煤矿多功能智能传感器技术研究

葛艳香，张全柱，邓永红

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京东燕郊 101601)

煤矿多功能智能传感器技术研究

葛艳香，张全柱，邓永红

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京东燕郊 101601)

简述了煤矿多功能智能传感器的结构和功能，把传统的粉尘、瓦斯检测、温度和湿度等传感器的功能集合在一起，并且实现了定位、语音、短信、拍照、报警等新的功能。本文主要探讨矿用多功能智能传感器的实现方案。

多功能智能传感器;新功能;方案

0 引言

在煤矿的安全生产中，粉尘、瓦斯、水文、钻场状况在线监测等需要对粉尘浓度、瓦斯浓度、温度、湿度、压力、水质等多种物理量进行监测。传统的传感器只能用来测量一个物理量，而且到具体测量点时，通道数量和类型会出现大于或小于监测点数量的情况，造成资源的浪费或不能满足应用场合的需求，为了使传感器适应不同场合的需要和减少成本，需要设计一种多功能智能化的传感器。普通的智能传感器主要由传感器、微处理器、信号处理电路所组成，传感器把所测的物理量或者化学量转换成相应的电信号，再经过放大器的作用，送到信号调理微处理器中，经过滤波、放大和数模转换后送到数据采集电路中，再经过数据采集电路的处理送到微处理器中。微处理器可以对传感器测量的数据进行计算、存储和处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，因为微处理器的软件功能，使得传感器智能化了。本文所设计的矿用多功能智能传感器与普通的传感器相比，它能够转换2种以上的不同物理量，并且具有定位、语音、通信、拍照、报警和黑匣子等新的功能，这对促进煤矿安全监测和保证工作人员的健康具有非常重要的意义。

1 设计思想

(1)实现粉尘传感器、瓦斯检测传感器、温度传感器和湿度传感器等传感器的功能集于一体。设计的多功能智能传感器，它的采集模块采用分离结构设计，信号采集模块具有电流信号、电压信号、频率信号的采集插槽，设计使用脉冲宽度调制协议来实现控制器与接收器对信号的收发，使用HS0038为红外解码芯片接收遥控器发来的控制信号，输出不同控制信号经过单片机的定时捕获，单片机软件算出具体的控制信号来执行相应的控制。

(2)实现定位、报警、拍照、存储功能。定位功能主要采用无线传感器网络定位技术;报警使用扬声器和LED发光，当采样值高于或低于设定值时，进行声光报警来提醒工作人员;拍照功能的实现，主要采用数码相机拍照的原理，采用CCD光电传感器;数据的存储使用了SD卡，可以离线或在线模式下将数据读出来。

(3)通信功能，控制RS－232串行通信接口和上微机的通信，把信号传输到主机 ，手持主机设计带WIFI，可以扩展4G模块，有必要的时候再配置。由于3G模块的价格高、速率低、市场保有率低，所以没有计划开发3G的模块，而WIFI是技术发展最稳定的模式，只会向下兼容的发展，而不会被淘汰，2G被3G淘汰，4G将来也会被取代;对于WIFI信号覆盖问题，将推出WIFI巷道，可实现WIFI全覆盖。

2 系统结构设计

2.1 模块设计

多功能智能传感器的模块结构如图1所示，由信号采集模块、信号处理模块、故障诊断、电源模块、键盘输入与显示模块、输出与拍照模块、通信模块、存储模块组成，处理器采用STM32F103系列单片机，该单片机采用Cortex－M3构架，性价比高、低功耗、配置灵活。

图1 系统构架

主模块主要完成自检、初始化、通道选择及调用各个模块的功能。信号采集模块主要完成各路信号的放大、A/D转换和数据读取的功能。本设计的多功能智能传感器采集模块最大的特点是采用分离结构设计，信号采集模块具有电流信号、电压信号、频率信号的采集插槽。电流信号的插槽主要连接电流型传感器输出的电流信号，矿用标准电流为4－20 mA经过采样电阻后，将电流信号转换成电压信号，电压信号的幅值较小，需要经过放大器的处理，在本设计中采用INA128放大器进行放大，放大后的电压信号需要进行滤波处理，处理后的电压信号为稳定的电压信号，再进过A/ D模数转换电路处理，最后获得电压信号的大小，进而算出电流信号的大小，电压采集板和电流采集板基本相同，只是电压的大小和精度有所不同。数据信号处理模块主要完成数据滤波、非线性补偿、信号处理、误差修正及检索查表等功能。故障诊断模块的功能是对各个传感器的信号进行分析，判断是否工作状态正常。键盘输入及显示模块的作用是查询按键是否按下，如果按下了则反馈给主程序模块，主程序模块按照按键来执行或调用相应的模块，显示各个传感器的数据和工作状态。输出、报警和拍照模块主要是控制模拟量的输出，报警和完成拍照任务。通信模块主要控制RS－232串行通信接口和上微机的通信。存储模块主要用来存放各个传感器所测得的信息，然后将信息进行保存。

