矿井主要通风机风量测试系统设计

摘要　在分析了传统矿用主要通风机在测试风量数据时存在的如布线困难、数据处理不及时等问题的基础上，提出应用GPRS技术来解决这些问题的实现方法。详细介绍了GPRS应用于该系统的设计与实现方法，并对系统软硬件设计做了详尽描述。

关键词　矿井主要通风机　风量　GPRS

目前在采集矿用主要通风机风量参数时所选用的仪器仪表，多采用有线方式进行数据传输[1-3]。有线传输方式有着速度快、稳定可靠的优点，但其在矿硐布线的过程中需要架设仪器、铺设电缆，难度较大，不利于人工现场作业；通常所测得的数据大多只能直接打印输出，在分析和处理数据的时候还需要手工重新录入，即浪费了人力、物力，又给后续工作带来很大不便[4]。

针对以上风机风量参数测试中传统仪器测量存在的诸多缺陷，本系统将从数据传输方式、系统构成上进行相应的改进。首先，将有线传输改为无线传输，GPRS模块由于具有永远在线、自由切换、传输速率高、计费灵活便宜等优点而有着极为广泛的应用[5，6]。因此选用GPRS无线传输技术作为系统的传输方式。其次，对于系统整体结构而言，改变以往单一仪器工作的方式，将测得的风速数据通过无线传输技术送到远程中心计算机当中，从而构成一个测试系统，这样既可以对采集的数据进行相应的分析处理操作，又可以永久保存，随时调取打印，还能通过互联网能实现资源共享。

1　系统设计

为了得到准确的矿用主要通风机风量值，要对矿硐中同一截面多点位置的风速进行采集，本系统在GPRS网络成熟发展和高密度的网络覆盖的基础上，利用现有的资源，以最低的投资，建立一个矿用主要通风机风量无线传输系统。

系统主要包括现场部分、公共网络部分和远程测试中心三部分，且具有三层网络结构。现场部分主要由风速传感器、数据采集板、GPRS无线传输板组成。数据采集板通过不断唤醒风速传感器测量风速数据，并在数据采集板中的控制部件单片机进行处理、存储。当数据的发送时间到时，数据采集板就立即通过标准串行口电路将数据送到GPRS无线传输板上，经过对数据的打包、封装发送到中国移动的GPRS网络及Internet网络上，最终将采集到的风速数据以无线传输方式发送到远程测试中心计算机上，从而完成数据的永久保存、打印输出，并可通过局域网实现共享。

2　系统硬件设计

本系统所设计的系统硬件由数据采集板、GPRS无线数传板、串行通信模块和电源模块四部分组成。系统硬件结构图如图1所示。

系统硬件完成的功能是当数据采集板完成对风速数据的采集与处理工作后，将获得的风速数据通过标准串行口模块输送到GPRS无线数传板上，并在GPRS无线数传板内置的嵌入式处理器进行处理以及协议的封装，然后发送到GPRS网络以及Internet网络上，最终由远程测试中心计算机通过查询方式接收传来的风速数据，同时完成风速数据的显示、存储和输出。

2.1　数据采集板片选及硬件电路图

数据采集板选用的风速传感器是采用三杯式光电风速传感器，当风吹动三杯时，带动光码盘旋转利用发射管和接收管光电作用使之产生与风速相对应的电脉冲信号。将获得的电脉冲信号经过放大，整形送数据采集板中的多路接口电路，进行风速的采样，然后由单片机按一定的时间进行循环扫描，得到各路风速值，从而完成数据采集板的风速数据采集工作，并将采集到的风速值通过标准的串口电路模块送到GPRS无线数传板中。

（1）单片机控制模块：

在数据采集板中选用AVR系列的ATmega128L-8AU单片机作为数据采集板的控制核心部件。数据采集板上的单片机控制模块需用引脚电路图如图2所示。

（2）风速传感器及数据信号转化模块

本系统选用三杯式风速传感器，使用环境在-20oC~50 oC。该风速传感器探头引线桔黄色“+”为+5V电源，蓝为“-”为接地和灰“信号”为产生脉冲信号端。风速传感器产生10个脉冲对应风速为1.0m/s。

