煤炭储存无线测温系统设计.pdf

第 4 2卷 第 2期 2 0 1 6年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 2 Fe b ．2 01 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 2 0 0 7 7 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 2 ． 0 2 0 王献伟 ， 陈世海 ， 马小平 ， 等． 煤炭储存无线测温系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 2 7 7 8 0 ． 煤炭储存无线测温系统设计 王献伟 ， 陈世海 ， 马小平 ， 张庆学 ， 王帅 ， 渠慎 月 1 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学 院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 徐州江煤科技有限公司，江苏 徐州 2 2 1 7 0 0 摘 要 将 现代 的 无线 网络技 术 与传 统 的测 温技 术相 结合 ， 设 计 了煤 炭储存 无 线测 温 系统 。该 系统利 用 温 度 传感 器测 量煤 炭储 存 场所各 个 点 的温 度 ， 通 过 无 线 发射 ／ 接 收 模 块 完成 分站 和 传 感 器模 块之 间的 数 据传 输 ， 利 用 GP R S模块 将数 据从 分 站上传 至控 制 室 ， 从 而 实现 了温度 数据 采 集和无 线传 输 。 关键 词 煤 炭储 存 ；温 度检 测 ；G P R S通信 中图分类 号 T D6 7 9 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 一 O 1 2 6 1 5 5 1 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 1 2 6 ． 1 5 5 1 ． 0 2 0 ． h t ml De s i g n o f wi r e l e s s t e mp e r a t ur e me a s ur e me nt s ys t e m f o r c o a l s t o r a g e W ANG Xi a n we i ， CHEN S h i h a i ， MA Xi a o p i n g ， ZHANG Qi n g x u e W ANG S h u a i ， QU S h e n 【y u e 。 1 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a；2 ． Xu z h o u J i a n g me i S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Co ． ，Lt d ． ，Xu z h o u 2 2 1 7 0 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t W i r e l e s s t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t s y s t e m f o r c o a l s t o r a g e wa s d e s i g n e d c o mb i n i n g mo d e r n wi r e l e s s n e t wo r k t e c h n o l o g y a n d t r a d i t i o n a l t e mp e r a t u r e me a s u r e me n t t e c h n o l o g y ． Th e s y s t e m u s e s t e mpe r a t ur e s e n s o r t o m e a s u r e t e mpe r a t ur e a t va r i ou s p oi nt s of t he c o a l s t or a g e s i t e s ， c o mpl e t e s da t a t r a n s mi s s i o n b e t we e n s u b s t a t i o n a n d s e n s o r mo d u l e s v i a wi r e