STM32的矿井瓦斯监控及预警系统的研究

1万 · 2019-2-15 08:58

在煤炭开采的过程中，从煤和围岩中逸出的有害气体，包括甲烷、二氧化碳
和氮组成的混合气体称为煤矿瓦斯。瓦斯不但污染空气，而且如果瓦斯浓度在矿
井的空气中达到5%}15%时，遇火将会引起爆炸。众所周知，煤矿井下的巷道非
常狭窄，如果发生瓦斯爆炸，将导致火焰迅速传播，危害极大，不仅会造成大量
人员伤亡，还会毁坏井下设备以及一些非常重要的安全设施，迫使生产中断，使
得煤矿在短时期内很难恢复生产开采工作。
据不完全统计，自从进入21世纪之后，十余年间发生事故中，与瓦斯相关的
高达2865起，因瓦斯事故引起的死亡人数同样也高达13074人，矿难事故导致的
井下工作人员的死亡率极高。这就意味着我国虽然经济发展突飞猛进，但是在注
重煤矿安全监控方面做的仍是不够好。对比国外的数据，美国作为世界第二大产
煤国，每年因煤矿事故造成的年死亡人数不到30人，尤其最近几年，百万吨死亡
率甚至降到了0.03。由此可见，我国的煤矿安全生产条件和国外的相比还相距甚
远，还需要广大研究人员针对瓦斯监控方向做更深层次的研究。
针对目前煤矿瓦斯监控系统中主要存在的问题，论文进行了基于STM32的矿
井瓦斯监控及预警系统的研究，由于现在ARM的高集成度使得其片上资源非常
丰富，设计系统整体电路也相对简单，并且具有良好的扩展性，性能非常稳定。
并且采用遗传神经网络预测模型，提出了改进的BP算法来对矿井内部瓦斯的浓
度进行预测，这样就大大的提高了瓦斯监控系统的准确性和可靠性。瓦斯监控系
统中的数据传输干线采用了光纤以太网的方式，不但解决了无中继远距离传输的
问题，而且提高了通信效率。在瓦斯监控系统的设计中，井下监控分站的通信方
案采用了CAN总线技术，提高了监控系统的兼容性，使数据的传输相比于以前
的通信方案显得更加可靠。采用组态王6.52作为瓦斯监控系统的上位机，不仅具
有良好的人机界面，控件非常丰富，并且通讯能力强，同时支持网络发布等功能。

1万 · 2019-2-15 08:59

早期的煤矿安全监控系统采用的是空分制来进行信息的传递。上世纪六十年
代中期，日本矿井大型固定设备的控制和英国矿井下的煤炭运输机的控制大多数
采用的都是空分制技术。到了70年代时，波兰推出了可以测量一氧化碳浓度、温
度、甲烷等参数的CMC-1系统。
第二代信息的传输方式是信道频分制技术。随着晶体管技术的发展，采用频
分制技术之后，大量的减少了传输信道的电缆芯数，空分制技术很快就被淘汰。
德国西门子公司的TST系统和E+H公司的TF200系统是最具有代表性的，都是
采用了音频传输系统，该系统甚至对现如今的煤矿监控系统都有着深刻的影响。
第三代信息的传输方式是信道时分制技术。集成电路的飞速发展也促进着时
分制系统的发展。英国的瓦斯监控研发人员推出了以时分制为基础的MINOS监
控系统，该系统的应用，开创了煤矿自动化技术在煤矿监控方面的新局面。
随着科技发展的不断更新，技术难度的不断突破。计算机技术与集成电路等
**技术的发展，形成了以分布式微处理机为基础的第四代监控系统，美国研发
的DAN6400系统是其中最具有代表性的监控系统之一。
对于保障煤矿安全生产来说，瓦斯监控系统是必不可少的。瓦斯监控系统对
改善我国煤矿的安全现况、保障矿工人身以及降低煤矿财产损失都发挥着重要的
作用。2007年，国家规定所有煤矿都必须安装瓦斯监控系统，就是为了更好的保
障矿井工作人员的人身生命安全。国内煤矿瓦斯监控系统的现状是:虽然全国各
地的矿井，不管是高瓦斯煤矿，还是煤与瓦斯突出矿井，大多数都己经根据国家
的要求安装了瓦斯监控系统。但是这些瓦斯监控系统设备已经老化损坏，系统维
护力度也不够大;而其他低瓦斯矿井以及分散众多的私人矿井，瓦斯监控系统的
安装率却不到五成。因此，国内瓦斯监控系统需要大面积的更新换代。
我国属于能源大国，占据着非常丰富的煤炭资源。煤矿的数量也非常多，国
内煤矿大约安装了十几种瓦斯监控系统。综合评定一下国内现有的瓦斯监控系统，
我们可以从各类传感器等设备以及瓦斯监控系统应用的效果来进行对比。重庆煤
炭科学研究院推出的KJ90NB系统，天地科技研究的KJ95N系统在完成的功能、
运行的稳定性、数据传输的可靠性以及整个系统的服务能力等方面，可以代表我
国在煤矿监控研究方面的水平。
国内煤矿采用了先进的瓦斯监控系统，虽然使煤矿在日常安全生产上有了重
要的保障，并且也降低了矿难事故发生时工人的死亡率。但是国内的瓦斯监控系
统也存在相当多的问题，大多数的监控系统监测参数单一，监测容量比较小，监
控分站人机界面差，监控系统在抗干扰方面表现的不够完善等。