每个风速传感器所产生的脉冲信号通过74LS04进行TTL电平转换后直接接到Atmega128的INT0-INT7和PD4口上。分别对应关系为1-8号风速传感器接到Atmega128的专门用于信号输入的端口INT0-INT7；9号风速传感器接到Atmega128的PD4。从而完成9路风速数据的采集过程。其数据信息转化模块硬件电路及接口电路如图3所示。

（3）串口通信模块

在系统串口通信模块中，串行口采用9芯标准RS-232C接口，所用到的引脚为2号接收数据RXD端和3号发送数据TXD端。由于RS-232C的电平与TTL电平不兼容，在单片机的串口和单片机接口之间加入了电平转换芯片MAX232。

（4）电源模块

电源模块采用AC-DC，可以外接220V电源，该电源模块将220V电源转换为系统所需的+12V和+5V电源。

2.2　GPRS无线传输板片选及硬件电路图

GPRS无线数传板的功能是接收地面测试中心发送的指令，并进行相应的处理，然后通过串行通信模块送入单片机控制模块中进行数据处理，串行通信模块具有电平转换和串口通信的功能，SIM卡的功能是存储数据和在安全条件下完成客户身份鉴定和客户信息加密算法的全过程。

（1）单片机控制模块

单片机控制模块仍然采用AVR系列的ATmega128L-8AU单片机作为GPRS无线传输板的控制核心部分。其完成的功能有两种：第一，是将数据采集板上采集到的风速数据进行处理；第二，对GPRS无线传输板进行参数初始化。

（2）GPRS模块

基于提供一种简便实用的GPRS 通讯解决方案的需求，本系统选取SIMCOM公司生产的SIM300无线传输模块。它内嵌了TCP/IP 协议栈，并简化了接口设计，屏蔽了GPRS 模块的复杂接口方式和接口协议栈，取而代之的是通用的232 接口和简单的AT 命令交互界面。采用3.4V-4.5V电压供电，具有短消息服务、语音通话、数据传真等功能。对外可提供天线接口、模拟音频接口、异步串行接口、SIM卡接口等，采用AT指令进行控制，工作温度范围大，抗干扰能力强，适用于工业应用场合。

GPRS无线传输模块由SIM300无线数传模块、SIMCARD模块和SMA天线三部分组成。SIM300无线数传模块硬件电路图如图4所示。

2.3　远程监测中心设计

远程测试中心是一台与Internet网络相连的计算机，通过网络接口与数据采集终端进行GPRS数据传输。远程测试中心要求能安装并运行矿井主要通风机测控服务程序软件，能连接打印机等输出设备。同时要满足连接Internet网络的要求，并配有固定的IP地址。

3　系统软件设计

系统软件采用模块化设计，每个模块实现一个功能或一个协议，便于移植。本系统的软件设计分两个部分，（1）数据采集板的单片机数据采集处理程序、控制GPRS无线数据传输模块的数据收发程序；（2）远程测试中心主机网络应用软件。其中，下位机部分采用C语言程序实现，采用AT命令初始化和控制GPRS模块；上位机的应用软件采用C#语言程序实现，数据库采用ACCESS完成。

数据终端系统的软件设计的关键部分是单片机与GPRS模块的通信，两者间需要定义通信协议、规定数据传输的帧格式，通过AT指令实现GPRS网络的附着、PPP激活、Internet的接入及数据传输。

3.1　自定义数据帧格式

根据系统实际应用定义数据帧格式，如表1所示。

3.2　GPRS登录、数据上报以及下发采集命令功能设计

本系统中，发送帧和确认帧结构与表1相同，根据控制域C内容的不同来确定具体完成的功能。

3.2.1　GPRS登录平台功能设计

（1）GPRS登录、退出登录、在线保持（心跳）。

功能码AFN=02H。GPRS登录状态由数据域（一个字节）表示。其中，F0表示登录，F1表示退出登录，F2表示在线保持（心跳）。其格式如表2所示。

（2）GPRS登录流程

GPRS DTU（Data Terminal Unit）是GPRS技术的一种产品，它可以实现数据的透明传输及协议传换，开发用户不用十分了解DTU的传输协议，只要按照自己的协议传输就可以了，因此该系统选用GPRS DTU（以后简称DTU）进行数据传输。

登录基本流程如下：DTU在与数据中心服务器建立TCP连接后，立即发送登录认证帧（消息）。数据中心服务器接收到登录消息后进行认证，如为合法DTU，则发送相同内容的确认帧给DTU。DTU接收确认帧后确认登录完毕，从而可以进行数据传输。

