基于Cortex－M3的井下报警及定位系统设计

张 莹

(渭南师范学院 数理学院，陕西渭南714099)

近年来，全国煤炭产量迅速攀升，由2001年的1.1×1012kg上升到2014年的3.87×1012kg.与此同时，不断发生的各类煤矿事故造成了巨大的人员伤亡和经济损失.据不完全统计，2001—2013年全国煤矿共发生各类死亡事故30 487起，死亡人数达52 329人，引起了社会乃至国际上的广泛关注［1］.在频发的煤矿安全事故中，瓦斯爆炸占了很大一部分.因此，如何实现矿井瓦斯爆炸的早期预测及预报，消除因瓦斯爆炸造成的人员伤亡和经济损失就变得尤为重要.本文提出了一种智能井下预警及求救系统设计方案，该系统以Cortex－M3为控制核心，采用ZigBee无线组网和CAN总线技术通信，可实时监测井下各种环境参数，当瓦斯浓度达到设定的阈值时，系统将向矿工及监控中心发出报警信号，以降低矿难事故发生的概率，提高矿井的事故预防能力.

1 系统框架及功能

作为一个集预警、求助、定位于一体的智能型预警装置，本系统主要实现3个功能:一是用于检测井下作业人员所处的环境状况，包括甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、烟雾、温度、光照等5个环境参数，并能够实时地将各测量值发送到地面监控中心的主控计算机上显示和记录，当某个环境参数超过阈值时能够发出报警信号提醒作业人员注意;二是向周围作业人员发出信号，引导周围人员前来救助;三是实时向监控中心发出遇困人员的求救信号和位置信息，以便遇困人员及时得到解救.

系统框图如图1所示.每个井下作业人员均配备有一个无线传感器节点，在矿井通道的不同位置放置一些转发器，每个传感器节点和转发器都有唯一的ID号.井下作业人员在移动过程中，身上所携带的传感器节点能够自动地与距离它最近的转发器之间形成一个临时的传感器网络.传感器节点周期性地采集环境参数，如果超过阈值，将通过蜂鸣器发出报警声以提醒井下作业人员注意.同时，传感器节点将采集到的环境参数和其自身的ID组成一个ZigBee数据帧发送到转发器.转发器收到来自于传感器节点的数据帧后，在数据帧前面加上自身ID，按照CAN总线协议规范的要求，组成一个新的数据帧发送到CAN总线上.MCU主控制器收到CAN总线上传送来的数据帧后，将数据帧转换成能够通过串口或者以太网方式传送的串口帧或者以太网帧发送到地面主控计算机.当环境参数值超过阈值时，主控计算机会发出报警声，以提醒地面监控人员注意.此外，主控计算机中将记录任意时刻收到的数据，为发生事故之后对事故原因分析提供依据.由于转发器的位置相对固定，而ZigBee无线通信距离有限，因此，监控中心从接收到的数据中，不仅能解析出井下环境参数，而且可以获知作业人员当前所处的大致位置，这也为发生矿难之后的营救工作提供了一定的参考依据.

图1 系统方案框图

2 系统硬件设计

2.1 MCU 主控制器

主控制器选择TI公司Cortex－M3系列的LM3S9B96微处理器，该芯片支持CAN2.0协议，通信速率最高可达1 Mbps;支持32个拥有独立标识的消息对象，完全满足CAN总线上数据的收发要求;支持串口和以太网，便于同PC机通信并进行系统维护［2］.

2.2 CAN 总线

CAN总线作为一种串行通信协议，具有如下几个方面特点:(1)成本低，易于架设，可随着采矿的不断深入而逐渐延伸;(2)通信距离远，在5 Kbps的传输速率下通信距离可达10 km，通过中继转发能够进一步扩大其通信范围;(3)使用差分电压通信，抗干扰能力强，特别适合在井下这种环境恶劣的条件下使用;(4)网络容量大，标准的CAN总线使用11位作为节点标识，能够支持2 048个节点，而扩展格式时使用29位作为节点标识，大大增加了所支持的节点数目.

2.3 ZigBee无线通信

ZigBee是一种低成本、低功耗、低速率的无线组网技术，主要用于近距离无线连接.它采用IEEE802.15.4无线通信标准，可在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信.这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传递到另一个传感器，通信效率高［3］.由于井下作业人员具有较强的流动性，而ZigBee的网络自组织功能能够自动断开已建的网络并切换到新的网络，从而便于工人从一个转发器网络切换到另一个转发器网络.系统中ZigBee节点的主控芯片选用CC2530，该芯片内置工业级的8051内核，可实现各类传感器数据的采集.

