基于STM32的矿用监控分站研究与设计

安徽理工大学电气与信息工程学院 刘 欢

煤矿监控分站是整个矿山检测系统中较为重要的组成部分，是连接井下传感层与地面监控中心之间信息传输的桥梁，是将井下各类数据传输至监控中心的枢纽部分。本文设计了一种以STM32单片机为核心处理器的煤矿用监控分站，具有RS-485总线和以太网通讯接口，集信号采集、存储、传输为一体功能，并对软件部分采用嵌入式开发。大大提高了数据传输的精度和速度，对数字化、信息化矿山建设具有重大意义。

监控分站位于煤矿井下传感层与地面监控中心之间，是整个煤矿监控系统的最前端，担任着井下数据采集、存储和运输的重要任务。监控分站的数据采集精度和传输速度直接影响地面监控中心对井下工作环境检测以及各类终端的运行控制，对煤矿安全生产具有重大意义。本文根据现代化煤矿安全生产以及数字化、信息化矿山建设要求，设计了一种以STM32系列单片机为核心处理器的矿用监控分站，主要分为硬件电路设计和嵌入式软件开发。

1 矿山监控系统

煤矿监控系统主要由地面监控中心、监控分站、远端传感器三部分组成，其简要结构框图如图1所示。传感器主要类型有CO2传感器、CO传感器、甲烷传感器，温度传感器，风速传感器等，对井下各项指标进行检测，并将数据传给监控分站；监控分站主要任务是采集各类传感器数据，并将其存储打包然后发送给地面监控中心；地面中心站将监控分站传输的数据进行处理、显示并建立数据信息库，一遍工作人员根据所采集的数据信息对井下环境进行判断，对煤矿安全生产具有重要作用。

图1 煤矿监控系统结构图

由于井下环境复杂，各种电磁干扰较强，对数据采集以及发送的要求较高，该分站在与传感器通讯方面设计并采用了RS-485总线的结构，较大程度的降低了信息采集时的各项干扰。监控分站采用了以太网通讯方式与地面监控中心交互数据，大大提高了数据传输的效率。

2 监控分站电路结构设计

监控分站电路结构图如图2所示。

图2 硬件电路结构图

2.1 电源模块

监控分站采用本安型12VDC电池供电，主要为分站和与分站相连接的外部传感器供电，并设计了由主处理器控制的光电隔离电路来控制外部传感器电源的通断。

监控分站的电路的电压等级主要分为5V、3.3V两个等级，其中以太网通讯模块的工作电压为5V，设计电路时采用了LM2596S芯片（降压型开关稳压器）将12V电压转换为5V来作为以太网模块的工作电源。

监控分站的硬件电路其他模块的工作电压为3.3V，通过LD1117芯片将5V电压转换为3.3V为核心处理器、数据存储、显示屏等电路模块供电。

2.2 核心处理器

核心处理器采用意法半导体公司生产的STM32F103，具有成本低、功耗低、性能高、体积小等优点，数据处理速度快，并可以进行嵌入式软件开发，软件程序编写更加简单。

2.3 数据存储模块

该分站采用了存储容量为16M的FLASH闪存，用来存储系统程序以及各类数据，可以进行至少10万次重复擦写，并可以保存数据20年。

2.4 显示模块

分站外接了LCD液晶显示屏，用来显示分站工作状况，以及外部传感器工作状态。为工作人员检修提供了方便。

2.5 RS-485总线

监控分站采用了RS-485总线的方式与外部传感器连接，构成数据采集单元，RS-485总线具有很强的抗干扰能力，并且使用方法简单，能够适应井下恶劣环境，并且能够保持数据采集精度。

2.6 以太网通讯接口

监控分站与地面中心采用以太网通讯方式，提高数据传输效率和准确率，为地面工作人员提供了具有实时性的判断依据。

3 分站软件设计

分站采用嵌入式软件开发，使用keil软件进行程序编写，系统软件采用模块化设计，便于后期操作系统的移植、调试从而提高程序利用效率。软件设计流程主要为地面监控中心站向监控分站发出指令后，监控分站初始化并给各个模块以及外部传感设备配置参数，将数据采集后存入指定存储器，LCD对数据参数进行显示，并将数据回传给地面监控中心。

结语：本文根据目前煤矿安全生产以及信息化矿山建设等实际情况，设计了以STM32F407单片机机为核心处理器的监控分站。设计了以RS-485总线的数据采集单元，较大程度的提高了数据采集精度；在分站与地面数据传输采用了以太网通讯，提高数据传输效率，为监控中心提供了更加具有时效性数据，进一步推动了煤矿信息化数字化建设，具有较高的实际应用价值。