煤矿井下转载机监测终端的研制

孙 磊，任贺贺

（1.中国矿业大学 网络与信息中心，江苏 徐州221000；2.兖矿集团有限公司 山东煤炭技术研究所，山东 济南250000）

近年，煤矿井下的安全监测问题受到越来越多的关注。刘明智[1]等研制了煤矿井下气体束管管路故障监测装置并设计了系统标定的方法，确保了束管管路故障及时有效排除。刘伟[2]开发的煤矿机电设备震动监测系统，能够采集煤矿井下设备震动信号，实现了对设备故障的早期诊断，降低了危险事故发生的概率。赵晨光[3]设计的刮板输送机监测系统，实现了对井下物料传输设备的远程实时监测。

井下转载机是煤矿井下作业的必须设备。在井下作业的过程中，工作在转载机周围的人员存在不慎跌入机器中的隐患。如果未能监测到这种事故，并做出及时的响应，将造成不可挽回的损失。鉴于此，采用处理器技术、射频传感技术、传感器网络与软件工程技术[4-7]，构建煤矿井下监测系统，并研制转载机监测与控制终端。终端能实现对转载机装状态的实时监测，对转载机出现异常时进行断电控制。

1 监测终端硬件

1.1 煤矿井下传感器网络

煤矿井下传感器网络如图1，该网络由监测终端、路由器节点、中继器节点、交换机节点以及井上局域网络构成。监测终端被安装在转载机的入口处，当携带电子标签的井下作业人员不慎跌入转载机时，监测终端上的射频模块能够监测到电子标签，从而控制电控箱切断转载机的电源并控制警笛与预警灯发出预警信号，同时通过传感器网络将井下突发状况反馈到远程监控端，以便采取应对措施。在正常的工作状态下，监测终端能够对转载机危险区域进行实时的监测，并利用井下传感器网络将采集到的信息转发到井上远程监控端。

图1 煤矿井下传感器网络Fig.1 Sensor network of underground coal mine

1.2 监测终端整体功能

监测终端的硬件由STM32WB55 主处理器及其驱动电路、电源管理部分、射频识别模块、串口通信电路、以太网接口、继电器模块与功能按键部分构成。监测终端硬件功能框图如图2，STM32WB55 主处理器是监测终端的控制中心，负责整个系统的调度；射频天线、THM3060 射频识别芯片与串口通信电路的组合实现了实时监测转载机入口处的危险区域，并能在异常发生时将该信息转发到监测终端；以太网接口由RJ45 端口与ENC28J60 芯片及其驱动电路组成，能将监测终端的数据转发到井下传感器网路，是监测终端与井下传感器网络连接的媒介；电源管理芯片为监测终端提供工作电压，功能按键是监测终端其它功能的拓展；继电器模块能够实现对警笛、预警灯与转载机电控箱的控制，它与主处理器之间通过MAX485 协议实现数据通信。

图2 监测终端硬件功能框图Fig.2 Monitoring terminal hardware function block diagram

1.3 主处理器及外围驱动电路

监测终端的主处理器为STM32WB55CCU6，该芯片内嵌应用处理器和网络处理器，在网络信号处理方面性能更优。同时，STM32WB55CCU6 基于低功耗的STM32L4 芯片，功耗进一步被降低[8-10]。其外围电路主要包括：复位电路、在线编程电路、功能按键电路等。主处理器电路是监测终端的控制中枢，监测终端按照内置软件系统的设定有条不紊地执行各项任务。

1.4 电压转换电路

监测终端利用了2 块电压转换芯片，分别是AMS1117-5V 与AMS1117-3.3V。这2 块芯片能为监测终端上提供5 V 和3.3 V 的工作电压[11-13]。AMS1117-5V 电压转换电路的输出是AMS1117-3.3V 电压转换电路的输入，AMS1117-5V 电压转换电路的输入是12 V 的直流信号。5 V 输出电压为MAX485ESA 等芯片提供工作电压，3.3 V 输出电压为STM32WB55CCU6、THM3060、ENC28J60 等芯片提供工作电压。5 V 与3.3 V 电压作为信号源也能够为监测终端上的三极管电路、芯片驱动电路等提供逻辑信号。电压转换电路如图3。

图3 AMS1117 电压转换电路图Fig.3 AMS1117 voltage conversion circuit diagram

1.5 RS-485 通信电路

为了控制监测终端上继电器，进而实现对警笛、预警灯以及转载机电控箱的控制，设计并实现了RS-485 通信电路。MAX485ESA 驱动电路图如图4，MAX485ESA 芯片为RS-485 协议数据转换芯片，其驱动电路由电阻R10、R11、R13、R14、R15，电容C10以及三极管PMBT3904 组成。RS-485 协议为通用的工业总线协议，在此基础上，根据实际应用需求，设计监测终端的通信协议。此外，RS-485 协议具有抗干扰能力强、误码率低的特点[14-15]。