2.4 SPI总线转CAN总线模块

由于ZigBee转发器模块不具备CAN总线接口，不能够直接连到CAN总线上，因此，需要在ZigBee转发器模块与CAN总线之间添加一个转换模块.本设计中采用MCP2515和TJA1050相结合的设计方案［4］.MCP2515 CAN总线接口电路如图2所示，图中省略了MCP2515和Cortex－M3的接口部分.为提高数据传输时的抗干扰能力，在MCP2515与CAN总线收发器TJA1050之间采用高速光耦进行完全的电气隔离.此外，TJA1050的CANH和CANL引脚与地之间连接2个30 pF左右的电容，可以过滤CAN总线上的高频干扰;2个二极管可以在总线电压发生瞬变干扰时起到保护作用.

2.5 传感器及报警电路

系统中，井下作业人员携带的传感器网络节点包括环境参数采集电路和报警电路.由于瓦斯的主要成分包括甲烷(CH4)和一氧化碳(CO)，需对这两种气体的浓度进行检测，一旦达到阈值，将启动报警装置发出警报.此外，为了更好地了解井下作业环境，可同时对烟雾浓度、光照强度、温度3个参数进行采集，地面监控中心的主控计算机上可以实时显示任一井下作业人员所处环境的这5个参数.

图2 MCP2515 CAN总线接口电路

3 系统软件设计

3.1 主控软件设计

基于Cortex－M3的主控软件需完成的功能包括:(1)接收CAN总线上的数据帧，并将其转换成能在串口或者以太网上传输的数据帧格式;(2)根据传输方式的设置，将数据通过串口或者以太网传输到主控计算机;(3)通过串口接收从计算机发出的测量请求，并将其转换成适合在CAN总线上传输的数据帧;(4)Shell负责接收从串口或者以太网传送来的调试命令，并返回执行结果.

3.2 PC端监控程序设计

主控计算机需要完成的任务主要包括:(1)根据监控人员需要通过串口或者以太网方式连接到MCU主控制器;(2)允许监控人员根据实际情况添加或删除节点.考虑到不同井下作业人员作业范围不同，为各个节点设置允许的环境测量值;(3)监控人员可以设置各个节点环境参数的阈值，当测量值超过阈值时通过报警装置通知监控人员;(4)在收到井下作业人员的求救信号之后通过报警装置通知监控人员;(5)记录所有接收到的环境参数测量值，并根据需要增加绘制各测量值的波形图谱功能，方便以后查看和研究分析;(6)为了方便监控人员的操作，提供配置文档的保存和加载功能.

图3 滤波效果

3.3 噪声抑制软件设计

由于传感器在测量周围环境参数时会受到一些突发因素的影响，从而导致测量得到的数据中会有一些噪点，如果直接使用这些数据，可能会导致系统误报警，为避免这种情况出现，有必要对收到的数据进行滤波.考虑到效果和实现上的难易程度，设计中采用一维均值滤波法［5］.Matlab仿真结果如图3所示，从图中可以看出滤波之后的数据变得比较平滑，大部分噪点都被滤除.

3.4 系统运行界面

主控计算机监控界面如图4所示，在实验室中模拟井下环境，ZigBee网络中设置1个协调器和3个传感器节点，采集温度、光强、CO浓度、CH4浓度和烟雾浓度等环境参数.测试结果表明，系统运行正常.

图4 系统运行界面

4 结论

本系统采用有线通信(CAN总线)和无线通信(ZigBee)相结合的方式，克服了有线通信方式移动性能差以及无线通信方式通信距离受限并容易产生多径干扰的缺点，保证了在发生坍塌事故时，只要CAN总线未被完全压断并且井下作业人员周围有可用的转发器时，依然能够和地上监控中心取得联系，为井下作业人员的安全提供了可靠的保障，可有效降低矿井事故发生的风险.

［1］邓奇根，王燕，刘明举，等.2001—2013年全国煤矿事故统计分析及启示［J］.煤炭技术，2014，33(9):73－75.

［2］马忠梅，徐琰，叶青林.ARM Cortex微控制器教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2010.102－115.

［3］李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.221－232.

［4］杨春杰.CAN总线技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2010.92－105.

［5］夏永泉，徐洁，崔伟.均值滤波中邻域均值的快速计算［J］.郑州轻工业学院学报(自然科学版)，2008，23(3):57－59.