基于CAN总线井下安全监控系统的设计与实现*

丁利琼，谭秋林，裴向东，朱思敏，张献生，康 昊

（1．中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原 030051;2．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051）

0 引言

煤炭生产、加工、利用等每一个环节都带来了环境污染、安全等一系列的问题，其中之一便是产生大量有害气体，包括CO，CH4等。各种重、特大事故频繁发生，造成了巨大的经济损失和恶劣的社会影响［1］。因此，对井下环境有毒气体和温湿度的监测尤为重要。目前，市场上存在的煤矿监测监控系统主要采用FSK或RS—485方式进行数据通信，这两种通信方式都有一定的不足，特别是分布式系统，例如:煤矿井下作业，而CAN总线式通信协议支持多主站，能够满足矿井监控系统对监控分站的要求。本文利用集成CAN控制器的单片机C8051F040配置CAN总线通信网络［2］，在CAN总线节点上挂接气体传感器、温湿度传感器及粉尘传感器来实时监测井下环境的温湿度、有毒气体及可吸入人体颗粒的浓度，当监测值超过安全阈值时，系统进行声光安全报警。

1 系统硬件逻辑设计与实现

井下安全监控系统设计结构框图如图1所示，本设计通信网络有4个节点，1个主节点，即数据接收节点（主控端），3个从节点，即数据采集节点（采区）［4］。主节点主要实现对其他3个从节点的控制，接收从节点发来的数据，实时显示，并与上位机通信等功能。从节点负责数据采集，它通过挂接在CAN总线上的传感器采集数据［3］，采集的数据处理后再通过CAN总线传送至主节点，实现数据的动态通信。

上位机则通过发送命令到各节点来收集数据，修改过程参数，实现与各个CAN节点的通信。各节点可以将采集到的数据送到上位机进行复杂的数学计算并保存打印，实现更加优越的信息处理功能。

图1 井下安全监控系统结构框图Fig 1 Structure block diagram of safety monitoring system underground coal mine

1．1 主控端

主控端主要由CAN收发模块、开关控制模块、CAN转换模块、液晶显示模块等构成，结构框图如图2所示。

图2 主控端结构框图Fig 2 Structure block diagram of main control item

主控节点通过CAN收发器以广播形式向CAN总线发送数据点名信息［5］，待其接收到分节点发出的应答信号后，向分节点发送数据请求，分节点根据优先级不同分别向主节点发送该节点数据，主节点接收数据并实时显示。

1．2 监控端

现场监控端主要由单片机控制模块、双气体传感器（CO/CH4）模块、单一气体（H2S）传感器、温湿度传感器、数据发送模块等模块组成，结构框图如图3所示，主要完成对现场数据的采集并发送至CAN总线。首先传感器对井下采区数据进行采集，采集的数据经过信号调理电路进行信号的预处理后，由模/数转换模块转换成单片机能识别的数字信号再传送至单片机［6］，单片机中的CAN控制器模块将数据封装成标准的CAN协议数据帧，传至CAN总线。

图3 监控端结构框图Fig 3 Structure block diagram of monitoring item

1．3 温湿度采集模块

温湿度传感器采用由中北大学研制的AM2302，它是一种含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器［6］。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保传感器具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，实物图如图4所示。

图4 温湿度传感器实物图Fig 4 Physical map of temperature-humidity sensor

1．4 双气体（CO/CH4）体积分数采集模块［7］

本文采用由中北大学研制的基于红外原理的集成有害气体传感器，该传感器通过微光机电集成，利用红外光线对一定体积分数气体吸收的原理，同时对CH4和CO气体体积分数进行检测，具有体积小、重量轻、精度高、稳定性好等一系列优点，实物图如图5所示。

图5 双气体传感器实物图Fig 5 Physical map of double gas sensor

2 系统软件设计

本系统采用C51程序编写，分为主程序、传感器子程序、液晶显示子程序、声光报警子程序等，核心程序流程图如图6所示。通电之后利用开关设置各待测参量的安全阈值。单片机上电初始化后，开始采集温度，湿度，CH4，CO，H2S气体体积分数、粉尘浓度等数据，设置定时时间为2 s，2 s不到，继续采集;2 s到，液晶屏显示当前各值。所显示的各数值如果都不超过设定的安全阈值，则显示屏上每2 s更换一次数据;如果有任意体积分数值超过设定的安全阈值，则蜂鸣器报警、LED报警灯亮。

图6 核心程序流程Fig 6 Flow chart of core program

3 仿真与实验结果分析

传感器被分布式布置在井下各需被检测的采区位置，其输出数据通过远端的监控中心进行监控，检测原煤开采过程中所产生的CH4，CO2，H2S，CO等气体，并结合温湿度传感器的信息判断事故发生的可能性，实现预警，从而避免事故的发生。

在实验室模拟环境下测得CO气体体积分数曲线图如图7所示。图8为所测CH4气体的体积分数曲线图。

图7 CO气体体积分数曲线Fig 7 Curve of volume fraction of CO

图8 CH4气体体积分数曲线Fig 8 Curve of volume fraction of CH4

4 结论

本文给出一种基于CAN总线的井下安全监控系统的设计，选用C8051F040作为核心控制器件，设置了多个智能测控节点，将整个监控网络组成局域网，利用CAN总线高性能、高可靠性以及抗电磁干扰能力强的特点，实现了各节点与上位机的数据通信。经过长时间的实验与测试，该监控系统能够实现对井下现场各危害指数的精确监测、报警，本系统结构简单、性能稳定、可靠、高效，且生产成本低，具有较高的实际应用价值。

［1］ 闫 飞．基于CAN总线的煤矿检测监控系统——分站的研制及通讯实现［D］．西安:西安科技大学，2009:2－5．

［2］ 喻 梅，夏秋航，杨晓东．井下人员定位系统中基于CAN总线的通信网络设计［J］．科技信息，2007，32（2）:1 －5．

［3］ Xia Shixiong，Qiao Dalei，Chen Dai，et al．A new design and implementaation of an attendance cheking node for coal mines［J］．Journal of China University of Mining ＆ Technology，2007，17（2）:193－196．

［4］ 朱 敏，张崇巍．CAN总线在数据采集与控制系统中的应用［J］．合肥工业大学学报:自然科学版，2006，25（3）:1 －3．

［5］ 王红旗，李 辉．基于CAN现场总线的智能温度采集模块的设计与实现［J］．计算机测量与控制，2006，14（1）:125 －127．

［6］ 丁 兰，曹延磊．环境温湿度实时监测系统的研制［J］．安徽电子信息职业技术学院学报，2011，10（5）:1－3．

［7］ 谭秋林．面向危险气体检测的红外光学气体传感器的关键技术研究［D］．太原:中北大学，2009:34－50．