l e s s t r a n s mi t t e r ／ r e c e i v e r mo d u l e ，a n d u s e s GPRS m o du l e t o u pl o a d d a t a f r om s ub s t a t i on t o c on t r ol r o om ， S O a c hi e v e s t e mpe r a t ur e d a t a a c q ui s i t i on a nd wi r e l e s s t r a ns mi s s i o n． Ke y wo r d s c o a l s t o r a ge；t e mpe r a t u r e de t e c t i o n；GPRS c o mm u ni c a t i o n 0 引言 我国煤炭资源储存丰富， 开采量每年都在增加 ， 尤 其 是近几 年来 ， 随着 机械 化开 采煤 程度 的提 高 ， 产 量也不断提高， 煤炭的安全储存 已经成为煤炭生产 过程中的关键一环 。煤炭大多数是露天储存 ， 煤 炭 储存安全至关重要 。煤与空气接触后 ， 不仅会风化 ， 导致煤的质量下降， 而且还会使煤发生 自燃L 1 ] ， 特别 在露天储存的大煤堆里 ， 如果不及时检测 出煤堆发 热温度并及时采取措施 ， 就会发生煤堆的自燃 ] ， 导 致 生产 事故 的发生 。 现有的温度检测技术有人工巡 回检测温度、 半 自动温度采集技术等 ， 这些技术在一定程度上满足 了温度检测要求 ， 但是在具体应用 中存在一定缺点， 如人工巡回检测温度不能及时检测 到温度信息， 而 且增加了工人的劳动强度 ， 半 自动温度采集技术是 自动检测温度 ， 但读 出的结果需要采用电缆等有线 传输 ， 限制了其技术的推广应用。本文将现代 的无 线网络技术与传统的测温技术相结合 ， 设计 了煤炭 储存无线测温系统， 满足 了大范 围检测煤场 的温度 收稿 日期 2 0 1 5 一 l 1 2 5 ； 修回 日期 2 0 1 5 - 1 2 1 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家 自 然科 学 基 金 项 目 6 1 3 0 3 1 8 3 ； 江 苏 省 自然 科 学 基 金 项 目 B K2 0 1 3 0 2 0 4 ； 高 等学 校 博 士学 科 点 专 项 科 研 基 金 项 目 2 0 1 2 0 0 9 5 1 2 0 02 3 。 作者简介 王献伟 1 9 8 9 一 ， 男 ， 河南永城人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为煤矿安全监测系统和嵌入式系统， E - ma i l 2 2 1 7 9 2 8 2 2 2 q q ． c o m。 7 8 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 变化要求。该系统采用无线传输方式 ， 改变了传统 的有线信息收集方式 ， 对提高信号的传递速率、 及时 发 出报 警信 息具 有重要 意 义 。 1系统结构 煤炭储存无线测温系统主要包括传感器模块和 分站模块 2 个部分， 整体结构如图 1 所示。 发 射 接 _ 收 模 块 G ▲ i 网 络 地 址 2 l P R S 模 块 _●一 i 节 点 捌 l址 __ ．．L _ _ ● 一 上 _ _ _ _ 一 ． 上 - _ 温 温 温 温 温 温 发 度 无 无 无 无 无 度 射 传 线 度 线 度 度 线 度 线 接 感 传 传 传 传 线 传 传 传 收 器 输 感 输 感 传 感 传 传 感 __ 器 器 输 输 感 输 模 器 器 器 __ _ __ __ __ __ _ 块 网 络地 址 0 ／ 节 c 地划 x 网 络地 吐 1 节 e 地 网 络地 吐2 节 c 地划 X 图 1 煤炭储 存无 线测温系统整体结构 传感 器模块 主要 由温度传 感器、 S T M3 2处 理 器 、 无线发射／ 接收模 块 S V6 5 1组成 。温度传感器 的主要作 用是采 集煤炭储 存场所各个 点的温度变 化 。传感器主控 电路 由 S TM3 2及 其最 小系统 组 成 ， 是传感器模 块 的核心 ， 主要完成信 息处理和传 送 。温度传 感器采集 的是模拟信 号 ， 经过 S T M3 2 处理器 内置的 ADC进行 AD转换 ， 然后 由 S T M3 2 处理器进行处理 ， 得到煤 炭储存场所各个点 的温度 实时数据。