低功耗远程监控系统的设计与实现

张 杰，席志成，汪 嵩

（1.中国舰船研究设计中心，武汉 430000；2.武汉船用机械有限责任公司，武汉 430000）

0 引言

煤矿井下条件十分复杂，水、火、瓦斯、粉尘、顶板等诸多因素都严重威胁着煤矿工人的生命安全，因此实时监控煤矿井下的这些危险因素，对于掌控井下环境，制定相应的安全防护措施，保证煤矿工人的生命安全极其重要[1]。本文设计的井下远程监控系统，就是针对矿井的复杂工作情况，实时监控井下的瓦斯浓度，氧气浓度，粉尘浓度，温度等关键量。

目前，传统的监控系统线路庞杂，可靠性差，功耗高，成本较高，且维护困难，扩展性差[2]。针对这些问题，本文基于无线通信技术[3]，设计了一种新型低功耗井下远程监控系统。本系统由井下单元节点处的智能检测装置、无线通信总线及终端设备三部分组成，监控系统将每一个井下单元的监控信息通过无限通信总线实时反馈给地面监控中心，监控中心对反馈信息进行实时分析并作出有效判决，实现实时准确掌控井下复杂环境的目的。当某一监控量的值超过给定的安全范围时，在节点处和监控中心同时报警，提示工作人员采取相应的紧急处理措施。采用无线通信方式实现信息交换，不需复杂的线路，可提高系统可靠性；采用分布式结构及网络化管理，易于系统维护及监控单元的扩展。针对无线通信装置具有独立电源、寿命短及在矿井下更换电池困难等问题，本文通过选择低功耗芯片，开发相应的低功耗模式程序，实现监控系统非工作时智能检测装置进入节能等待模式，从而降低系统的功耗，大大延长系统的使用寿命。通过理论分析和实验，对该系统的有效性和可靠性进行了验证。

1 系统总体方案设计

低功耗井下远程监控系统采用C/S结构，主要由节点处的智能检测装置、无线通信及终端设备三部分组成，如图1所示。每一个节点代表一个智能检测装置，它包括传感器组、单片机控制单元及无限通信接口单元。传感器组可以检测矿井的瓦斯浓度、氧气浓度、粉尘浓度、温度等关键量。由单片机控制单元对检测到的物理量信息进行分析处理，并将处理信息及决策结果通过无限通信接口输出，通过无线通信总线将数据输入终端设备。

终端设备（即上位机）由计算机和GSM模块组成。通过上位机软件对传输而来的信息进行综合分析，在上位机软件界面上展示各节点的监控信息，显示个节点处的安全状态及相应的语音报警，且将相应的监控信息及处理结果存入数据库。此外，上位机除了可接收监控信息外，也可以向其授权的节点直接发送设控和撤控等指令，通过上位机软件，可以设置某一节点为监控对象，也可以取消对某一节点的监控状态。

图1 系统总体方案图

2 系统的主要硬件设计

2.1 主控芯片

STM8S105C6采用高级STM8内核，具有三级流水线哈佛结构，支持扩展指令集，最高处理速度16MHZ，支持多串口通信，支持10位ADC数据采集，支持PWM输出，具有强大的I/O功能[4]。另外，STM8S105C6支持多个定时器中断，看门狗定时器，spi总线 ，I2C总线，外部中断。实际应用中，在不需要CPU运行，例如等待某外部事件时，该芯片具有的几个低功耗模式可用来节省能耗。STM8产品具有的3种主要低功耗模式如下：

1）等待模式：CPU停止工作，其他外部设备正常工作。

2）活跃停机模式：运行模式和停机模式之间的一种“混合”模式，进入活跃停机模式时，AWU计数器开始计数，AWU中断会根据配置好的固定时间间隔周期性的唤醒CPU，一旦产品回到运行状态，AWU计数器停止计数。

3）停机模式：所有设备停止工作。

由于使用的智能检测装置安装在矿井下的各个位置，特殊的工作环境要求智能检测装置能够自动完成检测任务，无需看守及人工维护，所以为了保证该装置能够长期工作，在监控系统不工作或者不需更新数据时，设置板子进入节能状态下的等待模式；当需要正常工作时，由内部或外部中断将STM8芯片唤醒进入正常工作模式，数据发送完毕后自动进入等待模式。