2.2 硬件结构设计

矿用多功能智能传感器具有测量、程控放大、转换、处理、模拟量输出、键盘监控、定位、语音、通信、拍照、报警和黑匣子等功能。它的硬件结构图2所示。

根据单片机发出的命令轮流选通各个传感器的通道，各路的信号通过放大、A/D转换进入STM32F103单片机，再经过处理模拟信号或者数字信号，可以实现存储，显示、定位、语音、通信、拍照、报警等新的功能。

RS232串行通信接口，使用Modbus协议可以自由地对通信协议进行定制，使其具有很好的适应性，可以兼容各种版本的检查系统的协议要求，数据的存储使用了SD卡，可以离线或在线模式下将数据读出来。显示模块主要采用了4块8段数码管，用于显示采集到的物理量，如粉尘浓度、气体浓度和报警值等。报警使用扬声器和LED发光，当采样值高于或低于设定值时，进行声光报警来提醒工作人员。拍照功能的实现，主要采用数码相机拍照的原理，镜头将光线汇聚到感光器件CCD上，CCD代替传统相机中胶卷的位置，它的功能是将光信号转变为电信号。于是得到对应于拍摄景物的电子图像，但它还不能马上被送去计算机处理，还需要进行模数处理;接下来MPU对数字信号进行压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG格式，最后图像文件被存储在内置存储器中。定位功能主要采用无线传感器网络定位技术，无线传感器网络定位最简单的方法是为每个节点装载全球卫星定位系统(GPS)接收器，用以确定节点位置。但是，由于经济因素、节点能量制约和GPS对于部署环境有一定要求等条件的限制，导致方案的可行性较差。因此，一般只有少量节点通过装载GPS或通过预先部署在特定位置的方式获取自身坐标。

2.3 电源电路设计

在矿井中所用的电源大部分是12 V、18 V和24 V的直流。通过三端稳压电源7805来获得5V的电源，报警模块10 V电源是通过1 kΩ的电阻和稳压管串联而得到的。为了降低热损耗和减少内阻，电源电路中采取了多个稳压管的办法。电源电路图如图3所示。

3 软件结构设计

矿用多功能智能传感器采用模块化和结构化的设计方法，主程序模块主要完成自检、初始化、通道的选择和调用各个功能模块的功能。根据多功能智能传感器检测系统硬件设计，软件部分主要包括键盘、LCD程序、模数转换器和微处理器初始化程序，8位 LCD和模数转换器MAX197共用STM32F103单片机的数据接口;键盘部分使用STM32F103单片机的硬件控制器，只需驱动硬件即可底层硬件系统通过串口将检测到的数据传送到PC机上，上位机检测界面亦可传送命令至底层检测平台。界面的各个子模块完成对应传感器的数据采集、显示和存储上位机检测。矿用多功能智能传感器的软件流程图如图4所示。

图3 电源电路图

图4 矿用多功能智能传感器的软件流程图

4 系统调试与实现

在这里选择瓦斯传感器的测量进行调试运行的演示，主要对显示和报警部分演示;通过A/D输入端输入电阻值，显示对应的浓度值，如表1所示;计算误差范围是否在误差允许范围之内，否则调整传感器的参数设置。当浓度超过预设值时，蜂鸣器报警。

电路运行如图5所示。

表1 甲烷浓度值和实测值的比较

图5 电路运行图

5 总结

多功能智能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向，目前有许多学者正在积极从事该领域的研究工作。本文的多功能智能传感器可以即时检测粉尘和瓦斯的浓度，温度和湿度，把传统的单一的检测功能转变成为实现对4个物理量的测量，并且具有定位、语音、报警等新的功能，满足现在矿井对仪器的智能化要求，对矿井的安全检测具有非常大的意义。

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Research of the mine multi－functional intelligent sensor

GE Yan－xiang，ZHANG Quan－zhu，DENG Yong－hong

(Information and Control Technology Research Institute North China Institute of Science and Technology，Beijing，101601，China)

This article introduces the structure and function of mine multi－functional intelligent sensor，it puts the traditional sensor function together，such as dust，gas，temperature and humidity.And it realizes the positioning，voice，text，pictures，alarm and other new functions.It mainly studies the realization scheme of mine multifunctional intelligent sensor.

multi－function intelligent sensor;new function;scheme

TD76

A

1672－7169(2016)06－0035－05

2016－09－25

中央高校基本科研业务费资助(3142013046，3142013101，3142015023)

葛艳香(1988－)，女，江苏宿迁人，华北科技学院在读硕士，研究方向:电力电子与电能变换技术，微型计算机控制技术等。E－mail:1044064546@qq.com