处理器通过无线发射／ 接收模块 S V6 5 1 向附近的分站发送采集到的实时温度 。传感器模块 硬件结构如图 2 所示。 图 2 传感器模块硬件结构 分 站 模 块 主 要 包 括 无 线 发 射／ 接 收 模 块 S V6 5 1 、 S TM3 2处 理 器 、 GP R S模 块 。其 中无 线 发 射／ 接收模块 S V6 5 1用来接收传感器模块发送来 的 实时温度数据 ， 然后传送给分站的主控制器 S TM3 2 处理器。分站处理器接收数据后 ， 进行编号处理， 并 将处理后的数据发送给 GP RS模块 ， 经 GP RS模块 发送给控制中心 。控制中心读取煤炭场所各个点 的 温度 ， 并采取必要的预 防措施。在上位机软件 中可 设置报警上限 ， 当煤炭储存场所某点温度达到上 限 时， 发出报警 ， 提醒值班人员采取必要措施 。分站模 块 硬件 结构 如 图 3所 示 。 图 3 分站模 块硬件结构 2系统硬件 设计 2 ．1 S TM 32处 理 器 S TM3 2 F 1 0 3 C B T6是 一 款 基 于 C OR TE X M3 内核的高性能、 低成本 、 低功耗的微处理器 ， 在引脚 和软件设计方面同其他 S T M3 2系列处理器兼 容 ， 它的时钟频率最高达到 7 2 MHz ， 能够满足高端运 算_ 3 ] 。更重要的是它拥有最快转换速度为 1 s的 双 1 2 位精度 AD C， 非常适用 于数据 的快速采集和 处 理 。 传感器模块和分站模块的接线分别如图 4 、 图 5 所示 。 时钟／ 复位 电路 一； 图 4 传感器模块接线 图 5 分站模块 接线 2 ． 2温度 传感 器 目前用 于测 温 的传感器 很 多 ， 如 热电偶 、 热 电阻 以及石英体温度传感器等， 其 中 P T1 0 0铂热 电阻温 度传感器具有精度高 、 稳定性好等优点， 测温范围为 一 2 0 0 ～6 5 0℃， 使用方便 。本文选用 P TI O 0铂热 电阻温度传感器来测量煤炭 的实时温度 ， 防止煤炭 2 0 1 6 年 第 2期 王献 伟等 煤 炭储 存无 线 测温 系统设 计 7 9 自燃 。P T1 0 0铂热 电阻利用导 体或者半导体 的 电 阻 随温度 变 化而 变化 的原 理 ， 根据 电 阻 和温 度 的关 系， 利用测量电阻的方法来推算 出温度。铂热 电阻 的阻值 R 与温度 t之间的关系是非线性 的[ 4 ] ， 当温 度 为 0 ～6 5 0℃ 时 ， 有 R R。 1 b t 2 1 式中 R 和 R。分别是温度为 t 和 0℃时电阻的阻 值 ， Ro 一1 0 0 Q。 P T1 0 0采用不锈钢封装 ， 不锈钢外壳与铂金接 触 良好 ， 保 证 了 良好 的导热 性 ， 降低 了测 量误 差 。 2 ． 3模 数转 换 P T1 0 0温度传感器输 出的是模拟信号 ， 通过无 线 发射／ 接收模块 S V6 5 1发送 的是数字信号 ， 因此， 在由 S TM3 2发送 给无线发射／ 接收模块 S V6 5 1之 前要进行模数转换 ， 把温度传感器检测 到的模拟信 号转 换 为 数 字 信 号 。S TM3 2内置 的 AD 转 换 器 满 足要求 。 S TM3 2处 理器 所 带 的 1 2位 ADC是 一 种 逐 次 逼近 式 模 拟 数 字 转 换 器 ， ADC 转 换 速 度 高 达 1 MHz ， 它有 1 8个通道 ， 可以测量 1 6 个外部信号源 和 2个内部信号源。各个通道的 AD转换既可以单 次 扫描或 连 续扫 描 ， 也 可 以不 连续 扫 描 。AD C 的结 果可以左对齐或者右对齐 ， 并且储存在 1 6 位数据寄 存器 中。 S TM3 2的 A DC基 准电压 在芯片内部与 电源信号线连接 ， 系统选用一个高精度的 3 ． 3 V外 部参照 电压， 目的是 为 了解 决 电源 电压变 动导 致 AD C测量 结果 不准 确 的 问题 。 2 ． 4无线发 射 ／ 接 收模 块 S V6 5 1 是一款大功 率的高速集 成无线数 据传 输模块 ， 采用 的是 高性能的 S i l i c o n L a b射频 芯片。 它具有极低的接收灵敏度和业界领先 的传输功率 ， 并提供 了多频段 、 多信道以及网络 I D来降低传输过 程中的干扰以提高传输性能 用户可以通过 P C软 件或者在线修改串 口以及 R F的相关参数 。 2 ． 5 GP R S ／ GS M 模 块 当分站 收集 到传 感器 模块 发 出 的信息 时 ， 用 GS M／ GP R S模块将信息上传至控制中心。