基于STM32的煤矿采煤机器人智能监控系统设计

摘要：为了高效和精确的获取煤矿采煤机器人的物理状态数据，文章设计了基于STM32的智能化监控设备，文章以ESP8266WIFI模块实现温湿度数据实时监测为例，实现了作业人员通过手持设备远程监控设备的物理状态信息，验证了基于STM32的智能监控系统的可行性。

关键词：STM32 单片机  智能监控系统  煤矿环境  DHT11

目前，煤炭能源的消费在我国一次能源生产和消费中占70%，这充分说明了煤炭能源在我国能源中占有极大地位。当下采煤机是煤矿产业最重要的机器，将机器人技术应用于煤矿行业，促进产业逐步实现无人智能化具有重要的意义[1]。但由于机器人的自身运行状况会影响其采矿效率，也会对矿井下的环境安全造成影响，需要对机器人自身姿态、机器温度等机器人自身物理量进行监控。例如采煤机上使用的制动器是盘形液压制动器，该制动器在制动过程中，摩擦副会因为摩擦升温，从而影响工作性能，因此实时检测摩擦副的温度具有必要性。除此之外，矿井下机器人的许多关键器件都需要对温度进行实时监控，以保证井下采集工作的正常进行。

本论文以温湿度的检测为例，分别通过串口、Wi-Fi模块传输温湿度信号，在电脑和手机上显示出传感器所处环境的温湿度数据，并通过单片机上的液晶屏幕，实现在液晶屏幕上的温湿度数据的直接显示，以代表对煤矿机器人相关物理量的检测，因此监控平台传感器将选择温湿度传感器作为主要传感器。

1系统总体设计

本系统设计的基于STM32的实时温度检测系统，主要包括STM32系统、电源、温度采集、显示电路、ESP8266WIFI模块以及上位机，其中温度采集模块采用数字温度传感器DHT11，显示电路使用LCD1602液晶显示器。我们选用WiFi模块中STA模式，利用电脑开放热点，使该模块接入网络，实现数据信号到上位机的传输。

2监控系统的硬件设计

2.1采集终端

目前市面上的许多STM32单片机都是以ARM公司生产的Cortex-M3为核心，其内部资源丰富，且其内部寄存器、外设功能等均优于其它类型的单片机，因其为哈佛结构，故而处理数据的速度更快。

STM32F103VET6是以ARM Cortex-M为内核的32位微控制器。STM32F103增强型系列微控制器内部集成了高性能的ARM Cortex-M3内核，STM32系列有更高的中断响应速度，同时也兼具最低的功耗。

2.2 采集端传感器

本文中的现场温度采集模块是以DHT11温湿度传感器为核心实现的，DHT型传感器的组成有NTC测温元件、电阻式感湿元件，其与8位单片机相连接，DHT11传感器能够在单一总线上实现数据的快速双向传输，具有成本较低、稳定、效率高等优点。DHT11温湿度传感器技术参数如表1所示：

单线制串行接口，使系统集 成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，可以实现对采煤机的温度采集。

2.3电源模块

为确保该系统对采煤机工作环境的长时间监测，该系统采用USB接口对单片机进行供电，提供稳定电压，将USB接口的输入电压转化为5V电压进行供电，确保单片机的正常工作。

2.4显示电路

本系统采用3.2液晶显示屏，显示分辨率为320*240，可以满足使用需求，显示屏采用ILI9341驱动芯片，带有供电模拟电路，其工作温度范围为-40°C-85°C。

2.5ESP8266WIFI模块

ESP8266目前是一个较为成熟并且具有一定稳定性的WiFi网络解决方案，它具备性能较高的无线SOC，不仅可以独立运行，也能搭载在其他Host作为slave运行。ESP8266可用来做串口透传、PWM调控、远程调控开关等用途。

3系统的软件设计与测试

本监控系统设计的核心是其软件部分。对应于三种不同的应用场景，我们将分别下载三种不同的程序代码至单片机中。代码编写软件采用了Keil uVision5，并使用C语言进行代码编程，此软件自带有编译下载功能，完成后运用野火串口调试助手对单片机进行调试。

3.1信号串口传输

在此系统设计中，我们首先将电脑与单片机相连，使用Keil uVision5将编译好的程序下载至单片机。首先将系统的定时器、串口等所需配置初始化，而后调用子函数读取传感器测得的温湿度信号，其中，读取温度的函数也为一死循环，不断读取刷新传感器的信号。将程序下载至单片机，电脑端将能够通过串口接收到DHT11采集到的温湿度数据。

3.2信号液晶传输

在此系统设计中，基本步骤与信号串口传输基本相似。将程序下载至单片机后，我们将能够使温湿度直接在单片机液晶板上进行显示。

3.3手机App控制

此信号传输方式较上两种更具有应用价值，编写与下载程序步骤与上述步骤相似。它将使用单片机上的ESP8266模块，ESP8266 WiFi模块主要有三种不同的工作模式，此处主要使用AP模式，它将建立一个热点，当手机连接此热点后，使用秉火物联App输入给定的IP地址以及端口号，即可在手机上实现对单片机上温湿度数据信号的接收与显示，并可以通过手机控制单片机上的不同颜色信号灯，还可以对单片机上的蜂鸣器实现控制。手机上显示出传感器所处环境的温湿度，并通过手机端控制单片机的LED灯，使红色LED灯处于常亮状态。

4结束语

本文通过以STM32为核心，搭载DHT11传感器、ESP8266WIFI模块，通过软硬件的结合，最终实现温湿度数据的本地检测和网络传输，具有实时性、可视性、可远程控制等特点，且STM32单片机具有很强的拓展性，可实现更多功能的拓展，本文验证了温湿度监控系统的可行性，与实际应用场景仍有较大差距，但此方向具有相当的使用价值前景，当各功能模块皆完善时，预能够充分胜任复杂多变井下环境，配合于最先进的5G建设，期待真正實现煤矿井下的无人化操作，为智慧矿山建设更添一份力量。

参考文献：

[1]王路明，常振兴.机器人技术在煤矿中的应用及发展趋势[J].煤炭技术，2021，40（04）：151-153.

[2]刘强强，翟宝蓉，任凯.基于DHT11的温湿度监测系统[J].华北科技学院学报，2017，14（05）：59-63.

[3]张琥石，林伟龙，杨发柱，黄向军，金星伊，陈洁，罗晓春，张盈盈，甘辛.基于ESP8266 WiFi模块的物联网体温监测系统[J].物联网技术，2020，10（12）：32-35.

[4]迟焕磊，袁智，宋振铎，胡登高，王会枝.煤矿综采设备机器人化技术研究与设计[J].煤矿机械，2020，41（10）：5-9.

作者简介：邱赞，女，汉，湖南益阳，2001.01.17，大学本科，学生，研究方向：嵌入式系统。