2.2 无线通信芯片

无线通信模块选用西门子公司GSM双模无线数据收发模块TC35，该模块提供了标准的AT命令接口，支持语音和短消息的传输[5]，支持RS232通讯接口，工作温度为-20℃～+55℃，由天线连接器连接外部天线。

2.3 低功耗实现电路

图2 TC35通断电控制电路

由于TC35在检测到基站信号后具有高达50mA工作电流，为降低功耗，故在非工作状态是不应该给TC35持续供电，为此，需要一个控制电路控制是否给其供电，当需要发送无限通信信号时，通过触发信号使TC35通电正常工作；当信号发送完成后，TC35实现自动断电，实现降低功耗的功能。具体的控制电路如图2所示。当PB8是低电平时，两个三极管都不通，Vout=0v，TC35处于断电不工作状态；当PB8置高电平时，两个三极管都导通，Vout=Vin，TC35处于通电正常工作状态。

2.4 数据采样电路

智能检测装置中的传感器采集数据时，周围的一些干扰信号对采样精度的影响较大，为此，外围电路中加入了π形滤波电路、滤波去耦电路，并通过放大器将采样信号进行放大，提高采样精度。采样电路如图3所示。

图3 采样电路图

2.5 控制系统硬件组成

控制板主要由STM8S105C6、TC35和串口芯片max3223等组成，其中STM8S105C6负责从传感器采集数据，并进行处理；TC35负责识别SIM卡和上位机通信；max3223负责主控器和TC35之间的通信，具体硬件组成如图4所示。

图4 控制系统硬件组成图

2.6 下位机软件设计

ARM公司为STM8提供了一个非常友好的开发平台：keil，该平台支持程序烧写、在线仿真、内存查看等功能，为实现STM8控制功能，软件流程图如图5所示。

图5 下位机软件流程图

其中数据采用并均值滤波的流程图如图6所示。

图6 数据采样流程图

3 上位机软件设计

上位机软件是监控中心统一管理调度的软件，实时监控整个矿井每一个节点处的具体工作环境，为相应的安全措施提供信息支持。为实现串口通讯功能，采用C#语言编写。其Net.Framework为应用程序访问Internet提供了分层的、可扩展的以及受管辖的网络服务。串口中断服务程序主要是完成计算机对嵌入式客户端进行参数的配置，其收到的数据报只有一种格式，因此利用C#提供的串口标准通讯函数即可实现GSM模块通信功能。

上位机软件界面上展示了各节点的实时监测数据，通过后台代码设置，节点的监测数据5分钟自动更新一次，当有节点监测到的数据超过给定的安全范围时，对应节点的安全状态显示为危险，同时在报警提示信息栏中显示对应的危险信息和节点编号；通过重新设定按钮，可以设定各个监测量的安全范围值。操作界面的具体形式如图7所示。

图7 上位机软件操作界面

4 结论

为验证系统的有效性和可靠性，将6个节点单元和一台终端机连接起来，构建了一个现场模拟井下远程监控系统，通过不断改变节点单元周围的环境，测试上位机界面上的监控数据变化情况，及相应的报警提示信息；将节点处的主控制单元外接电流表，测其电流变化情况。实验结果表明，系统工作正常，反应灵敏，没有发生任何拥塞现象，也未发生虚警和漏检。当主控制单元需要采集数据，正常工作时，其电流值为80mA，当数据发送完成，进入等待状态时，其电流值为6uA，可见，系统满足了设计的低功耗要求。

[1] 易菊兰,简茶生,刘志龙.煤矿远程监控系统中OPC客户端的设计与实现[J].煤炭技术,2012,31(11):193-196

[2] 岳一领,李东生.基于数据挖掘技术的煤矿远程监控系统研究[J].太原理工大学学报,2005,36(2):211-215.

[3] 刘士光,沈春宝,包长春,等.无线通信技术在温室测控系统中的应用研究[J].农业工程学报,2006,22(12):155-158.

[4] 陈琪琳,雷必成.基于STM8的光伏逆变器设计[J].电子设计工程,2013,21(11):85-87.

[5] 杜向党,李淼,张继红.基于无线传感器网络和GPRS的无线远程监控系统设计[J],机械与电子,2010(2):72-74.