我 国的 GS M／ G P R S技术发展 很快 ， 基本覆 盖全 国各 个城 市和地区l_ 5 ] ， 给工业上 的数据传输提供 了先进 的手 段_ 6 ] ， 已 广 泛 应 用 于 石 油 、电 力 等 领 域_ 7 ] 。 S I M9 0 0 A 是 一 款专 门为 中国用 户 设计 的 GS M／ GP RS模 块r 8 ] ， 其 工 作 频率 为 E G S M9 0 0 MHz和 D C S 1 8 0 0 MHz 。S I M9 0 0 A尺寸很 小 ， 基本可 以满 足用户对空间的要求。S I M9 O O A 采用省 电技术设 计 ， 在睡眠状态下功耗很小 ， 同时 S I M9 O 0 A 内置 了 TC P ／ I P协 议 。 3系统软 件设 计 煤炭储存无线测温系统软件设计包括传感器模 块和分 站模块软件设计 2个部 分， 采用 S TM3 2标 准 库 3 ． 5 ， 在 MD K 环境 下编 写l g ] 。 3 ． 1传 感器模 块软 件设 计 传感 器模 块软件主要完成温度采集和数据处 理 ， 并控制无线发射／ 接 收模 块 S V6 5 1将处理后 的 数据发送给分站。 3 ． 1 ． 1 初 始化 初始化主要包括系统 时钟初始化 、 数据采集初 始化 、 实时时钟初始化 、 无线模块初始化、 定时中断 初始化、 发送 中断初始化、 GP I O 口的初始化等， 配 置 P A0和 P Al 为传感器输入 ， P A2和 P A3为无线 发射／ 接收模块的串 口输入和输出 ， P A4和 P A5为 无线发射／ 接收模块的片选端 C S和 S E T。 3 ． 1 ． 2 数据采集和处理 初始化 完成后 即可进行数 据采集 。数 据采集 时， 需要清空串口缓冲区， 等待接收数据。读无线模 块 的 网络地 址 和节点 地址 ， 目的是 为 了分 清采集 点 ， 进行 AD采集。P T 1 0 0采集 的温度信 息是模 拟信 号， 该模拟信号输入到 S TM3 2的 AD C中进行 AD 转换 ， AD转换按照 P T 1 0 0的电阻值 化公 式得 出， ADC处 理 后 的数 据 储 存 在 AD C C o n v e r t e d Va l u e 中， 利用公式t e mp r e t u r e 一 f l o a t ADC C o n v e r t e d Va l u e ／ 5 ． 2 得出真实温度值 。 3 ． 1 ． 3 数 据发 送 经 S T M3 2处理后 的数据通过串口发送给无线 发射／ 接收模块 ， 然后发送给分站。首先 S T M3 2把 S V6 5 1的片选 端 C S置 0 ， S E T 置 0 ， 使 S V6 5 1 进 入 待机状态 ， 然后把温度传感器的 NOD E I D／ NE T I D 通 过 串 口写入 S V6 5 1中 。S TM3 2 再 次 把 C S置 1 ， 使 S V6 5 1进入发送状态 ， 启 动数据发送 ； S V6 5 1将 C RC校验码打包后 ， 将数据发送给分站 ， 数据 发送 完毕后 ， 传感器模块进 入定时睡 眠状态 ， 等待被 唤 醒。传感器模块工作流程如图 6所示 。 3 ． 2 分 站模 块软件 设 计 根据设计要求 ， 分站模块软件主要用于收集各 个传感器模块发送的数据， 并将数据整理后发送给 控制 中心 。 3 ． 2 ． 1 初 始化 首先 完 成 G P I O 口的初 始 化 ， 配 置 P A9和 P A1 0为 GP RS的 T X 和 RX端 ， P A2和 P A3为 无 线 发射／ 接收模块 的串 口输入 和输 出 ， P A4 和P A5 8 O 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 开始 系统初始化 读传感器 的 N O D E - I D ／ N E T I D ●Y 向 S v 6 5 1 写入 温度信 息和 I D 将 S V 6 5 1 的 C S 置 1 发送数据 图 6 传感器模块工作流程 为无线发射／ 接收模块的片选端 C S和 S E T， 初始化 定 时器 TI M3 、 系统 时钟 、 G P R S 、 串 口。 3 ． 2 ． 2 数据 接 收 分站的无线发射／ 接 收模块接收传感器发送来 的数 据 ， 并 通 过 串 口发 送 给 S TM3 2 。S TM3 2把 S V6 5 1的 S E T置 0 ， C S置 1 ， 使 S V6 5 1处于接收数 据状态； 数据包接收完毕后 ， 进行 C RC校验， 如果校 验正确， 则 S V6 5 1 会 自动去除 C RC校验部分 ， 把数 据保存在寄存器 内， 并通过串 口发送给 S TM3 2 。