基于ARM的矿用注浆在线监测系统设计

李 鹏，姜 琳，董庆余

（1.济宁高新技术产业开发区管委会 山东 济宁 272000；2.山东理工职业学院建筑工程学院 山东 济宁272000；3.济宁六合工程机械有限公司 山东 济宁 272000）

基于ARM的矿用注浆在线监测系统设计

李 鹏1，姜 琳2，董庆余3

（1.济宁高新技术产业开发区管委会 山东 济宁 272000；2.山东理工职业学院建筑工程学院 山东 济宁272000；3.济宁六合工程机械有限公司 山东 济宁 272000）

基于ARM的矿用注浆在线监测系统是基于工业以太网和CAN总线，使用ARM系列STM32F103单片机开发下位机，实现多通道数据自动采集和上传。上位机监测软件采用.NET平台C#语言设计开发，实现实时数据读取存储、曲线显示、实时控制、历史查询、注浆统计、压力计算等。下位机硬件电路数据采集效率高、稳定性强，上位机监测软件界面友好、操作灵活，实现了数据传输准确性、稳定性及监测系统的人机交互性，并通过工程实践验证了系统的各项功能。

注浆；在线监测；ARM单片机；.NET

注浆技术是一种具有很强实用性的工程技术，主要应用于防治水灾害和加固地层。煤矿生产十分关注现场注浆数据，它不仅是煤矿企业绩效评价的重要依据，其质量直接关系到井下突水事故预防效果，对煤矿安全生产管理意义重大。长期以来，国内煤矿企业对注浆现场缺乏科学高效的监测手段，且监测参数单一，监测系统缺乏灵活可扩展性，存在人为疏漏误报现象，这种粗放型管理方式明显不符合现代煤矿安全管理的要求。为提升注浆工作精细化管理水平，提高注浆作业的自动化程度，使煤矿管理人员随时掌握注浆现场实时数据变化，及时调整应对策略，文中主要研究对注浆过程进行实时在线监测，准确获取重要参数，实现注浆自动化监测统计系统具有重要的现实意义[1-2]。

1 系统结构介绍

文中系统是基于工业以太网、CAN总线开发，由注浆监测服务器、传输分站及采集分站组成。注浆监测服务器主要功能为实时数据显示和存储，历史数据查询和曲线显示，压力计算和统计报表等，传输分站主要功能实现CAN总线网络同工业以太网的协议转换，采集分站主要实现实时数据包括压力、流量、流速、加速度等自动采集和实时上传[3]。图1所示为系统结构图。

图1 系统结构图

注浆监测服务器作为系统的主控计算机，运行在服务器端，监听终端采集数据。基于UDP协议传输实时性强、适合单次传输少量数据等特点，上位机监测软件采用标准网络传输报文协议UDP/IP协议栈作为物理层及以上各层的通讯协议，默认通过预设端口号8001来访问传输分站，也可软件设置。通过传输分站UDP/IP协议与CAN协议转换，实现监测服务器同采集分站的数据通讯[4]。

2 基于CAN总线和工业以太网的通讯

通讯网络基于工业以太网和CAN总线，通过使用CANET工业级双路智能CAN转以太网接口卡实现网络协议转换。工业以太网通讯设备包括监测服务器、传输分站、以太网交换机等；CAN总线设备包括采集分站、传输分站[5-7]。图2所示为系统网络结构图。

图2 系统网络结构

数据传输分为井下和井上两部分。井下数据传输以CAN总线和以太网光纤为主。其中，CAN总线用于采集分站与传输分站之间的数据传输。井下CAN总线传输部分要求最长传输距离 2千米，最多终端数20个，最短监测周期10秒。CAN通讯以标准CAN总线传输层协议为基础，数据帧包含帧信息（1字节）、帧ID（4字节）和帧数据（8字节）共13字节。其中，帧ID由设备ID（2字节）和传感器ID（2字节）组成。总线波特率默认设置10kbps，用户可通过监测软件远程设置总线波特率。数据帧中最后字节用于校验，其它非有效数据字节填0x00，使用异或校验法[8-9]。每个采集分站有唯一ID号，且ID号设置允许掉电保持。传感器类型ID须按照预先协议规定设置，传感器类型ID配置如表1所示。

表1 传感器类型ID

3 系统组成

3.1 下位机采集分站

采集分站由主控设备箱硬件部分和测量传感器组成。系统ARM硬件控制系统主要由STM32F103微控制器、电流/电压转换电路、电源及各种接口等组成。主控设备箱是采集分站主体，测量传感器包括电磁流量计、加速度传感器、压力传感器，通过电缆线与主控设备箱外接。

