型使得该系统可以对一些典型事故进行预警，并对矿井水文的各项数据参数进行实时监视，从而充分及时的掌握矿井水文动态，这一平台不仅提高了水文监测工作的效率和可靠性，更为重要的是它能为煤矿企业的安全生产提供更坚实的保障。

参考文献

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