基于STM32的多功能矿灯设计与验证.pdf

第期(总第 期)年 月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o D e c 文章编号:()基于S TM 的多功能矿灯设计与验证段海贝(山西焦煤 西山煤电(集团)有限责任公司 东曲煤矿,山西古交 )摘要:针对东曲煤矿矿灯使用过程中存在的功能单一、功耗高、无线通信丢包率大的问题,基于S TM 控制器设计了一种在满足照明使用的条件下,集巷道环境感知、组网通讯、液晶显示以及人机交互能力于一体的多功能矿灯.该矿灯利用多传感器感知巷道环境瓦斯浓度、人员定位信息;利用低功耗L o R a通讯实现数据的无线远距离精确传输;利用人机交互平台实现感知数据异常状态的信息交互.试验验证结果表明:该设计方案实现了矿灯多功能化、无线通讯性能强、功耗低的目标,提升了矿灯的智能化水平.关键词:多功能矿灯;无线通讯;人机交互;硬件;软件中图分类号:T P T D 文献标识码:B收稿日期:;修订日期:作者简介:段海贝(),女,山西介休人,助理工程师,大专,现从事煤矿地面矿灯系统的设计、维护及管理工作.引言随着煤矿井下设备智能控制、巷道环境感知以及井下无线通讯技术的不断发展和应用,智能型矿灯除发挥照明基本作用外,还需具备的功能为 :巷道环境感知能力,即能够实时采集巷道瓦斯浓度信息、井下人员定位信息并对监测到的异常状态发出预警;组网通讯能力,即能够将获取的巷道环境数据、人员状态数据等信息通过无线通讯传送至地面调度室,同时可以接收并处理地面调度室下发的控制指令;人机交互能力,即能够通过本地按键对矿灯进行手动设置,也可手动上传巷道环境异常至地面调度室,同时能够在本地实时、准确的显示巷道环境参数、人员定位以及矿灯本体基本信息.本文基于S TM 控制器,设计多功能矿灯,解决东曲煤矿在用矿灯存在的功能单一、功耗高、无线通讯丢包率大的问题,提升矿灯的智能化水平.矿灯硬件设计多功能矿灯硬件设计框图如图所示,主要由主控芯片模块、传感器模块、通讯模块、人机交互模块以及电源管理模块五部分组成.图多功能矿灯硬件设计框图 主控芯片模块主控芯片S TM L V E T 基于A RM C o r t e x M 内核,采用 引脚L Q F P封装,支持个定时器、通道个A D C、个C AN接口等,满足多功能矿灯硬件设计要求.传感器模块瓦斯传感器选用催化燃烧式MC 型瓦斯浓度传感器,具有反应速度快、重复性好、可靠性高和工作性能稳定的特点.人员状态检测由MP U 加速度传感器实现,通过精确跟踪快速、慢速运动检测矿工姿态,进而判断矿工是否处于安全状态.通讯模块低功耗L o R a无线通讯模块型号为F L ,基于L o R aTM扩频调制技术,可实现 d B m的高灵敏度以及 d B m的功率输出,可用于k m k m超长距离扩频光通讯,且兼顾功耗及抗干扰问题.L o R a无线通讯网关选用的型号为L o R a F T L,支持多种WAN连接方式,支持无线蜂窝/有线WAN双链路智能切换,支持WE P/WP A/WP A 等多种加密模式,支持L o R a网络无线数据传输功能.人机交互模块矿灯人机交互模块由多路按键、O L E D液晶显示电路组成.设置的按键有开机/关机键、复位键、向上键、向下键、对讲键和拍照键,用于查看O L E D液晶显示器中显示的多页数据;同时可进行手动报警、对讲以及拍照.O L E D液晶显示电路与S TM L V E T 芯片的R S 通讯端口相连,完成矿灯所有数据收发功能.电源管理模块矿灯输入电源为 V/Ah锂电池,通过电平转换电路可提供 V、V以及 V三种电压等级需求,电源管理模块结构如图所示.图电源管理模块结构图矿灯软件设计矿灯软件系统基于K e i lMD K 开发环境,基于F r e eR T O S嵌入式实时操作系统进行多任务管理,实现多功能矿灯的巷道环境感知、组网通讯以及人机交互功能,分别编写矿灯主程序、传感器数据处理程序、通讯程序以及人机交互程序.主程序设计矿灯软件系统主程序设计流程如图所示,F r e eR T O S嵌入式实时操作系统具有实时性高、功耗低、占用资源少的特点,符合矿灯成本与功耗受限的应用场合.基于F r e eR T O S操作系统,建立多任务线程,根据任务优先级进行任务调度,满足多功能矿灯实时响应要求.