分 站 S TM3 2的作用是简单的数据 中转和控制。 3 ． 2 ． 3 数据发送 当 G P R S模块接收到数据时 ， 并不及时发送给 控制中心 ， 而是在一定的时间内收集到预先设置 的 条数后， 再 发送 给控制 中心。首先 S TM3 2通过 串 口发 送 AT 指 令 给 GP R S模 块 _ 】 ， 实 现 模 块 初 始 化， 配置和链接 TC P， 然后发送缓存 的数据 ， 当检测 到数据发送完成 时， 关 闭 G P R S的 T C P链接 ， 同时 利用软件清空 GP RS的缓存 区， 等待接收数据 。分 站工 作流程 如 图 7 所 示 。 图 7 分站工作流程 3 ． 3 数 据丢 包处理 在调试过程中， 发现数据采集时有丢包现象 ， 这 有 2个方面原因 ① 传感 器采集 的数据经 S TM3 2 处理后 ， 经过 串口向无线发射／ 接收模块传输时， 串 口的波特率高于无线发射／ 接收模块的发送波特率， 导 致数据 出 现丢 包 现象 。针对 该 问题 ， 应 设 置 串 口 波特率不高 于无线 发射／ 接收模块 的发送波特 率。 ② 各个传感器模块上传数据至分站模块时， 由于传 感器模块之间可能同时上传数据， 造成数据丢包现 象 。针对该问题 ， 利用无线发射／ 接收模块有4个工 作频段 、 每个工作频段有 4 O个通道 的特点 ， 分别给 每个传感器模块分配 1个信道 ， 分站的无线模块按 照设定的时间采集每个信道的信息 ， 这样能够解决 丢包 问题 。 4 结语 介绍了煤炭储存无线测温系统的结构和软硬件 设计 ， 该系统采用模块化设计 ， 大大增加了测量点的 范围； 采用无线发射／ 接收模块 S V6 5 1传输和接 收 数据 ， 满足工业级别的数据传输要求 ， 上传到控制 中 心的数据 采用 GP RS模 块传 输， 采 用流 量上 传数 据。该系统安装使用方便 ， 工作稳定 ， 不仅适用于大 范围及分散点煤炭储存场所 的温度 测量， 对农业生 产和 工业制 造 中的温 度测量 也具 有重 要意 义 。 参考文献 [ 1] 何启林． 煤低温氧化性与 自燃过程的实验及模拟 的研 究E D ] ． 徐州 中国矿业大学 ， 2 0 0 4 ． [ 2] 朱志宇 ， 赵浩 ， 刘光伟． 浅析露天煤矿煤 炭 自燃[ J ] ． 露 天采 矿技术 ， 2 0 1 1 1 5 9 6 0 ． [ 3] 丁红斌 ， 秦会斌 ， 孙顺远． 基 于 S TM3 2的虚拟示波 器 的设 计与实现[ J ] ． 电子器件 ， 2 0 0 9 6 1 0 0 7 1 0 1 0 ． [ 4] 陈志文 ， 王玮． 基 于 P t l 0 0铂热 电阻 的温度 变送器 设 计 与实现r J ] ． 现代 电子技术 ， 2 0 1 0 ， 3 3 8 1 9 7 1 9 9 ． [ 5] 王宏 伟 ， 赵 国庆． 在 G S M 网络 中实 现高 压 电力线 路 检测[ J ] ． 仪器仪表学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 1 2 2 2 6 0 2 2 6 2 ． [6 ] 丁晖． GP R S技术在 电力 S C AD A 系统中的应用研 究 [ J ] ． 电测 与仪 表 ， 2 0 0 7 ， 4 4 8 2 5 ～ 2 7 ． [7 ] I G UR E V M，L AUGHTE R S A， WI L L I AMS R D ． S e c u r i t y i s s u e s i n S C AD A n e t w o r k s [ J ] ． C o mp u t e r s a n d S e c u r i t y， 2 0 0 6， 2 5 7 4 9 8 5 0 6 ． [ 8] 滕菲 ， 郭 庆． 基 于 GS M 短 消息 的振 动数 据采 集系 统 设计[ J ] ．哈尔滨理工大学学报 ， 2 0 0 6 ， 1 1 5 7 6 7 8 ． [9 ] 李宁． 基 于 MD K 的 S T M3 2处 理 器应 用 开发 [ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 8 3 0 4 3 2 7 ． E l O ] 李立志 ， 周 明建 ， 于忠 臣． 基于 GP R S G P S的防盗 追 踪系统的设计[ J ] ．国外 电子测量技 术 ， 2 0 1 1 ， 3 0 5 59 6 2．