基于ARM的煤矿多功能传感器的设计

张全柱，葛艳香，邓永红，张文山，钱会发

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

基于ARM的煤矿多功能传感器的设计

张全柱，葛艳香，邓永红，张文山，钱会发

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

为了使传感器满足不同场合的需求和减少成本，设计了一种将多个传感器与ARM11处理器S3C6410相结合的多功能智能传感器，能够实现把粉尘、CO2、温度和湿度等传感器的功能集合在一起，并且具有存储、显示、语音、数据查询、拍照、报警等新的功能。

多功能智能传感器;ARM处理器;新功能

Abstract：In order to enable the sensor to adapt to the needs of different occasions and reduce the cost，a multifunctional intelligent sensor is designed，it combines multi sensors with ARM11 processor(S3C6410)，will realize the functions of dust sensor，gas sensor，temperature sensor and humidity sensor，and has a storage，display，voice，data query，camera，alarm and other new functions.

Key words：multi－function intelligent sensor;ARM processor;new function

0 引言

传统的检测系统多由分离元件构成，传感器检测信号经过处理后直接由模块表现出来，功能单一，各个模块独立，而且到具体测量点时，通道数量和类型会出现大于或小于监测点数量的情况，造成资源的浪费或不能满足应用场合的需求［1］。为了使传感器去适应不同场合的需要和减少成本，需要设计一种多功能的传感器。利用ARM微处理器可实现软件的温度补偿、数模转换通道的选择和向上位机传递数据等传统传感器无法实现的功能，还具有存储、显示、打印、语音、数据查询、拍照、报警等新的功能。这对促进煤矿安全监测和保证工作人员的健康具有非常重要的意义。

1 系统硬件设计

系统的整体硬件结构包括模拟量传感器接口、数字量传感器接口、信号调理电路、多量程A/D通道、RS485接口和ARM11处理器S3C6410为核心中央处理单元组成，系统硬件结构图如图1所示。

开关量和数字量的传感器可以直接或通过隔离模块与ARM相连接。模拟量传感器输出的模拟量通过编程放大电路，再经过A/D转换器的处理，最后转换为数字信号，再传送到ARM处理器中。微处理器通过逻辑控制多路转换开关，通过选择每个通道对应的传感器，实现了同时采集不同传感器的信号。采集到的传感器信号通过RS485接口传送到上位机系统。按键和LCD驱动电路用来实现采集系统的手动操作、数据采集和状态显示。

在硬件设计中，选择了基于三星供供公司最新的ARM11处理器S3C6410的OK6410评估板，OK6410评估板上集成了很多高端的接口，比如摄像头、SD卡、液晶屏、无线网和温度传感器等［2－3］。在该板块上采用了飞凌配套的摄像头，摄像头接口除了处理信号外，还增加了I2C信号，用来配置摄像头的相关参数。采用了DS18B20的高精度温度传感器，且可连接无线传输模块，来实现上网的功能，也可以用来扩展SD卡座。评估板配置的TV输出接口采用2引脚标准规格，可支持10英寸的TFT液晶屏，音频的输出和麦克风的输入功能是通过使用AC97 I2S总线，外接WM9714 音频芯片来实现的［2－4］。

图1 系统硬件结构图

2 系统的软件设计

矿用多功能智能传感器采用模块化和结构化的设计方法，主程序模块主要完成自检、初始化、通道的选择和调用各个功能模块的功能［5］。根据多功能智能传感器检测系统硬件设计，软件部分的设计分为下位机软件和上位机软件部分的设计，下位机软件程序主要完成寄存器的初始化，还包括对键盘、LCD程序、模数转换器驱动、差分信号的可编程放大功能，在数模转换的过程中，还要对数据做平均值滤波和阀值滤波的操作［6－7］。在上位机数据处理中，程序用LabVIEW编程语言实现，利用LABSQL与ACCESS数据库的接口，每个子程序模块实现对传感数据接收、存储、访问和显示等功能［8－9］。矿用多功能智能传感器的软件流程图如图2所示。

