首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 基于物联网的矿用通风机监测系统应用研究

基于物联网的矿用通风机监测系统应用研究

2023-12-06 62 上传者：管理员

摘要：为提升矿用通风机状态参数监测效率和质量，研究人员引入物联网的理念和方法，从软硬件两个层面同时着手，对基于物联网的矿用通风机状态参数监测系统进行了较为全面的设计，并在设计完成后将其投入实际应用。实际应用效果显示，该系统能够较为准确高效地实现预期功能，证明本次设计取得了初步成功。

关键词：
参数
物联网
监测系统
矿用通风机
高能耗
加入收藏

矿用通风机是煤炭资源开采工作中的一类关键装备，承担着提供新鲜空气和排出污染气体的关键作用[1]。但在以往的通风机设备运行过程中，高能耗和低效率等问题普遍存在，为有效解决此类问题，研究人员开始寻求对矿用通风机的状态参数进行监测。但近年来的工作大多集中于现场监测阶段，仍有着较大的提升空间。为进一步解决技术难题，以物联网技术为核心对通风机状态参数监测工作进行优化则是切实可行的。

1、系统硬件设计

1.1 系统基本结构设计

在系统基本结构设计方面，设计人员基于物联网技术的特点，并结合实际的功能需要，采用B/S架构进行基本结构设计，该架构下共分为三个层级，各层级及对应功能如表1所示。

表1 系统基本架构及功能

在此基础上，为提升监测系统的扩展性，并降低其部署成本，设计人员在感知层中部署多个感知节点，使用无线通信技术对各节点的数据统一进行上传，最后在应用层中，将感知层数据存储于数据库中，这些数据基于计算机平台实现可视化[2,3]。在系统数据传输环节中，则采用无线传感加单汇聚节点的设计，在每个通风机设备上安装一个感知节点，各个感知节点之间使用低功耗设备进行组网，实现互相通信，整体设计图如图1所示。

图1 无线网络设计图

1.2 感知层节点硬件设计

在感知层节点硬件设计中，结合实际功能需要，共分为以下几个部分。

第一，主控制电路的设计。在本次设计中，以STM32F103C8T6为主控制器，以此为核心部分，对晶振电路、复位电路、boot电路和去耦电容等模块逐步进行设计。

第二，高压脉冲电路的设计。在本环节设计中，主要应用MOSFET电路进行控制，以实现高压脉冲电信号的发射。在这一过程中，为降低电磁干扰的影响，设计人员引入RMI控制电路[4]。

第三，传感器接口部分电路的设计。在本次传感器接口部分设计中，设计人员在考虑电源滤波的基础上，根据相关手册进行传感器接口电路设计。

第四，对传感器进行选型设计。结合实际情况，并参考相关文献资料后，对传感器参数进行选择，选型结果如表2所示。

表2 传感器参数选择结果

1.3 硬件PCB及壳体设计

为提升设计效果，在本环节的设计工作中，基于Altium Designer软件环境进行整体设计，并调整器件布局和引线宽度等参数，以降低电路运行过程中可能存在的相互干扰问题。在PCB绘制完成后，对电路板进行焊接调试，并使用Jlink烧写器对单片机代码进行写入，确保各个接口能够实现电平的周期性变化。

在电路板设计完成后，设计人员对硬件壳体进行设计。考虑到矿井下的恶劣环境，设计人员采用合金定制外壳进行壳体设计，结合设计图纸明确尺寸和安装方式，并预留安装孔。在外壳设计完成后，将PCB电路板安装在壳体内部以完成最终的硬件设计。

2、系统软件设计

2.1 感知节点的软件设计

对于感知节点部分的软件设计而言，设计人员主要应用ADC对各类传感器进行模拟电压采样，采样频率设置为1k Hz，并使用STM32的库函数对采集到的数据进行读取。在各个参数采集完成后，应用蓝牙MESH模块，通过串口进行数据的发送。在软件设计过程中，主要针对以上步骤，使用C++语言编写相应代码，实现软件设计目标。

2.2 汇聚节点的软件设计

结合实际需要，汇聚节点的软件设计基本思路如下：(1)对汇聚节点进行初始化，并根据波特率、停止位、数据位、校验位等参数信息进行串口配置。(2)配置完成后，定义串口引脚复用，并挂载串口与引脚时钟。(3)进行使能操作，而后通过接收蓝牙MESH数据，对节点是否进入组网进行判别，如未进入组网则自动检索并加入一个组网。在以上流程设计完成后，仍使用C++语言编写相应代码，以实现此环节的软件设计[5]。