1）ARM控制系统：系统中数据自动采集功能核心部分使用ARM控制系统，核心单元选用高性能ARM芯片STM32f103。传感器信号转换采集、数据转换处理、数据存储显示、数据上传等功能模块都受ARM芯片控制。传感器信号采集模块使用电流/电压转换电路转换传感器信号，然后通过ARM芯片的高精度A/D转换器转换为数字信号。数据处理模块通过ARM芯片智能算法对A/D转换后的数字信号进行处理，转化为所需注浆流量、流速、压力、加速度数据。存储显示模块通过ARM芯片控制存储器和显示器，将采集数据存储到flash并显示到设备LED显示屏。通讯模块通过ARM芯片内部CAN控制器完成标准CAN总线底层协议通讯，通过ARM芯片的运算处理解析CAN总线通讯数据，定时上传注浆监测数据。ARM控制系统软件由初始化程序、循环主程序和各功能模块子程序组成。软件启动时先执行初始化程序，然后进入主程序循环调用各功能模块子程序。ARM芯片通过分配不同等级的优先级中断程序，实现各参数实时采集[10-12]。图3所示为CAN收发电路原理图。

2）电流／电压转换电路：注浆监测系统中，电磁流量计的输出信号为电流信号，要转化成可被系统处理的电压信号，需经电流／电压转换。图4所示为电流/电压转换电路原理图，WT为模拟量电流信号，R4为采样电阻，R8为限流电阻，BAO为4.7 V基准电压。AD6连接STM32f103单片机中AD采集I/O口。

图3 CAN收发电路原理

图4 电流/电压转换电路原理

3.2 上位机监测软件

1）软件整体结构：在整个系统中，每台采集分站由传感器（压力、流量、流速、加速度）采集信号并将其存储到单片机的Flash中，同时将数据通过CAN总线发送至传输分站，经CAN转以太网适配器协议转换后，发送至上位机。上位机软件监听来自传输分站的终端采集数据，功能包括：实时采集数据并存储到数据库；实时数据动态曲线显示；远程集中控制，实现对采集分站重启、自检、ECHO应答、总线速率、发送间隔等指令发送；系统通讯状态显示、设备故障报警；历史数据查询、历史曲线分析、注浆统计分析等。

2）软件核心功能：在注浆监测系统中，上位机软件采用.NET平台C#语言开发，基于Socket技术开发通讯模块，数据存储采用Sqlserver2005数据库实现。软件实现网络通讯、数据存储、动态曲线及注浆统计等多任务高效并发，综合运用.NET线程池管理、C#委托、数据库存储过程等技术[13-15]。部分关键代码如下：

4 实验应用

软件运行在工程现场实验环境中时，点击实时监控界面中开始按钮，系统开始接收采集分站数据，实时监控显示当前设备连接数量及设备信息，通讯状态栏中显示数据采集情况，图5所示为实时监测界面。软件注浆统计模块中，软件可根据用户预设日水灰比参数，按照水灰比生效时间点分段计算注浆日、月、年累计并生成统计报表，注浆日累计可自动生成日分时统计柱形图，图6所示为注浆统计界面。为避免用户误操作，系统设定了权限管理，用户只有在通过身份密码验证的情况下，才能进行相关权限操作，同时可以灵活修改账户密码，管理员可以维护用户信息，有效提高了监测系统的安全性和灵活性。用户可在历史查询界面查询某时间区间内所有参数历史数据及历史曲线图。

图5 实时监测界面

图6 注浆统计界面

5 结 论

文中介绍了一种基于工业以太网和CAN总线开发的注浆在线监测系统，从通讯协议、功能开发等几个方面详细进行了阐述。该系统经过工程现场试验，连续运行近半年，可靠性高、实时性强，并具有以下特点：数据采集分站采用ARM32位可编程控制器作为下位机，使数据自动采集和处理、通讯可靠性及系统稳定性得到极大提升；数据传输分站与上位机采用光纤通讯，最大限度地抑制了环境变化对数据通讯的影响；上位机程序实现了对下位机的自动数据采集，可通过以太网对采集分站发送控制命令，用户可以随时了解实时注浆信息及统计数据，方便获取管理决策数据。系统硬件和软件均采用模块化设计，便于扩展，可根据实际监测需要增加传感器完成系统功能扩展。

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The design of online grouting monitoring system based on ARM

LI Peng1，JIANG Lin2，DONG Qing-yu3
（1.Jining National High-tech Industrial Development Zone.，Jining 272000，China；2.Shandong Polytechnic College Jining 272000，China；3.Jining Liu He Engineering Machinery Co.Ltd.，Jining 272000，China）

The online grouting monitoring systemis a network control systembased on Industrial CAN bus and Ethernet.Slave computer hardware developed by ARM micro-controller realizes multi-channel automatic data acquisition and uploading.Mater computer software developed by C#of.NET framework achieves remote real-time data reading and storage，curve display，real-time control，historical inquiry，grouting statistics，pressure calculation and other functions.In this system，the hardware circuit of slave computer for data acquisition is efficient and stable.The software monitoring system of mater computer has friendly interface and flexible operation.The entire system which achieves data accuracy，transmission capability and good man-machine conversation capability is verified by engineering practice.

grouting method；online monitoring；ARMSCM；.NET

TP274

A

1674-6236（2017）09-0128-04

2016-06-13稿件编号：201606093

国家科技支撑计划（2013BAK06B00）

李 鹏（1983—），男，山东济宁人，硕士研究生。研究方向：计算机应用技术、嵌入式系统。