1.6 射频识别模块电路

THM3060 是监测终端上实现射频识别功能的芯片，THM3060 射频芯片电路图如图5。

图4 MAX485ESA 驱动电路图Fig.4 MAX485ESA driver circuit diagram

图5 THM3060 射频芯片电路图Fig.5 THM3060 radio frequency chip circuit diagram

THM3060 内置接收放大和数字解调电路、时钟电路、复位电路[16-18]。THM3060 的外围电路由电阻R16、R17、R18、R19、R20，电容C11、C12、C13，电感L1、L2，二极管D3、D4以及三极管Q3等构成。THM3060 与主处理器间的通信方式为串口协议，根据射频信号的特点，设计通信协议。在射频芯片的基础上，监测终端能够监测到是否有作业人员跌入了转载机的入口处。

1.7 以太网数据传输模块

监测终端网络传输芯片是 ENC28J60，ENC28J60 网络芯片及驱动电路图如图6，ENC28J60的外围驱动电路由晶振X1，电阻R21、R22、R23、R24、R25，电容C13、C14、C15等组成。指示灯LEDA 与LEDB可以表示网络芯片的工作状态。ENC28J60 网络芯片能够将监测终端采集到的信息转发到井下传感器网络，进而传输到井上监控终端，同时将来自井上监控端的信号下达给监测终端。监测终端上的以太网数据传输模块是连接无线传感器网络与各监测终端的数据通道。

2 监测终端软件系统

图6 ENC28J60 网络芯片电路图Fig.6 ENC28J60 network chip circuit diagram

采用C 语言开发监测终端的软件系统，集成开发环境为keil5。将UCOS 操作系统移植到主处理器STM32WB55CCU6，在UCOS 系统框架中，开发监测终端的应用系统。监测终端集成了以太网数据传输协议、射频数据传输协议与RS-485 通信协议。监测终端具体工作流程如图7。

图7 监测终端软件工作流程图Fig.7 Monitoring terminal software work flow chart

在为监测终端供电后，执行UCOS 操作系统初始化程序；执行主处理器、射频模块、网络模块等初始化程序；然后，主处理器检测以太网模块连接状态是否就绪；接着，射频模块开始工作对转载机入口进行实时扫描监测；当监测到作业人员身上携带的电子标签时，就认为现场有作业人员不慎跌入转载机。此时，监测终端控制电控箱将转载机电源切断，并释放预警信号。与此同时，监测终端也会将预警信息及相关数据打包，通过井下传感器网络转发到井上监控中心。为了降低监测终端功耗，在没有按键或者事件触发时，监测终端进入休眠状态。

3 系统测试

首先进行了网络节点间距离与丢包率关系的测试，包括：监测终端与路由器间、路由器与中继器间、中继器与交换机间。在煤矿井下实际的环境中，进行监测终端与路由器节点间距离与丢包率关系的测试，固定路由器，路由器通过网口与笔记本连接，监测终端放置在不同的距离上，监测终端向路由器发送500 个数据包，路由器收到监测终端发送来的数据后通过串口调试助手进行统计，并显示收到的数据个数。同时记录2 个节点之间的距离并记录下来，每个定点测量距离通过3 次试验取平均值，得到路由器接收到的数据个数。采用相同的方式测试了另外2 类节点间距离与丢包率的关系。把所有的数据汇总后得到了网络传输节点间距离与丢包率关系（图略）为:当2 个节点间距离在70 m 范围内时，丢包率较低；在70～90 m 之间时，丢包率有所上升，在90 m 范围内时，丢包率依然保持在可容忍的范围内，增加必要的确认重传机制，可以保障节点间的可靠通信。

此外，经过多次试验，预警信号从监测终端传输到井上监控端的时间在5 s 之内，在井下传感器网络正常工作的情况下，这保证了井上监测人员能在5 s 内响应转载机造成的事故。

4 结 论

研制了煤矿井下转载机入口监测终端，采用STM32WB55 芯片作为终端的主处理器，硬件上实现了主处理器及其外围驱动电路、电压转换电路、RS-485 通信电路、射频识别模块电路、以太网数据传输模块电路等；终端的软件实现了射频信号的采集与处理功能、网络的初始化与数据传输功能、设备的状态控制功能以及其它相关业务功能。