煤矿多功能便携环境参数检测仪

刘江霞，范宝德

(1．烟台大学工程实训中心，山东烟台　264005；2．烟台大学计算机学院，山东烟台　264005)

0　引言

国家安全生产监督管理总局于2007年1月1日发布的中华人民共和国安全生产行业标准《AQ 1029—2007：煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》中规定：“矿长、技术负责人、爆破工、采掘区队长、通风区队长、工程技术人员、班长、流动电钳工、安全监测工下井时，必须携带便携式甲烷检测报警仪或甲烷检测报警矿灯。瓦斯检查工下井时必须携带便携式甲烷检测报警仪和光学甲烷检测仪”。为了保障煤矿中正常的生产过程和井下人员的生命安全，不仅需要检测煤矿中的瓦斯浓度，还要检测其他的环境参数(比如温度、CO、CO2等)[1]。在2011年国家安全生产监督管理局和国家煤矿安全监察局联合修订的《煤炭安全规程》中明确给出了矿井有害气体最高允许浓度及检测方式的相关规定。因此，需要设计一款多功能的便携式环境参数检测仪，不仅能够实现瓦斯浓度检测的功能，还能实现温度、CO、CO2的检测，并对检测数据进行数字显示、存储及传输。

1　系统整体功能设计

煤矿多功能便携检测仪的系统结构框图如图1所示。检测仪以ARM芯片STM32F107VCT6为核心，以MH-440V/D红外瓦斯传感器、MH-410V/D红外CO2传感器、ME2-CO型电化学CO传感器、DS18B20数字式温度传感器为检测元件，采用4.8 V/4 500 mAh的镍氢电池供电并具有低电压报警功能，具有电源管理电路、声光报警电路、实时时钟RTC、按键及LCD显示电路，不仅实现了温度、瓦斯浓度、CO2浓度、CO浓度的检测功能，还实现了检测数据的自动存储以及可以满足各种应用的通信接口(CAN总线、ZigBee[2]、USB、以太网)。

图1　检测仪的系统结构框图

2　系统硬件电路设计

2．1MCU及LCD、RTC、按键电路设计

STM32F107VCT6是一款基于CortexTM-M3的32位ARM内核的MCU，主频可达72 MHz，具有256 KB的Flash和64 KB的SRAM，具有2×12位1 μs的A/D转换器 (16通道)、2 × 12位的D/A转换器、12通道的DMA控制器，多达80个快速I/O接口和10个定时器，并有多达14个通信接口(2个I2C，5个USART，3个SPI，2个CAN，1个USB 2．0，1个10/100M以太网 MAC)。具有高度集成的内部功能，简化了系统的软硬件设计。STM32F107VCT6的复位、晶振电路、RTC、LCD、按键与MCU的连接关系如图2所示。

图2　按键、LCD、RTC、晶振及复位电路

系统的LCD显示屏采用3.3 V供电的5.7英寸带中文字库的液晶屏ZLG320240T，其显示精度为320×240点阵，采用8位并行数据线方式与MCU的PE0～PE8相连，用来动态显示当前环境参数数据，也可以显示需要查询的历史数据。LCD的控制电路具有LCD自动断电的节电方式，由MCU的PC3控制，当需要查看LCD屏时，通过按动开屏键点亮LCD，如果超过一定时间(此时间可用按键设定)没有操作按键，LCD将自动断电，实现节电功能。RTC电路使用MCU内部集成的RTC模块，外接32.768 kHz晶振及纽扣电池，为系统提供精确的时间信息，将采集的数据和数据采集的时间信息绑定一起显示或存储，也为历史数据的查询提供方便。除了复位键外，系统还设计有4个独立的按键，分别是LCD显示键、增量键、减量键、设定/确认键，通过MCU的PC6～PC9管理，可以实现对时钟信息的调整、LCD自动断电时间的调整、查询设定等功能。

2．2电源管理、声光报警及SD卡电路设计

多功能检测仪的电源管理及电池欠压检测电路、声光报警电路和SD卡电路如图3所示。

图3　电源管理、声光报警及SD卡电路

系统设计有SD卡接口，检测仪检测的数据会被自动存储到SD卡中。检测仪在使用过程中不间断地检测环境数据，由于环境参数变化很缓慢以及人员移动速度有限，因此将向存储卡中存储的数据采用每隔1 s存储1次，存储的值为1 s内各个检测数据的平均值，即节省了存储空间，又提高了检测精度。

检测仪系统采用4.8 V/4 500 mAh的可充电的镍氢电池供电，通过LM1117-3V3将电压转换为3.3 V为整个系统供电。电路设计有充电接口，并将电池电压采用2个0.1%的精密电阻分压后进入MCU的AD引脚PC0进行采集，来实现对电池电量的监视，除在液晶屏上实时显示电量外，当电池电量过低时MCU通过引脚PB15控制LED灯闪烁报警，提示管理员及时充电。

声光报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成，使用MCU的PB9引脚控制。当检测的环境参数超标时自动进行声光报警，为了区分不同物理量超标的情况，报警电路采用不同的频率进行报警。

2．3传感器接口电路

多功能检测仪可实现温度、甲烷、CO2和CO的检测，4种传感器接口电路图如图4所示。

图4　传感器接口电路图

瓦斯传感器选用MH-440V/D红外气体传感器，是一款通用智能的微型传感器，该传感器利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的CH4进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，性能稳定、寿命长。内置温度传感器，可进行温度补偿。工作电压范围为DC 3～5 V，测量范围0～100%vol范围内可选，分辨率1%FSD，预热时间90 s，具有模拟和数字输出方式，系统使用数字输出形式将传感器连接到MCU的USART1(PA9和PA10引脚)上。

