许 桃

关键字矿井提升机；监测系统；物联网

0 引言

矿井提升机是现代煤矿进行生产和运输过程中关键机械设备[1]。一旦提升机发生故障，会对整个矿山生产造成极大损失。因此如何实时监测提升机的运行状态，对其安全可靠地运行具有重要的意义。

物联网作为趋于成熟的通信行业新兴技术，是互联网发展下的产物，并超过当今互联网的发展速度，有着良好的发展势头[2]。通过现有的无线传输技术，实现对物体相关信号的采集，通过数据的处理与传输，实现信息的共享与交流，为矿井提升机监测系统的设计与实现提供了可能。

本文提出建立基于物联网的矿井提升机监测系统，通过对提升机各部分参数进行实时监控，获得相关工作数据与信号，使操作人员实时监控矿井提升机的运行状态，可以在发生故障时，快速准确地定位到故障位置，极大地减少了成本，降低了工作量，具有很高的实用价值和现实意义[3]。

1 系统整体结构设计

本文设计的基于物联网的矿井提升机监测系统，主要由感知层、传输层和应用层组成。感知层由监测节点和汇聚节点构成，矿井提升机由多个部分组成，每部分又有很多器件[4]。监测节点布置在提升机各关键器件上，用来采集运行信息，再利用无线传输模块进行数据的上传，汇聚节点布置在操作室内，通过无线传输模块来汇聚监测节点的数据；传输层主要由路由器节点构成，通过LoRa 传输技术获取汇聚节点的信息，并通过有线网络将信息上传至应用层的上位机平台，上位机中安装终端监控平台，它接收底层数据，为工作人员提供交互界面，实现用户管理、提升机故障实时报警、故障类型位置显示、运行状态实时显示与查询、历史记录、系统维护等功能。监测系统总体框图如图1 所示。

图1 监测系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 监测节点设计

监测节点由主控STM32F103C8T6 芯片、传感器模块、电源模块、时钟电路、报警电路、复位电路和LoRa 模块、JTAG 接口组成。电源模块、时钟电路和复位电路为主控芯片提供最基本的工作电路，传感器模块根据所测部位的不同选用不同的传感器，系统中需要监测的部位较多，所使用的传感器的种类和数量也就比较多，根据需要，选择电流、电压、位移、温度、油压、拉力等传感器来检测相应的参数并将采集到的信号传递给主控芯片，经过处理后通过无线通信模块无线传输到汇聚节点。报警电路用于进行不正常或故障工作报警。

STM32F103C8T6 是构成监测节点、汇聚节点和路由器节点的主要芯片，单片机内部程序存储器大小为64 KB，工作电压在2.0 V～3.6 V 之间，工作环境温度范围广。拥有大量片上外设，包括7 个定时器、3 个USART 接口、2 个I2C 接口、2 个SPI接口等，大量的通信接口使其具有强大的的人机交互功能。STM32F103C8T6 单片机内置多达256 KB 的嵌入式Flash，可用于存储程序和数据，嵌入式SRAM 多达48 KB 能够以CPU 的时钟速度无等待进行读写。STM32F103C8T6 芯片的供电方式有三种，分别为数字电源、模拟电源和备份电源。数字电源可使用内置电压调节器调节2.0～3.6 V 的直流电，提供合适的工作电压；模拟电源主要供电给ADC 等；备份电源使用纽扣电池供电，形成UPS 系统为寄存器、RTC 等提供电能。

2.2 汇聚节点设计

汇聚节点由主控芯片、LORA 模块、电源模块、时钟电路、复位电路、JTAG 接口构成，汇聚节点布置于提升机的周围，用于汇集各个监测节点采集的信息，并通过LORA 无线传输技术上传至路由器节点。

2.3 路由器节点设计

路由器节点作为感知层的主要组成部分，主要由主控芯片、LoRa 无线通信模块、RS-232 电平转换模块、电源模块、时钟电路和复位电路、JTAG 接口组成，它通过LoRa 通信模块接受汇聚节点数据，进行数据融合处理后再通过RS-232 电平转换模块与上位机相连，进行数据传送。路由器节点是连接上位机的桥梁，起到无线通信与有线通信之间的协议转换作用。

3 上位机远程监测界面设计

应用层是整个系统与外界联系的桥梁，最大的作用是将处理结果和一些有价值的、潜在的信息发布给用户，实现人机交互。本文基于物联网的提升机监测系统的上位机平台采用Wincc 软件编写。上位机所需实现功能如图2 所示。

图2 矿井提升机监测系统功能图

4 结语

以物联网技术为基础，通过对感知层、传输层和应用层的三层网络体系的设计，构建了基于物联网的矿井提升机监测系统。通过感知层的数据采集，传输层的可靠高效传输，应用层的实时显示与远程交互，实现了矿井提升机的实时数据采集与显示、故障报警、远程监控等功能，提高了矿井提升机运行的可靠性与故障维修效率，对保障煤矿安全稳定生产、有着重大的意义。