摘 要 本系统通过分析斜井井壁变形的原因，结合研究现状，提出基于STM32F407ZGT6单片机，利用RS-485总线、M-Bus总线，动态检测车与静态传感器结合的一套智能检测系统。
并使用GPRS模块-SIM900，2.4G模块-NRF24L01将检测到的井壁情况接入网络，通知用户。
达到实时提醒的效果。
由于激光检测车检测到可能形变后才打开对应部分电源，可以节能并且降低器件损耗。
本系统的亮点一是多传感器检测，是一个全方位，可靠性比较高的系统；二是提出采用检测车先检测，若出现问题则打开对应区域电源的方式，在节能和降低器件损耗方面有优点；三是使用单片机、总线、传感器构成的智能仪器，更加实时、准确。

　　【关键词】斜井 井壁变形 智能仪器 监测系统 信息传输
　　现在立井井壁检测技术已经比较成熟，立井井壁检测与斜井有相同之处，也有所区别。

　　要想设计一个监测系统，首先需要了解引起斜井井壁变形的原因，以及变形所造成的效果，这样才能选择合适的智能仪器对这些效果进行监测。

　　1 斜井井壁变形的原因，以及变形所造成的效果
　　经研究，造成斜井井壁变形的因素主要是“地下水位变化，地层与井壁之间的摩擦以及地应力”这三个因素。
由此产生的井壁变形主要体现在：
　　（1）井壁沿轴向的挤压和拉伸；
　　（2）中心线的弯曲和移动；
　　（3）径向挤压引起井壁变形。

　　2 系统总体设计
　　如图1所示。

　　将整个传感器系统分成一块块小区域，分别供电。
先用载有激光测距传感器的扫描车对井壁进行轮询，若发现疑似出现故障则发送无线信号打开对应区域电源，这部分传感器组开始工作，进一步确认。
传感器组由应变片 、轮辐荷重传感器 、激光测距传感器组成。

　　这三个传感器都是输出模拟信号，需要DAQM-4202进行AD采集，并转换为RS-485信号；然后经过485总线传输到STM32F407ZGT6单片机处；若应变片和轮辐荷重传感器的输出值超过规定值，激光传感器未接收到信号，则判断该区域出现问题；再将信号用2.4G无线传输传到电脑，用SIM900发消息给手机，并且打开继电器进行井下报警。
整个系统多次监测，能够减小错判率，保障井下人员的安全。

　　3 各个模块的选择
　　3.1 传感器的选择
　　分析斜井井壁变形造成的影响：
　　（1）井壁沿轴向的挤压和拉伸：可以选用应变片测量压力和拉力的变化，如ZH300。

　　（2）中心线的弯曲和移动，这种影响可以使用激光传感器检测，若下一个激光传感器能接收到上一个激光传感器发出的激光，则在这个传感器之前的电路没有问题，以此确定形变区域。
为防止采矿机械的影响，将激光传感器置于顶部。
选用GLS-B100激光传感器。

　　（3）形变会引起井壁所受力的改变，因此可以在容易形变的特殊区域，如拐点，长壁中心点等位置使用轮辐荷重传感器检测受力。
可选用米科的传感器，如图2所示。

　　3.2 激光测距扫描车的设计
　　如图3所示，斜井通道会铺设轨道以便于采矿，这为扫描车的使用提供了方便。
这种扫描车的核心是激光测距传感器：先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。
经目标反射后激光向各方向散射。
部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上，将光信号转化为电信号。
记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

　　得到的数据经过AD转换传入STM32单片机，再接入电脑储存起来，形成一个数据库，若某次检测到一个区域的距离与平时的距离差别较大，单片机用无线通知对应区域电源打开，进而打开该区域传感器进行精确检测。

　　3.3 AD转换及RS-485总线传输
　　各个传感器得到的信号都是模拟信号，要想传输需要转换为数字信号，这里采用八路模拟量转485信号的模块DAQM-4300，�@种模块分辨率可达16位，运行需要的温湿度条件比较宽松，适合在环境恶劣的矿井井道中使用。
它的工作电压在7-36V之间，需要外加电源。

　　矿井巷道内情况复杂，不能使用无线传输，RS-485 标准采用差分半双工方式传输，最大的传输距离约为 1200m，传输速率为 90kbps，传输线路使用平衡双绞线。
一根RS-485总线可以同时接30多个传感器，可降低铺设线路的复杂度。
因此选择RS-485总线进行传输。

　　3.4 单片机选用
　　单片机选用STM32F407ZGT6，众多的IO接口、无线模块接口、低功耗等性能使该单片机能很容易完成接收数据并且进行无线传输的任务。

　　4 无线传输
　　传输到井上单片机的信号一方面需要传到远程终端机，另一方面需要给手机发送短信以便外界能更快速地了解井壁情况，更快做出补救。
因此在无线传输上选用2.4G模块NRF2401和GPRS无线模块SIM900。

　　4.1 2.4G模块NRF24L01
　　NRF24L01是NORDIC公司生产的一款无线通信通信芯片，无线通信速度最高可达到2Mbps。

　　有以下特点：
　　（1）2.4G全球开放的ISM频段，免许可证使用。

　　（2）最高工作速率2Mbps，高校的GFSK调制，抗干扰能力强。

　　（3）126个可选的频道，满足多点通信和调频通信的需要。

　　4.1.1 与单片机的连接
　　NRF24L01采用SPI通信，可以很方便的连接到MCU上面。
只需要将“SCK-PB3 MISO-PB4 MOSI-PB5”对应连接即可，如图4。

　　4.1.2 与PC机的连接
　　单片机+nrf24L01做为接收端，单片机再通过串口连接PC机。

　　4.1.3 整体传输图
　　如图5所示。

　　单片机+NRF24L01做为发送端：任务是把信息发送出去；
　　单片机+NRF24L01做为接收端：任务是NRF24l01接收发来的信息，并把信息送给单片机进而通过串口送给PC机。

　　4.2 GPRS无线模块SIM900
　　ATK-SIM900A 模块板载工业级双频GSM/GPRS模块：SIM900A，工作频段双频：900/1800Mhz，可以实现低功耗数据的传输。

　　SIM900与单片机连接后，就能给手机端发送短信，以此快速提醒管理人员井内的情况。

　　ATK-SIM900A 所有的控制与数据，都是通过串口来传输的，所以STM32F4与模块连接，只需要连接串口即可。

　　连接如表1所示。

　　5 总结
　　本系统的亮点一是多传感器检测，是一个全方位，可靠性比较高的系统；二是提出采用检测车先检测，若出现问题则打开对应区域电源的方式，在节能和降低器件损耗方面有优点；三是使用智能仪器，更加实时、准确。
各种无线通信方式的使用也使整个系统的时效性更好，能更快速地做出决策，保障人员安全，减少损失。

　　这个系统各种组合仪器拥有对数据的储存，运算，逻辑判断及自动化操作等功能，是典型的智能仪器系统，在设计过程中，各种CUP的使用使得传感器采集到的信息能更有效的利用。
智能仪器是计算机技术和测量技术的产物，这也是它不同于普通聪敏仪器和模块化仪器的地方
　　参考文献
　　[1]从兰美.矿井井壁安全监测报警系统研究[D].山东科技大学，2002.
　　[3]梁化强.矿井井壁变形监测及治理研究[J].矿业安全与环保，2008.
　　[4]程德福.智能仪器[M].北京工业出版社，2014.
　　作者单位
　　山东科技大学 山东省青岛市 266000