基于现场总线技术的矿井环境监测系统研究

田浩

摘 要：本文以CAN总线技术为工程背景，将无线传输技术引入矿井环境监测数据传输过程中，研制一套简单、经济、可靠的基于CAN总线技术的矿井环境监测系统。论文研究成果为矿井安全生产、环境监测提供了一套切实可行的新的解决方案。

关键词：CAN总线；矿井；环境监测；无线传输

1 矿井环境监测系统的硬件设计

本监测系统采用现代控制理论，由设备层、控制层以及信息层3部分构成，监控主机与底层实时监测设备的互联采用CAN总线，为扩展矿用检测仪表工作范围，设备层在采用固定节点的基础上，还采用了具有无线数据传输功能的手持检测仪表（移动节点），使其实现即走即测，即测即发的功能，其总体结构如图1所示。

设备层：处于最底层的信息处理单元，由监测设备、执行机构等组成。各种底层的监测设备，通过本安型网络智能分站或中继器，实现各种CAN总线数据和网络标准IP数据的转换。本文中，主要检测仪器为瓦斯浓度和温湿度检测模块。其中，为了更准确、更及时的检测到瓦斯浓度、温湿度等参数，采用了移动节点和固定节点两种型式。移动节点绑定了无线收发模块、瓦斯浓度和温湿度检测模块，是具有无线收发功能的报警显示装置，可以由矿工随身配带，也可在指定位置安装。固定节点也绑定了无线收发模块、瓦斯浓度和温湿度检测模块，它自身既可以测量周围环境温湿度和瓦斯浓度，又可以接收移动节点传来的瓦斯浓度、温湿度数据及携带者的身份定位信息，通过CAN总线与地面监测主机通信。考虑到无线传输及区域切换的范围，固定节点以相隔一定距离的方式安置于巷道两帮，移动节点与固定节点之间实行点对点通信。风机、水泵、采煤机、皮带机的控制、矿压监测仪器等同样也可以作为固定节点挂接在CAN总线上。

控制层：主要由CAN总线网络及其网络交换设备组成，负责整个监控系统的调度、各控制站点间的信息联系和数据处理，是整个矿井环境监测系统的核心和联系信息层和设备层的纽带。

信息层：主要由地面控制主站组成，提供与低层设备的交互界面，通过上位机软件、网络中继和CAN总线，访问和控制井下检测仪等监测设备，实现监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析、报表打印等。一方面支持实时数据的传输，如瓦斯浓度、温湿度等信号的传输，真正实现矿井监测数字网络化；另一方面，也支持非实时关键数据的传输，例如监测历史数据下载，现场设备控制程序上载等。

2 矿井环境监测系统的软件设计

从图1中可看出，整个系统由两个部分组成：井上部分和井下部分。

井下部分是整个系统的核心，分为两个部分：移动节点和固定节点，二者共同组成井下“无线收发单元”。移动节点可以在工作人员移动过程中进行实时检测，并将检测值和自身的地址码发送至固定节点。固定节点自身具有CAN总线数据接口，它每间隔特定距离安置在巷道两帮，固定节点与地面监控主机之间采用CAN总线通讯方式。井下无线收发单元中的移动和固定节点相互之间是无线传输。无论是移动还是固定，每个射频模块都有自己特殊的地址码，与其它模块均不相同。在与固定节点上的射频模块进行通信时，数据帧里就包含这个特殊的地址码，监控主机的软件平台已经将固定节点的位置信息进行了登记和存储。当上传的信息包含有与它们进行无线通信的移动节点的地址码信息时，就表明佩带和安装该移动节点的人员及设备很接近该固定节点，从而判断出移动人员的位置，这些位置信息均由系统存入数据库。

井上部分主要是软件操作平台，按照功能划分为2个子系统：实时监控软件和信息管理软件。实时监控软件是整个矿井环境监测系统的基础，监管主机的RS-232接口通过RS-232/CAN接口适配器与井下CAN总线进行数据传输。其功能主要为：完成监控节点的信息采集、实时处理和存储。从井下上传的信息不但包括瓦斯浓度、温度、湿度等数据，还包括井下工作人员和设备的位置信息，这些庞大的数据量经过压缩后都被保存在数据库中，是信息联网的基础。管理软件可采用Windows自带的“超级终端”，主要功能是对移动监控点信息的录入、修改、查询和统计。

3 软、硬件抗干扰措施

3.1 硬件抗干扰措施

（1）采用优良的电源和接地系统。在移动节点和固定节点设计中采用良好的电源，从而减少了由电源引入的干扰。系统中的数字地和模拟地严格分开，避免了干扰由电源地侵入系统。

（2）光电耦合隔离。采用光电耦合隔离，可以切断输入输出电路的电路联系，从而有效地防止干扰从过程通道进入系统，保证信号在总线中的无干扰传输。

3.2 软件抗干扰措施

由于环境恶劣、现场被测量变化速度缓慢，所以常采用程序判断滤波法，对采集的信号进行软件抗干扰措施。

此外，当控制系统存在输入干扰，又不能用硬件加以有效抑制时，可用软件重复检测的方法，达到“去伪存真”的目的，直到连续2次或连续2次以上的采集结果完全一致时方为有效。若信号达到最高次数限额时，则可给出报警信号。

[参考文献]

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