CAN通讯技术在煤矿监控系统中的应用研究.pdf

粘接 学术论文 Academic papers化工工程与制造ADHESION CAN通讯技术在煤矿监控系统中的应用研究 胡诗强 （中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037） 摘要 煤矿开采过程中容易发生各种安全事故， 严重威胁到员工的身心健康， 还会造成极大的经济损失， 为了降低煤矿事故的发生， 采用监控系统能够对现场环境状态进行监测， 包括对机械设备运行状况、 井下各 种有害物质浓度状况等进行监测， 能够及时发现煤矿开采过程中的问题， 从而作出合理的应对措施降低危 险程度。CAN通讯技术的优势较多， 能够在系统中发挥重要作用。于是文章主要使用视频监控方式， 研究 CAN通讯技术在煤矿监控系统中的应用。首先对监控系统的结构进行分析， 其中主要包含井下监控系统 和井上监控系统， 然后对煤矿监控系统中使用的关键技术和程序实现方式进行分析， 最后对煤矿监控系统 进行调试， 发现该系统能够实现高效率录像功能， 且其可靠程度较高、 成本较低。 关键词 CAN通讯技术； 煤矿监控系统； 应用 中图分类号 TD76文献标识码 A文章编号 1001-5922 （2021） 01-0127-04 Application Research of CAN Communication Technology in Coal Mine Monitoring System Hu Shiqiang （China Coal Technology coal mine monitoring system;application 煤矿属于我国重要的生产领域，与国计民生有密 切的相关性。在煤矿生产过程中，由于其环境较为复 杂，容易发生各种安全事故[1]。在煤矿中建设先进的 通信网络，能够对生产现场进行监测和控制，有助于 提高煤矿生产的安全性，并且对煤矿进行监测属于一 个发展趋势[2]。 收稿日期2020-05-29 作者简介胡诗强（1980-）男，汉族，重庆人，工程师，研究方向煤矿安全监测监控。 127 万方数据 j 肇南由ti 鼍南南出j 南南l l ／ 事南由出l 尊如岛d ’辛如妨I { _ _ 粘接 学术论文 Academic papers化工工程与制造ADHESION 如今，在监控系统中需要将各种信号图像进行传 输，其中使用的主要介质包含光纤、电缆和双绞线[3]。 由于对煤矿进行监控，传输距离会非常远，所以监控系 统中选择光纤作为传输方式，因为该传输方式能够将远 距离的信息数据传送到目的地，所以相比于另外两种方 式，光纤方法在煤矿监控中具有更好的应用效果[4]。CAN 通讯技术具有较多的优势，比如数据传输实时性、网络 开放性、网络通讯距离等方面都具有很好的优势，所以 将其应用于煤矿监控系统中能够提高监控效果，并且也 是煤矿行业中首选的设备通信网络[5]。 煤矿监控系统对视频采集主要有两种方式，其中 一种方式是通过视频采集卡中存在的一个软件开发包 SDK进行，这种方式虽然比较简单，容易操作，但是 该方式不能充分满足各个视频应用程序的要求，具有 比较差的灵活性[6]。另外一种方式为基于VFW进行， 该方式能够提供一系列应用程序编程接口，具有较好 的灵活性，能够满足程序的开发需求[7]。于是文章将 CAN通信技术应用到煤矿监控系统中，能够实现数据 流的压缩和高效率存储功能。 1煤矿生产视频监控系统结构 文章所研究的监控系统属于一个智能化系统，能够 自动完成对煤矿生产的监控作用。由于煤矿生产中包含 地上作业和地下作业，所以在设计监控系统时需要考虑 两个部分，于是该系统中主要包含两个部分，分别为井 上监控系统和井下监控系统[8]，其总体结构如图1所示。 1.1 井下监控系统 摄像机作为井下监控系统的重要组成部分，主要 的工作任务为对重要设备的工作状态进行拍摄，并且 对煤矿采掘现场状态进行拍摄。然后这些视频数据使 用NDT CV4102ST／R视频光端机进行传输，将其传 输到PC机上从而对视频数据进行解码显示。