基于嵌入式的煤矿输送带纵向撕裂监测系统的研究

赵亚男

（西山煤电西曲矿综采一队， 山西 古交 030200）

引言

对于带式输送机，输送带是物料运输的关键部件，并且成本较高，接近带式输送机总体成本的一半。一旦输送带出现纵向撕裂，如果得不到及时发现和处理会造成极大的损失，严重时甚至会导致煤矿的停产，所以及时检测到输送带纵向撕裂故障有着非常重要的意义。现有的检测方法有：机械检测法、电磁检测法、超声波检测法、射线检测法以及机器视觉检测法。其中机械检测法是采用接触式检测，可靠性不好、精度较差；电磁检测法是在输送带里事先布置传感线圈，所以成本很高并且损害后难以修理；利用X射线来判断纵向撕裂故障的射线检测法也存在着成本高昂的问题；而超声波检测法在现今情况下技术还不够成熟，实际应用情况欠佳。基于以上原因，可靠性好、成本低、精度高的机器视觉法就成为了研究的重点。李海滨等人利用激光发生器向输送带的底部发射“一”字激光，相机将拍摄好的激光条纹传送给计算机，并由计算机检测是否出现纵向撕裂故障，取得了一定的效果，但是也存着计算机处理图片所导致的实时性差的问题。针对该问题，本文以嵌入式控制器为核心设计了纵向撕裂故障检测器，然后利用WiFi与计算机通信，从而构成纵向撕裂监测系统，该系统精度高、实时性强、并且采用非接触设计，具有良好的经济和社会效益[1]。

1 监测系统总体方案设计

基于嵌入式的煤矿输送带纵向撕裂监测系统的总体方案如图1所示。该系统的主要组成部分包括：基于嵌入式的纵撕故障检测器、“一”字线激光器、CMOS摄像头、计算机（上位机）、以及无线路由器。

激光器先投射“一”字线激光条纹到输送带上，条纹与输送带的方向垂直，并且要保证条纹的长度与输送带的宽度相等，当输送带出现撕裂故障的时候，该激光条纹的形状就会发生明显变化；这些图像信息由面阵CMOS摄像头采集后传送到嵌入式处理器，处理器会对图像信息进行分析和处理，判断激光条纹形变的程度，当形变程度大于其设定值时，处理器即认定输送带发生纵向撕裂故障，检测器会发出故障报警，并将故障监测信息传送到个人计算机中[2]。

图1 监测系统总体结构图

2 基于嵌入式的纵撕故障检测器硬件设计

检测器硬件电路主要是由嵌入式芯片、外部存储电路、电源电路、摄像头模块电路、USB接口电路等组成。其中检测器的嵌入式芯片选用的是三星公司生产的S3C2440，功耗和价格都比较低，但是其最高主频达到了400 MHz，性能较强，该芯片集成了LCD液晶显示器控制器、中断控制器、摄像头控制器、中断控制器、GPIO等外设，能够满足本控制器的工作要求。检测器硬件结构图如图2所示。

图2 故障检测器硬件结构图

2.1 USB接口电路设计

由于“通用串行外部总线”可以支持多种外部设备，因此在嵌入式设备中该接口有着非常重要的地位，在本检测器中，USB总线采用2.0版的规范，传输速度可以达到480 Mbit/s，而USB接口主要是用来支持WiFi网卡。

2.2 以太网通信电路设计

为了实现检测器程序的远程下载和调试，本文也支持以太网通信。其中以太网通信电路的核心器件是以太网控制芯片DM9000A，该芯片既可以支持半双工也可以支持全双工[3]。

2.3 摄像头接口电路设计

嵌入式芯片S3C2440内部就集成有摄像头控制器，该控制器可以控制摄像头采集图像以及传输信息，并且芯片引出了DVP接口。本系统选用的摄像头型号为ov7740，将图像的输出格式设置为YUV4∶2∶2，输出图像的分辨率可以达到640×480，然后微控制器中的摄像头控制器将采集到的该格式的图像转换成RGB24格式的图像并将其保存。

