基于STM32的多功能矿灯设计与验证

段海贝

(山西焦煤 西山煤电(集团)有限责任公司 东曲煤矿，山西 古交 030200)

0 引言

随着煤矿井下设备智能控制、巷道环境感知以及井下无线通讯技术的不断发展和应用,智能型矿灯除发挥照明基本作用外,还需具备的功能为[1-3]:①巷道环境感知能力,即能够实时采集巷道瓦斯浓度信息、井下人员定位信息并对监测到的异常状态发出预警;②组网通讯能力,即能够将获取的巷道环境数据、人员状态数据等信息通过无线通讯传送至地面调度室,同时可以接收并处理地面调度室下发的控制指令;③人机交互能力,即能够通过本地按键对矿灯进行手动设置,也可手动上传巷道环境异常至地面调度室,同时能够在本地实时、准确的显示巷道环境参数、人员定位以及矿灯本体基本信息。本文基于STM32控制器,设计多功能矿灯,解决东曲煤矿在用矿灯存在的功能单一、功耗高、无线通讯丢包率大的问题,提升矿灯的智能化水平。

1 矿灯硬件设计

多功能矿灯硬件设计框图如图1所示,主要由主控芯片模块、传感器模块、通讯模块、人机交互模块以及电源管理模块五部分组成。

图1 多功能矿灯硬件设计框图

1.1 主控芯片模块

主控芯片STM32L151VET6基于ARM Cortex-M3内核,采用100引脚LQFP封装[4,5],支持8个定时器、16通道3个ADC、2个CAN接口等,满足多功能矿灯硬件设计要求。

1.2 传感器模块

瓦斯传感器选用催化燃烧式MC112型瓦斯浓度传感器,具有反应速度快、重复性好、可靠性高和工作性能稳定的特点。

人员状态检测由MPU6050加速度传感器实现,通过精确跟踪快速、慢速运动检测矿工姿态,进而判断矿工是否处于安全状态。

1.3 通讯模块

低功耗LoRa无线通讯模块型号为F8L10,基于LoRa TM扩频调制技术,可实现-148 dBm的高灵敏度以及20 dBm的功率输出[6],可用于1 km～3.5 km超长距离扩频光通讯,且兼顾功耗及抗干扰问题。

LoRa无线通讯网关选用的型号为LoRa-F8926-TL,支持多种WAN连接方式,支持无线蜂窝/有线WAN双链路智能切换,支持WEP/WPA/WPA2等多种加密模式,支持LoRa网络无线数据传输功能。

1.4 人机交互模块

矿灯人机交互模块由多路按键、OLED液晶显示电路组成。设置的按键有开机/关机键、复位键、向上键、向下键、对讲键和拍照键,用于查看OLED液晶显示器中显示的多页数据;同时可进行手动报警、对讲以及拍照。OLED液晶显示电路与STM32L151VET6芯片的RS485通讯端口相连,完成矿灯所有数据收发功能。

1.5 电源管理模块

矿灯输入电源为3.7 V/10 A·h锂电池,通过电平转换电路可提供3.3 V、-3.3 V以及2.8 V三种电压等级需求,电源管理模块结构如图2所示。

图2 电源管理模块结构图

2 矿灯软件设计

矿灯软件系统基于Keil MDK5开发环境,基于Free RTOS嵌入式实时操作系统进行多任务管理,实现多功能矿灯的巷道环境感知、组网通讯以及人机交互功能,分别编写矿灯主程序、传感器数据处理程序、通讯程序以及人机交互程序。

2.1 主程序设计

矿灯软件系统主程序设计流程如图3所示,Free RTOS嵌入式实时操作系统具有实时性高、功耗低、占用资源少的特点,符合矿灯成本与功耗受限的应用场合。基于Free RTOS操作系统,建立多任务线程,根据任务优先级进行任务调度,满足多功能矿灯实时响应要求。

图3 矿灯软件系统主程序设计流程

2.2 传感器数据处理程序设计

STM32L151VET6芯片完成对传感器数据的采集、A/D转换以及阈值判断等。当瓦斯浓度超限后,生成瓦斯浓度超限信号量并提交给Linux操作系统,启动瓦斯浓度超限报警任务。

2.3 通讯程序设计

STM32L151VET6芯片将采集并处理后的巷道数据传送至LoRa无线通讯模块,由LoRa无线通讯网关基于UDP(User Datagram Protocol)协议传送至井下工业环网。采用UDP通讯协议传送时设计主动上传、轮询唤醒两种工作模式:①主动上传工作模式即矿灯系统通电并接入LoRa无线通讯网络后自动周期性地向LoRa网关发送数据,LoRa网关接收到数据后自动回复LoRa无线通讯模块,同时将接收到的数据立即传送至井下工业环网;②轮询唤醒工作模式即由LoRa网关发送指令唤醒LoRa无线通讯模块进行数据无线传送过程,否则LoRa无线通讯模块处于休眠状态。

2.4 人机交互程序设计

STM32L151VET6芯片将采集并处理后的巷道环境数据以UDP Socket通讯模式发送给OLED液晶显示上位机。上位机对接收到的数据按照通讯协议进行解析并转换为本地变量存储至Mysql数据中,同时进行显示。上位机界面程序设计采用C#语言在Visual Studio 2013开发环境中实现,设计有主界面、巷道环境数据界面、按键信息界面和报警信息界面等。

3 矿灯试验

在山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司东曲煤矿12305掘进工作面中段500 m范围内分别完成设计并进行了多功能矿灯巷道环境感知功能试验和组网通讯功能试验。

3.1 巷道环境感知功能试验

在12305掘进工作面中段500 m范围内每隔50 m放置1个矿灯,共11个矿灯,实时采集1#、2#、3#共3处监测点的瓦斯浓度。根据实时瓦斯浓度绘制瓦斯浓度曲线,如图4所示。当该监测点瓦斯浓度值超出预警报警值后,触发声光语音报警。当井下工人按下紧急救援按钮后能够向地面调度室发出救援及位置信息。同时,该多功能矿灯能够实时监测巷道环境内的CO、CO2以及温湿度等环境数据。

图4 巷道瓦斯浓度采集

3.2 组网通讯功能试验

在12305掘进工作面中段500 m范围内布置60个多功能矿灯以及1个LoRa智能网关,分别测试并统计1、20、40、60个多功能矿灯以LoRa通讯方式经LoRa通讯网关同时向地面调度室发送数据时的丢包率、时延。根据统计的试验数据可知:该矿灯数据传输时延小于100 ms,丢包率小于4%,满足矿灯设计要求。

4 结论

(1) 本文设计了以STM32L151VET6芯片为核心的矿灯硬件、软件控制系统,在满足矿灯照明功能的前提下,应用矿灯可实现巷道环境感知、组网通讯以及人机交互功能,实现了矿灯的多功能化。

(2) 完成了多功能矿灯试验验证,试验验证结果表明:该多功能矿灯具有低功耗、高数据采集精度、低通讯丢包率的特点。

(3) 本文设计的多功能矿灯为煤矿井下设备智能化以及煤矿井下安全、高效开采提供了参考。