而各种 环境参数的检测则是通过使用监测传感器获得，并将 其信息转化为420mA电流环信号，另外有一个专门 对环境参数进行采样的设备对其进行收集，其中的传 输方式为电缆集中传送。于是可得知在环境桉树模型 信号的采集精度受到检测传感器、采样设备和传送电 缆等因素决定。其中采样设备与CAN网络进行连接。 A视频监控设备C掘进头检测设备 B安全检测设备D通用监控分站 CAN总线主线 CAN总线支线 视频电缆 RS232 ACBD 终端终端 CAN－bus CAN－bus 光通信模块 视频接口 光通信模块 数据接口 单 模 光 纤 图像监控计算机 控制台计算机 视频采集模块 光通信模块 视频接口 光通信模块 数据接口 PC CAN 接口卡 井下 图1 煤矿监控系统的总体结构图 Fig.1 Overall structure diagram of coal mine monitoring system 1.2 井上控制系统 井上监控系统主要包含两台计算机进行工作，这两 台计算机的作用分别是作为图像平台和控制平台。控制 平台的计算机中使用虚拟串口软件，并且还会在CAN 上连接PC-CAN接口卡和CAN232MB转换器等设备，从 而能够与RS232设备进行连接，于是可以对井下所有的 监控数据进行接收，该计算机就会对这些数据进行控制， 并且还能够对井下监控分站进行传达指令。另外一台计 算机在光端机的配合使用下能够完成图像解码显示，其 中要方式就是将第一台计算机中收集到的相关井下数据 进行接收，这些数据主要包含着井下温度、有害气体浓 度、采掘进尺、负压、瓦斯浓度、粉尘等，然后再PC 上能够实现各种数据的叠加显示和存储，达到对不同画 面的查看作用，另外当这些数据指标存在问题时，还能 够起到报警作用，从而能够及时发现问题，采取相应措 施，降低事故危险程度。 128 万方数据 封⋯i _ r - ≤ - ■0 1 ’ 1 ，一 曲一jl 潦『潆 ■一r ⋯⋯塞爨，。』 _ ～r ⋯。。援爨，乓 l 矗～雠堂 乍 辛 粘接 学术论文 Academic papers化工工程与制造ADHESION 2关键技术的实现方式 2.1 光纤图像数据通信方式 在煤矿监控系统中最重要的一个部分为视频数据 采集系统，只有采集到准确的数据之后才能达到监控 的目的。其中构成部件主要包含PV CAN接口卡和 PC机插视频卡。然后再井下安装四个摄像机，还有 不同的传感器设备。在CAN网络中使用光纤作为物 理层，传感器则使用转换器将信息数据传到控制台 中，于是可以利用PC上VC应用程序达到对井下进行 控制监控的目的，并且可以对数据进行存储。图2即 为视频数据采集系统的结构图。 CAN总线主线 视频电缆 CAN总线支线 动力信号复合缆 单模光纤. RS232 井上监控系统 控制台计算机PC CAN接口卡CANHub-F1SI CAN-bus 4路视频信号 NDT CV4102SR 图像卡 图像计算机 井 下 4 路 摄 像 头 井 下 各 种 传 感 器 采掘进尺 有害气体 瓦斯浓度 副扇开停 NDT CV4102ST CANHub-F1SI CAN-bus 井下监控现场 温度 负压 风速 粉尘浓度 开停 图2 光纤图像数据通信方式 Fig.2 Optical fiber image data communication 2.2 视频采集的实现方式 在视频采集过程中需要使用的采集卡为大恒DH- VT142，该采集卡正好符合文章所设计的监控系统的 要求，为了增强系统的采集速度，其中数据存取通道 使用的是新型PCI-E X1总线。图3即为视频采集的 基本实现方式。 开始 （切始化指定 设备） 申请资源 参数设置 （视频采集窗口、 源路、 制式、 数据格式等） 采集数据信息到内存/ 屏幕 （采集、 停止） 采集图像到内存/ 屏幕 （采集、 停止） 视频数据时间叠加显示、 存储 结束 （释放其资源） 图3 视频采集基本实现方式 Fig.3 Basic implementation of video capture 2.3 虚拟串口的实现方式 为了能够实现虚拟串口软件，主要做法就是在 PC上建立一个或者多个虚拟串口。