2.4 外部存储电路设计

2.4.1 FLASH电路设计

由于该控制器需要实现的功能较为复杂，软件的体量也比较大，所以我们选用了FLASH存储器用于存放数据。FLASH存储器又称闪存，不仅具备EEPROM的电子可擦除的性能，并且读取速度更快还不会因为断电而丢失数据，近年来FLASH逐步替代EEPROM作为嵌入式系统存储器的地位。选用三星的NAND FLASH，型号是K9F2G08U0M，容量为64M，I/O为8位。既可通过LPC1788从FALSH中读写数据，也可以通过USB接口向FLASH写入数据，便于修改程序[4-5]。

2.4.2 动态RAM（SDRAM）电路

SDRAM虽然在掉电之后会丢失数据，但相较于Flash存储器，其读写速度要快很多，并且和静态RAM（SRAM）相比，SDRAM容量更大，价格也更便宜。所以SDRAM应用很广泛，在系统运行时可以加快运行速度。本文选用三星公司的K4S561632N，容量为64 MB[6-7]。

2.5 电源电路设计

经过统计，要使本系统能够正常通过，则需要5V、1.3 V、3.3 V三个电压等级，检测器采用5 V作为输入电压，并利用AP3407和LTC3406两个芯片分别把电压降低至3.3 V和1.3 V。

3 基于嵌入式的纵撕故障监测系统软件设计

3.1 面阵CMOS摄像头驱动程序

编写摄像头的驱动程序，主要需要编写两部分。由于CMOS摄像头是一个IIC设备，所以需要编写相应的IIC设备驱动程序；第二就是根据V4L2标准编写主体驱动。面阵CMOS摄像头驱动程序流程图如图3所示。

图3 驱动程序流程图

3.2 纵向撕裂监控程序

由于基于嵌入式的故障检测器和计算机依靠WiFi进行通信，所以需要将嵌入式平台设置为服务器模式，而计算机设置为客户端模式；然后通过调用相应函数打开摄像头，采集图像数据并将其保存到内存空间中；最后微控制器采用纵向撕裂故障检测算法提取内存空间中的存储数据并进行分析和检测；当故障发生时，检测器发出报警信号，并通过WiFi将报警信号和图像传递给计算机。监控程序流程图如图4所示[8]。

图4 纵向撕裂监控程序流程图

3.3 输送带纵向撕裂算法

当输送带发生纵向撕裂故障时，“一”字线激光会发生变化。第一种情况是纵向撕裂较为严重，激光线在撕裂处断开，如下页图5所示；另一种情况是撕裂程度较低，激光线并没有断开，但是发生了较为明显的形变，如下页图6所示。虽然以上两种情况有所区别，但是都可以根据算法来检测区分是否发生了撕裂故障。具体过程有：图像剪切选择、R分量提取、R分量中值滤波、提取激光线骨架、邻域求差分检测断点、均值滤波、求二阶导数检测波动。通过该算法即可准确检测出激光线是否发生形变，进而断定输送带是否发生纵向撕裂，算法流程图如图7所示[9]。

图5 激光线断裂图

图6 激光线形变图

图7 纵向撕裂算法流程图

4 结语

带式输送机是煤矿运输的主力设备，而输送带也是带式输送机中非常重要的部件。由于煤矿井下工作环境较为恶劣，输送带容易被煤矸石等异物划伤，从而造成输送带的纵向撕裂。所以以嵌入式为核心，结合机器视觉技术设计的输送带纵向撕裂监测系统，其可通过微控制器对摄像头采集的图像进行处理从而判断是否发生纵向撕裂故障，然后通过WIFI将信号传送给上位机，不仅能够准确识别纵向撕裂故障、可靠性高还能减少工作面布线，具有广泛的应用价值。