1万 · 2019-2-15 09:18

1万 · 2019-2-15 09:20

典型的瓦斯监控系统通常包括地面主战、井下监控分站、通信系统、各种传
感器以及各种现场设备组成。各种传感器将采集的数据传给监控分站进行处理，
然后根据采集的数据值和瓦斯浓度的预测值进行综合判决得出相应的状态。现场
显示设备根据监控分站得出的状态进行显示和报警，同时瓦斯浓度预警的结果经
过判决之后也可以对通风机进行控制，首先变频器输出频率可以根据判决的结果
得出三种结果，分别是正常、轻微和危险。然后变频器再根据这三种不同的结果
对通风机进行转速控制。CAN总线把瓦斯监控分站中的数据输送到以太网一CAN
网关，然后数据经过环形以太网传递给地面主站。采用环形以太网的目的是为了
保证数据传输的可靠性、安全性。最后以太网传递的信息经地面主站分析和处理
之后，实时显示。
PC主机、以太网转RS232模块是地面主站的主要组成部分。由于PC主机无
法直接识别监控分站传递的信息，因此需要通过地面主交换机进行电平转换成
RS232信号，再将转换后的信号传递给PC主机。论文中采用组态王作为上位机，
同时瓦斯浓度预测仿真采用的是MATLAB，为了将MATLAB预测的数据返回至
组态王中。这里组态王需要通过DDE方式与MATLAB进行通信，实现数据的交
换。波仕公司生产的ETH232GH微型以太网/串口转换器性能优越，并且具有光
电隔离的优点，因此非常适合选用。
地面主交换机和光纤收发器构成了以太网通信系统。采用 KJ127矿用井下隔
离防爆型交换机作为本系统的以太网交换机，由于KJ127属于千兆工业级交换机，
该交换机可以构建下联100M的冗余双环网或者1000M的高速冗余光纤接口，网
关控制功能非常强大。如果发生链路故障或断裂时，KJ127可以迅速重新构建网
络链路，自愈时间最大可以小于300ms。如果用作CAN/RS485总线接口时，具
有CAN总线和RS485总线的设备可以直接挂载在交换机输出的总线上，这样便
构成了主从式的局域监控网。由于KJ 127有6路可选接口，因此KJ127防爆型交
换机可以挂载6台设备。
从系统结构图5可知，监控分站是瓦斯监控系统的核心组成部分。主控芯片
STM32F103ZE(T6)，外部扩展存储器、各种传感器、LCD显示和CAN通信接口
等是监控分站的重要组成部分。传感器模块监测的参数有风速、瓦斯浓度、温度
等，模拟量通道占用8路，另外8路为开关量和频率复用的输入通道。通过在监
控分站中引入神经网络来对瓦斯浓度进行预测，提高了监控分站的报警能力。各
种传感器将采集到的现场信息经监控分站处理之后，通过LCD显示出现场信息。