CO2传感器选用MH-410V/D NDIR红外气体传感器，该传感器也是利用NDIR原理对空气中存在的CO2进行探测，特点与MH-440V/D类似，也具有模拟和数字输出方式，系统使用数字输出形式将传感器连接到MCU的USART2(PD5和PD6引脚)上。传感器工作电压为4.5～5.5 V，系统中采用4.8 V电池直接供电，输出信号范围为0.4～2 V，因此不会影响3.3V的MCU与其通信。

CO传感器选用ME2-CO型电化学传感器，其根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极电位上的电化学氧化过程，待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度呈正比并遵循法拉第定律，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。传感器为模拟电流型输出，输出灵敏度为(0.015±0.005) μA/ppm，需要采用信号调理电路将电流信号转换为电压信号，然后连接到MCU的AD引脚PB0上进行A/D转换。

温度传感器选用DS18B20数字式温度传感器，其具有单总线接口数字输出方式，分辨率为9～12位可选，只需占用MCU的1个I/O引脚，系统中使用了MCU的PB1引脚与传感器信号引脚相连。供电范围为3.0～5.5 V，测温范围为-5～125 ℃。

2．4通信接口电路

多功能检测仪设计有多种通信接口，可以通过USB、CAN、以太网等有线方式或ZigBee无线方式与外界通信，通信接口电路图如图5所示。可以实现多机联网，也可以使用矿井中的CAN总线网络和工业以太网由井下直接将数据传送到地面监控室，还可以通过USB方式与PC机实现数据传输。随着物联网技术的研究和发展，为了适应矿井物联网发展的要求[3]，检测仪设计了基于ZigBee的无线通信接口，以便将来在井下能够无缝融入到基于ZigBee的监控网络[4]中去。

图5　通信接口电路图

STM32F107VCT6内部集成了一个USB2．0控制器、2个CAN控制器、1个10/100M以太网MAC，在电路设计时只需外接USB接头、CAN收发器和以太网接口芯片就可以实现接口功能。CAN收发器采用了适合3.3 V系统的带隔离的收发芯片CTM8251AT，简化了电路设计并提高了仪器的抗干扰能力。以太网接口芯片选用了10/100M以太网物理层收发器DP83848。ZigBee通信采用了第二代片上系统CC2530F256芯片[5]，具有内置8051微处理器核、256 KB的FLASH、8 KB的RAM、5通道的DMA、8通道12位的ADC、21个通用I/O接口、支持精确的数字RSSI/LQI[6]、2个USART等功能，除了收发模式外具有3种节电模式。ARM通过SPI接口与CC2530F256通信，由CC2530F256实现ZigBee网络功能，两者组成双MCU系统。

3　系统软件设计

系统的软件设计包括ARM芯片STM32F107VCT6和ZigBee片上系统CC2530F256的程序设计。ARM芯片软件设计使用RealView MDK软件作为开发工具[7]，由于系统要实现信号采集、显示、存储、通信(CAN、USB、以太网、ZigBee)、按键管理、时钟管理、报警等复杂功能，因此采用了基于优先级抢占、多任务、可裁剪的嵌入式实时操作系统uC/OS-II[8]，并移植了LwIP (Light Weight)P) 嵌入式TCP/IP协议栈，程序框架如图6所示。uC/OS-II可管理多达64个任务，可以设置各个任务的优先级，可以为每个任务分配独立的堆栈空间，实现快速的任务切换，保证各个任务独立工作、不起冲突。

图6　ARM芯片的程序框架

CC2530F256的软件设计使用的开发环境为IAR-EW8051，采用了免费的ZigBee协议栈Z-Stack 2．3．1，主要实现了系统初始化、ZigBee网络搜索及网络加入、数据的无线收发、与ARM通信等功能，ZigBee系统主流程图如图7所示。

图7　ZigBee系统主流程图

4　结束语

设计了一款煤矿用、多功能、多网络接口、便携式的环境参数检测仪，重点介绍了系统的硬件及软件设计。检测仪可以对煤矿井下的瓦斯、温度、CO和CO2移动采集、存储和实时显示报警，并具有隔离的CAN接口、以太网接口、USB接口，可以直接连接到煤矿井下已有的各种网络上，而且为满足矿井物联网的发展要求，设计了基于CC2530的ZigBee网络接口，实现了数据的无线传输及组网功能。

参考文献：

[1]李文峰．煤矿瓦斯可燃性气体及井下环境参数的检测．煤矿安全，2006(1)：49-50．

[2]刘玉珍，程政，蒋靖．基于ZigBee的井下巷道瓦斯监测系统．仪表技术与传感器，2012(9)：49-51．

[3]孙继平．基于物联网的煤矿瓦斯爆炸事故防范措施及典型事故分析．煤炭学报，2011，36(7)：1173-1176．

[4]李雄飞，孙俊杰，陈磊，等．基于ZigBee技术的无线设备状态监测系统．仪表技术与传感器，2012(12)：139-140．

[6]章坚武，张璐，应瑛，等．基于ZigBee的RSSI测距研究．传感技术学报，2009(2)：285-288．

[7]库少平，刘晶．基于STM32F10x和MDK的步进电机控制系统设计．武汉理工大学学报，2009，31(3)：107-110．

[8]宋亮，苗琼．嵌入式实时操作系统uC/OS-II串口通信的设计与实现．电子设计工程，2011，19(1)：42-46．