3 测试结果分析

在这里选择粉尘和CO2的测量进行调试运行的演示，对传感器所测得的粉尘浓度进行数据分析，如表1所示;将测得的数据再进行线性拟合，如图3所示，算出浓度理论值和粉尘浓度测量值之间的线性相关系数，粉尘浓度的理论值是通过标定的粉尘浓度传感器来确定的，看测得的浓度值和电压是否存在一定的线性的关系。计算误差范围是否在误差允许范围之内，否则调整传感器的参数设置。当浓度超过预设值时，蜂鸣器报警。

图2 矿用多功能智能传感器的软件流程图

表1 粉尘浓度检测测试数据

由表1中的数据显示，得出粉尘浓度理论值与粉尘测试浓度偏差控制在±5 mg/m3之内，这样的误差范围达到了设计要求。把上述表1的数据进行线性拟合得图3，其中浓度理论值和粉尘浓度测量值之间的线性相关系数为0.999，线性度e为－0.6% ～1.4%。由此可见，该系统的浓度测量值和电压是存在一定的线性的关系，说明该传感器设计合理，达到了设计要求。

从C02浓度标准设定中设置0到1500 ppm内的7个典型的浓度值，各自用了标准的空气质量检测仪器和设计的智能传感器进行C02浓度的检测，釆样的测量数据如表2所示。

表2 CO2浓度检测测试数据

如图4所示，C02测量的数据值和标准的数据值曲线大致是重合的，对不同检测点的数据分析，设计的多功能智能传感器测量C02的精度控制在－30ppm到+30ppm之内。

4 结论

多功能智能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向，目前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作［9］。而设计的多功能智能传感器它是基于ARM系统的，可以即时检测粉尘和瓦斯的浓度，温度和湿度，把传统的单一的检测功能转变为对多个物理量的测量，并且具有存储、显示、打印、语音、数据查询、拍照、报警等新的功能，满足现在矿井对仪器的智能化要求，对矿井的安全检测具有非常大的意义。

图3 粉尘浓度标准值与测量值的对比曲线图

图4 CO2浓度标准值与测量值的对比曲线图

［1］ 陈杰.煤矿防爆电气设备存在的重点问题及对策［J］.煤炭科学技术 .2010，38(3)：83－86.

［2］ 邓毅.面向矿山物联网的多功能智能头盔软件关键技术研究［D］.浙江大学，2014：46－50.

［3］ 朱丽飞.粉尘浓度与温湿度嵌入式检测系统研究与设计［D］.武汉理工大学，2012：22－27.

［4］ 汪丽.基于物联网和GPRS的智能路灯监控系统［D］.杭州电子科技大学，2013：26－29.

［5］ 甘永梅.现场总线技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2005(2)：45－47.

［6］ 张卫国.新型矿用隔爆双回路真空磁力起动器的应用［J］.煤矿机电 .2005(6)：39－41.

［7］ 赵乐平.红外吸收粉尘传感器的设计［D］.秦皇岛：燕山大学，2012：47－52.

［8］ 张武东，等.浅析薄煤层采煤状况及发展方向［J］.矿山机械 .2011，39(2)：23－26.

［9］ 国家煤矿安全监察局事故调查司.煤矿粉尘监测必读［M］.北京：煤炭工业出版社，2006.

Design of multi-function Sensor for Coal Mine Based on ARM

ZHANG Quan－zhu，GE Yang－xiang，DENG Yong－hong，ZHANG Wen－shan，QIAN Hui－fa
(Information and Control Technology Research Institute North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，065201，China)

TP274

A

1672－7169(2017)03－0071－04

2017－02－19

中央高校基本科研业务费资助(3142017044)

张全柱(1965－)，男，内蒙古察右中旗人，博士，华北科技学院电子信息工程学院教授，研究方向：电力电子与电力传动、微型计算机控制、轨道牵引电气化与自动化、煤矿电气自动化装备等。E－mail：zhangquanzhu1965@123.com