1万 · 2019-2-15 09:21

监控分站是瓦斯监控系统的重要组成部分，本章重点介绍硬件部分。井下监
控分站主要包括:存储器模块、传感器模块、通信模块、调试模块、时钟电源模
块以及报警与显示模块等，图6给出了监控分站的硬件结构图。

1万 · 2019-2-15 09:22

在整个监控系统中，主控制器属于核心器件，起着，CC It`,脏”的作用。主控制
器不仅需要为电路提供时钟和脉冲，还要负责查询各个传感器的工作状态，也承
担着数据处理的任务，并且随时做好接收上位机指令的准备，完成对应的操作。
综上所述，我们对主控制器有如下要求:
主控制器要有足够高的可靠性与稳定性，在矿井这种复杂的环境中，主控制
器可靠运行是保证瓦斯监控系统正常运转的基本依据。
主控制器要有高速处理数据的能力，监控系统集成了多项功能在主控制器上，
主控制器要满足速度快、精度高的要求，以保障系统的实时性、准确性。
综上所述，本系统主控制器的CPU选用STM32F103型单片机。与以往的监
控分站相L匕，本系统采用的是基于Cortex-M3内核的STM32F103ZE(T6)型号的
ARM微控制器。在性能上比传统的16位单片机优越的多，并且片上资源非常丰
富，很符合瓦斯监控系统的需求。
STM32系列微控制器是基于 Cortex-M3内核的MCU，性能高、成本低。在
ARM7的基础上研发出Cortex-M3内核，可以说Cortex-M3是升级版。该微处理器
采用哈佛构架，根据哈佛结构的特性，由于指令和数据占据不同的总线，所以指
令和数据可以同时操作。而ARM7系列的微处理器仍然是冯诺依曼架构，指令和
数据不能同时对存储器操作。因此，选用Cortex-M3内核的微控制器可以同时处
理多个程序，提高了工作效率。

1万 · 2019-2-15 09:22

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1万 · 2019-2-15 09:23

1万 · 2019-2-15 09:23

矿井内部由于煤炭开采的原因，会不断的涌出瓦斯和其他有害气体，为此有必
要根据监控的数据和瓦斯浓度的预测值对矿井内部的通风机进行控制，本文使用
变频器控制通风机的转速，与变频器的通信是通过RS485总线来完成的。串口芯
片采用SP3485EEN，有两个驱动器和接收器，并且有静电放电保护，电路图如下
图11所示:

1万 · 2019-2-15 09:27

传感器采集的参数分为开关量和模拟量两种形式。本文设计的监控分站共有
16路传感器测量通道，8路模拟量，另外8路是频率和开关量。
频率肝关量输入端口采用光电隔离，电路图如下图12所示。[45]假如选用的
传感器输出了频率比较高的信号，如此以来，光电隔离的光祸必须使用高速光祸，
因为对于高频信号而言月氏速光祸会导致该信号失真，降低了信号传输的准确性。
本文采用6N137高速光祸，该类型的高速光祸具有隔离电压高达 2500V的优点，
电气隔离的性能非常优秀。
采用STM32F103ZE(T6)芯片自带的A/D转换器，不但简化了监控系统整体
硬件部分的电路设计，同时也使得监控系统的抗干扰能力增强，同时降低了功耗，
提升了系统性能。本文中A/D转换共有8路，图13给出了其中两路模拟信号。
R55和R56的作用是把接入的电流信号转换成电压信号。压敏二极管D5, D6起
到的是保护主控芯片STM32F103ZE(T6))引脚的作用，当电压过大时，二极管被
反向击穿，将过大的电压接地，从而保护了主芯片的引脚。Rt1}Rt4是一种自恢
复保险丝，也是高分子热敏电阻。当发生电流过大的情况时，热敏电阻急剧升温
使得阻值也急剧变大。当输入电流恢复到正常值之后，热敏电阻就可以恢复为正
常值，起到了过流保护的作用。