虚拟串口的操作 方式并不会存在差异，其操作与真实串口一样，只是 在应用过程中，需要对其软件内部进行调用。PC连 接接口卡之后，串口通信数据会进行传输，从而传到 CAN网络中，并且这些数据会被转化为CANA网关， 然后还需要对其进行转化为原来的RS232串口数据， 这样的转换过程即可实现煤矿监控过程中远程操作， 达到了一定的无缝透明衔接，从而使其与本地串口之 间并没有多大的区别。另外，在实现虚拟串口时操作 方式也比较简单，一般情况下，当需要使用远程虚拟 串口时，则需要将PC串口程序进行升级，其中只需 要将软件中的操作串口号进行改变，于是在煤矿监控 系统中实现虚拟串口相对比较容易，并不需要重新编 写程序。图4即为虚拟串口软件的设置方式。 新建配置 新建虚拟串口 映射串口 启动虚拟串口服务器 虚拟串口的 测试正确 映射串口通讯 N Y 图4 虚拟串口的配置方式 Fig.4 Configuration of virtual serial port 2.4 分布式CAN控制系统实现方式 在煤矿监控系统中，其中控制系统整体网络的方 式必须是总线型，如果支线长度超过了0.3m，这需要 使用CAN网桥，为了避免系统的复杂性，一般情况 下在设计过程中要求其支线长度不能大于0.3m。另 外，在设置终端电阻的位置时，将其安装到总线最长 129 万方数据 吾 姜一 粘接 学术论文 Academic papers化工工程与制造ADHESION 的两端。然而在通讯系统中，如果能够合理的利用 CAN网桥，那么更有利于在井下对矿道的布线，一个 最适合的布线方式能够提高与 CAN 总线的连接程 度，从而使得数据传输更加的高效，在此控制系统上 还需要和井上的CAN转换器进行结合使用，共同达 到通信的目的，并且构成有效的煤矿监控系统。 3程序的实现 为了能够使得煤矿监控系统发挥作用，使用Co⁃ dec编码器进行编码。首先需要对其进行安装，然后 对MPEG-4 Codec进行调用，然后还需要对提供相应 的设置选项，作用在于对制定出相关的压缩参数，这 种操作会非常的方便。完成安装之后，于是可以在计 算机的控制面板中能够看到视频编码解码器。 信息数据在存储时以叠加方式进行存储，且其文 件形式为AVI文件，其功能的实现需要使用到不同的 函数，比如OnViStart函数、OnSnapExChange函数和 SnapThread-Call-backEx函数等[9]。 OnViStart函数的主要作用是对视频帧计数标记值和 AVIFILE库进行初始化处理，从而生成一个AVI视频文 件，使用OnViStart函数时并不是全部进行使用，只需 要调用AVI文件的处理函数和宏定义。从而可以实现对 视频进行定义和填充，还具有文本数据流结构、文本流 接口、数据缓冲区、数据采集和创建视频等功能。 通过上述函数能够完成数据的初始化处理，然后 再将采集的图像到内存控制中，其中需要对用户参数 和回调函数SnapThread-Call-backEx进行指定。Snap⁃ Thread-Call-backEx的主要作用在于用户能够在其中 发送自定义消息，然后将其传到主窗口中，并且此时 还会将需要处理的图像序号传入到其中，于是可以为 后续完成数据的处理做好准备。 OnSnapExChange函数的主要作用就是对采集的视 频数据进行叠加处理，也是系统实现的主要程序，首先 需要对制定位置的静态内存进行锁定，其中锁定的大小 主要由图像大小进行决定，另外还需要进行偏移处理， 确定偏移大小主要由图像序号和图像大小进行决定，在 锁定制定位置的静态内存时不会受到时间的限制，随时 都可以进行，然后使用pLinearAddr指针访问相应的内 存即可。在访问过程中需要将静态内存中的图像传递到 用户缓冲区，因为此时的图像不符合格式要求，在缓冲 区的目的有助于使图像进行格式转换。一般情况下，当 其图像的位数为15、16和32时，需要将其变为24位。 