2.3 软件的安装

在以上工作准备就绪后，技术人员开始进行软件的安装，此环节分为以下几个步骤：(1)使用Inno Setup工具进行系统安装程序的制作，并使用vs2015将项目以Debug模式重新生成。(2)应用多重密码加密算法（见图2），及exe文件加密器，对本次设计的程序进行加密。(3)加密完成后，点击创建完成的快捷方式，由软件自动识别计算机的编码，在引导下逐步完成注册环节。

图2 多重加密的基本原理图

2.4 服务器平台的搭建

在本环节的工作中，服务器的搭建主要基于阿里云服务器进行，在搭建过程中，主要应用以下几方面的步骤：(1)配置云服务器的主要参数，包括但不限于I/O、内存选取大小等，同时进行域名解析，确保域名与服务器IP地址相对应。(2)在线上服务器中安装本地工程运行环境，并在服务器核心配置文件中配置具体的文件路径。(3)对Tomcat配置文件进行修改，编码方式改为UTF-8，而后应用start.bat批处理文件启动Tomcat，启动成功后，访问对应服务器的8080端口，直接进入Tomcat官网。(4)进入Tomcat官网后，安装反向代理服务器所需的gcc依赖包，最后进行Nginx的安装。(5)安装SQL数据库，以最终完成服务器平台的搭建。

2.5 人机交互功能的实现

在实际的设计过程中，采用主菜单方式进行人机交互，以实现系统内各功能的操作。通过在“菜单编辑器”中选择自定义类型，成功地编写了主界面上的菜单，其中包括系统设置、风机监测项目、健康评估、监测数据回放、以及操作这五个一级菜单功能。

具体而言，系统设置一级菜单包含了传感器参数和监测系统管理这两个二级菜单；风机监测项目一级菜单包含了主监测、振动监测、温度监测、风压监测、风量监测、电机功率监测这六个二级菜单；监测数据回放一级菜单包含了振动监测数据、温度监测数据、风压监测数据、风量监测数据、电机功率监测数据这五个二级菜单；操作一级菜单包含了系统退出、系统帮助、关于这三个二级菜单。

用户点击任一二级菜单时，将调用相应的VI(Virtual Instrument，虚拟仪器）以进入相应的界面。为了实现运行状态的健康评估模块，采用基于多远状态估计算法的方法，通过Lab VIEW和Matlab混合编程实现。在Lab VIEW程序中调用Matlab脚本，通过这种方式来完成运行状态的健康评估，这种设计结构使系统更加灵活且功能完备。

3、系统测试

在本次基于物联网的矿用通风机状态参数监测系统初步设计完成后，测试人员将整体电路、壳体与软件系统进行搭建，对系统实际应用效果进行测试。具体来看，本次测试可细分为以下几个环节。

第一，对基本传感测量功能进行测试。本环节测试中，在某煤矿巷道部位选取数个重要节点进行测试，测试结果如表3所示。从测试结果来看，该监测系统能够获得较为准确的测量结果，证明其在基本传感测量功能上相对较为优异。

表3 测试结果对比分析

第二，对传感网络进行测试，仍在矿井内分散布置若干个节点，并使用计算机网络对各节点进行连接，使用计算机进行数据接收和数据循环发送进行测试，测试结果如表4所示。

表4 自动入网测试结果

从结果来看，设备的自动组网成功率达到100%，且重新组网时间均维持在较短的水平，证明本次设计的系统在网络传输方面也具有较高效率，能够适应复杂环境的需要。

4、结束语

在本次设计中，结合矿用通风机运行工作的实际需要，以物联网技术为核心，从软件和硬件两方面着手，对矿用通风机状态参数监测系统进行了优化设计，并对设计后的系统应用情况进行了初步测试。

测试结果表明，该系统在参数监测和网络传输方面具有一定的优势，预计该系统在今后的工作中也将具有一定的实用价值。

参考文献:

[1]亢佳乐.矿用通风机风压监测控制系统研究[J].机械管理开发,2022,37(9):225-226+233.