1万 · 2019-2-15 09:27

因为瓦斯属于危险气体，超过一定浓度就会大大的增加爆炸的可能性，因此
在监控系统发现瓦斯浓度超过安全阂值后，应立刻提醒工作人员，声光报警电路
就完成了这样的功能。首先监控分站会对传感器监测的瓦斯浓度的实时值进行判
断，然后再根据浓度预测值进行综合判决，如果综合判决状态为轻微时，绿色LED
灯亮，蜂鸣器警报。如果综合判决的状态为危险时，红色LED灯亮，蜂鸣器警报。
声光警报电路图如下图14所示。正常情况下，蜂鸣器的工作电压为++12V，所以
要利用二极管的单向导电性，防止三极管击穿之后损坏主控芯片的引脚。

1万 · 2019-2-15 09:28

对于瓦斯监控系统来说，监控分站通过传感器采集现场的物理量，经过监控分
站处理之后，得到具体的数值，为了方便现场工作人员只管的读取到瓦斯浓度值
以及其他的参数，在监控分站设置了LCD显示屏，主要显示瓦斯浓度、监测点的
风速、温度以及监控分站地址和综合判决的结果等等。传统的数码管显然己经不
能满足显示的需求。本文采用三星公司生产的LTV350QV FOE(带触摸屏)LCD
显示屏。STM32F103内部集成了LCD控制器，像素点时钟与行时钟可以通过编
程来控制，并且可以支持多种显示模式，图16即为LCD显示电路图。
LCD控制器的数据线VD}23: Oj对LCD直接控制，其他需要用到的信号有:
帧同步信号VFIEZAME、像数时钟信号VCLK、数据有效标志信号VMo
根据瓦斯监控系统的要求，为了方便的在监控分站设置参数和查询数据，本
文设计了四个功能按键，分别代表了“上调”、“下调”、“功能”以及“确定，’，
如下图17所示:

1万 · 2019-2-15 09:29

瓦斯监控系统的首要任务就是对监控现场进行数据采集，与其他任务相比，
数据采集模块属于最基础的模块，如果没有现场数据的采集，也不会出现后来的
显示、通信等任务。
对于频率型信号来说，通常测量的方法有测周期和数脉冲个数两种。本文采
用测周期的方法，在该信号的上升沿或下降沿到来的时候开始计时，等待第二个
信号的到来，在第二个信号的上升沿或者下降沿计时结束，根据计时的大小来计
算得出测量的频率值。增强型的STM32F103包括1个高级控制定时器、3个普通
定时器以及2个看门狗定时器和1个系统滴答定时器。本文采用定时器1，下降
沿计数。计数器在计数之前必须关中断，不允许在计数过程中响应中断请求。利
用下降沿计数，在While循环语句中等待两个下降沿的到来，然后把采集到的时
间值写入到数据缓冲区。由于While语句属于循环语句，为了避免循环语句出现
死循环的情况，只需要在结束计数时，判断当前计数器的数值是否超过某一数值
即可。频率型传感器的输出频率一般高于100Hz低于1000Hz，而且一般频率型
传感器的输出频率大多会高于100Hz，如果频率型传感器输出的频率为1000H2
时，计数器的计数值最高为OxF000。所以可以通过判断超时标准的值OxF000}
避免出现死循环。频率型信号的采集流程图如图加所示。

1万 · 2019-2-15 09:30

为了实现对传感器输出0-5-lOmA的开关量信号进行采集数据时，需要进行
电压转换，先把电流信号转为电压信号，再对该引脚的电平状态进行采样再判断
即可。当传感器输出为电流时，输出的1-SmA和4-20mA的电流信号可以经过
680。和150。的电阻转换成3V左右的电压信号，然后再经过A/I〕转换成数字量，
流程图如图21所示。