由于此时采集的图像数据其存放状态属于正向，然而计 算机在对位图数据进行处理时其存放状态为倒置，所以 还需要对图像数据进行处理，从而符合倒置的存放状态， 转为倒置的过程中需要使用的函数为CGDataTrans。 完成上述步骤之后，在视图客户区就可以显示出图像， 此时还需要对当前的压缩文件进行判断，看其是否能被 系统支持，判断过程中使用的程序为ICCompressQuery。 然后当ICCompress完成执行任务之后，于是就可以调用 AVIStreamWrite函数，调用中将会使用帧数递增的方式， AVIStreamWrite函数的主要作用在于针对相同的起始帧 将文本流和视频流写入其中，完成该步骤之后，还需要 将采集的图像到内存控制进行关闭，其中使用的函数为 CGCloseSnapEx（ m-hc） ，然后再将图像卡资源进行释放， 完成上述程序之后，最后的步骤就是将文件进行关闭， 并且清除变量。图5即为软件设计流程图。 生成AVI视频文件 关闭流和文件 停止采集 Y N 写文本流数据写视频流数据 设置MPEG-4、 视频采集 速率等参数 压缩视频流 判断当前压缩 支持MPEG-4 N Y 定义和填充视频、 文本据流结构 创建视频、 文本流接口 分配数据缓冲区 初始化图像卡采集 图像到内存的控制 图5 软件设计流程图 Fig.5 Software design flow chart 4调试 煤矿在开采过程中，其井下环境非常复杂，且所 处位置也比较偏，其布线距离比较长，最长距离达到 310km。于是在设计CAN总线施工时，需要对其特 性进行详细了解，并且在设计时需要结合煤矿当场环 境，从而确定出合理的布线方式。为了能够使得整个 网络具有非常稳定的效果，布线过程中可以相应的增 加一些总线分割设备。 在应用煤矿监控系统时，其中使用了不同种类的 传感器，在使用之前，必须对其进行定期校正处理， 并且在有关规定出，明确确定了某些传感器的校正间 隔时间，比如甲烷传感器，必须每隔7d就校正一次。 通过将煤矿监控系统在实验室PC机Windows平 台中进行运行，实验结果为运行效果良好，能够通过 摄像机将信息数据高效率传输到计算机中，从而达到 监控效果，且运行效果比较稳定。（下转第135页） 130 万方数据 粘接 学术论文 Academic papers技术创新与交流ADHESION 表4 易损性评价标准等级划分准则 Tab.4 Classification criteria of vulnerability assessment standards 易损区级别 划分 高级易损区 较高级易 损区 中级易损区 低级易损区 指数 划分 0.61 0.40.6 0.30.4 00.3 地带界线与含义 县境白龙江下游两侧， 危险源密度较大， 人口、 经济、 生态环境易损性高， 是需要 重点维护防灾工作的区域 县境白龙江中上游以及下游周边， 人口、 经济、 生态环境易损性高， 是需要提高防 灾工作质量的区域 县境白龙江上游及拱坝河下游， 危险源 密度较小， 对周边居民生活生产威胁较 小， 是需要强化防灾能力的区域 县境博峪河上游， 地界偏远， 危险源密度 很小， 自然生态环境优良， 人口密度小， 对居民不具备威胁因素 5结语 通过以上研究，针对区域性泥石流及滑坡灾害的 已知危险源及潜伏危险源的计算流程进行具体阐述， 提供了不同层次结构风险评估的参考依据，为一些地 区的基础服务建设、流域开发规划提出理论性研究依 据；在相关区域的易损性评估模型的构建过程中，结 合实际损失状况，积极采取科学量化方法，对评估模 型进行检测；结合实证案例，对灾害易损性涉及到的 内容及评价方法做出了总结与完善，为今后相关灾害 的治理办法与措施提供评估模型。 参考文献 [1] 顾春杰， 孙爽， 宁娜， 等.基于生产函数的区域泥石流 灾害易损性研究[J].山地学报， 2015， 33 （03） 303-310. 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