（3）心跳保持流程

DTU在登录成功后，定时向数据中心发送心跳帧；数据中心接收后，回送心跳确认帧。

3.2.2　数据上报平台功能设计

（1）上报九个测试点的数据

功能码AFN=24H。数据域传输的是由9个传感器测得的风速数据，数据域定义为每个测试点的数据用2个字节表示，即用9*2=18个字节的BCD码表示。数据上报平台的格式如表3所示。

（2）测试数据在数据域中的格式

系统9个风速传感器所测得的数据，均由两个字节组成（整数+小数），且整数在前小数在后。单位为m/s，取值范围为0.1-35m/s。

3.2.3　定时下发采集命令功能设计

当系统定时下发采集命令时，功能码AFN=54H。响应帧采集9个测试点的数据。发送帧如表4所示，响应帧如表5所示。

3.3　GPRS模块参数设置

当设置连接方式时，功能码AFN=10H。本系统在对GPRS无线传输板进行参数设置时，需要设置TCP/UDP方式选择、IP地址、端口号、心跳时间和上报时间。其中，数据域中TCP/UDP方式选择为1个字节；IP地址为4个字节；端口号为2个字节；心跳时间为1个字节；上报时间为2个字节。

（1）设置连接方式

当设置连接方式时，功能码AFN=10H。则发送帧格式见表6所示。响应帧格式见表7所示。其中，响应帧格式的数据域为1字节，当数据域=5AH时表示设置成功。

（2）查询连接方式

当查询连接方式时，功能码AFN=50H。则发送帧格式见表8所示。响应帧格式见表9所示。

3.4　无线数据传输的软件流程

（1）对远程测试中心计算机进行初始化：将主机建立网络连接，分配独立的IP地址，设置好通信波特率和通信端口，然后展开网络侦听；

（2）GPRS无线数据传输模块参数设置：将端口号、通信波特率和IP地址与远程测试计算机同步，然后进行Modem拨号，将移动终端的类别设置为GPRS上网模式；

（3）GPRS无线Modem将测试中心IP地址存入数据终端的配置地址域，数据终端向远程测试中心发送配置后的数据帧，远程测试中心回应正确的数据帧，并建立无线传输连接。

（4）数据传输过程：由于GPRS网络支持TCP/IP协议，所以通过收发IP数据包来传送数据。此时，远程数据终端系统向GGSN发送的所有包含IP报文的PPP报文都会被传送给Internet网中相应的IP地址，从而完成终端系统向远程测试中心通过互联网传输数据段的过程。

4　结论

本系统集数据采集技术、GPRS无线通信技术、数据库技术于一体，实现矿用主要通风机风量测试数据的采集、无线传输等功能。系统设计具有三层网络结构，编程模块化的特点，为以后系统的扩展提供了很大的方便。

根据现场实际情况的要求对系统的技术方案进行了详细的设计。

（1）在数据传输方式上，采用GPRS无线传输方式进行数据传输。从而解决了有线传输在布线、架设上存在的缺陷，节省了人力。

（2）在系统整体结构上，采用三层网络结构，将测得的风速数据通过无线传输到远程中心计算机中，此时对测得的数据可以方便的进行相应的分析处理操作，既可以永久保存又可以随时调取打印，还可通过互联网实现资源共享。这样即解决了直接打印数据需要再次手工录入的尴尬，又解决了数据存储的困难。

参考文献

[1] 章庆丰,贾宝山,葛少成.DF-3C多路风速仪在主通风机性能测定中的应用[J].矿业安全与环保,2003,30(1):51-52

[2] 于栋,张新民.矿用主通风机风量测试方法的研究[J].煤炭工程,2007,5:84-85

[3] 徐晓宇.ST-JK06系列智能监控终端在矿井风机监控系统中的应用[J].煤矿开采,2007,12(4):95~97

[4] 杨昆,吴东旭. GPRS在矿用主要通风机风量监测系统中的应用[J].微计算机信息,2010,8(1):31-33

[5] R.J.(Bud)Bates.通用分组无线业务(GPRS)技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2003, 17-35

[6] 甄雁翔.基于GPRS的钻孔水文无线遥测系统[D].山东科技大学