图矿灯软件系统主程序设计流程 传感器数据处理程序设计S TM L V E T 芯片完成对传感器数据的采集、A/D转换以及阈值判断等.当瓦斯浓度超限后,生成瓦斯浓度超限信号量并提交给L i n u x操作系统,启动瓦斯浓度超限报警任务.通讯程序设计S TM L V E T 芯片将采集并处理后的巷道数据传送至L o R a无线通讯模块,由L o R a无线通讯网关基于UD P(U s e rD a t a g r a mP r o t o c o l)协议传送至井下工业环网.采用UD P通讯协议传送时设计主动上传、轮询唤醒两种工作模式:主动上传工作模式即矿灯系统通电并接入L o R a无线通讯网络后自动周期性地向L o R a网关发送数据,L o R a网关接收到数据后自动回复L o R a无线通讯模块,同时将接收到的数据立即传送至井下工业环网;轮询唤醒工作模式即由L o R a网关发送指令唤醒L o R a无线通讯模块进行数据无线传送过程,否则L o R a无线通讯模块处于休眠状态.人机交互程序设计S TM L V E T 芯片将采集并处理后的巷道环境数据以UD PS o c k e t通讯模式发送给O L E D液晶显示上位机.上位机对接收到的数据按照通讯协议进行解析并转换为本地变量存储至M y s q l数据中,同时进行显 示.上 位 机 界 面 程 序 设 计 采 用C语 言 在V i s u a lS t u d i o 开发环境中实现,设计有主界面、巷道环境数据界面、按键信息界面和报警信息界面等.矿灯试验在山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司东曲煤矿 掘进工作面中段 m范围内分别完成设计并进行了多功能矿灯巷道环境感知功能试验和组网通讯功能试验.巷道环境感知功能试验在 掘进工作面中段 m范围内每隔 m放置个矿灯,共 个矿灯,实时采集、共处监测点的瓦斯浓度.根据实时瓦斯浓度绘制瓦斯浓度曲线,如图所示.当该监测点瓦斯浓度值超出预警报警值后,触发声光语音报警.当井下工人按下紧急救援按钮后能够向地面调度室发出救援及位置信息.同时,该多功能矿灯能够实时监测巷道环境内的C O、C O以及温湿度等环境数据.图巷道瓦斯浓度采集 组网通讯功能试验在 掘进工作面中段 m范围内布置 个多功能矿灯以及个L o R a智能网关,分别测试并统计、个多功能矿灯以L o R a通讯方式经L o R a通讯网关同时向地面调度室发送数据时的丢包率、时延.根据统计的试验数据可知:该矿灯数据传输时延小于 m s,丢包率小于,满足矿灯设计要求.结论()本文设计了以S TM L V E T 芯片为核心的矿灯硬件、软件控制系统,在满足矿灯照明功能的前提下,应用矿灯可实现巷道环境感知、组网通讯以及人机交互功能,实现了矿灯的多功能化.()完成了多功能矿灯试验验证,试验验证结果表明:该多功能矿灯具有低功耗、高数据采集精度、低通讯丢包率的特点.()本文设计的多功能矿灯为煤矿井下设备智能化以及煤矿井下安全、高效开采提供了参考.(参考文献和英文摘要转第 页)机 械 工 程 与 自 动 化 年第期就可以在启动时初始化所有服务系统,并且不向攻击者提供任何关于服务的信息.如果加密函数的安全性能够保证阻碍这类攻击,则篡改电阻装置可以卸载这样的安全防御程序.()当系统遭到耗尽攻击时,可以通过侦测程序来限制系统任务的数量,并对可疑任务加以阻止.这样可以限制此类攻击对物联网节点的破坏.网络层安全威胁应对策略()无论使用何种网络拓扑,系统都可能遭到干扰攻击.我们可以通过使用数字签名或者消息验证码验证身份避免攻击.()为减少拒绝服务攻击,应使用攻击检测系统并自 动 阻 止 可 疑 活 动.检 测 系 统 使 用 机 器 学 习(M a c h i n eL e a r n i n g)模式检测异常流量并将其标记并阻止.我们使用有监督学习的模型算法对数据进行一个或多个类标记,检测系统会根据攻击标记立即检测出攻击的类型并进行阻止.()为了减少路由攻击,必须对连接到网络的设备实施严格的控制.通过设置传感器直接连接云,将数据直接推送到云中,从而减少路由器遭受攻击.应用层安全威胁应对策略()应用层的系统安全性通常受到所使用协议的影响.为防止中间人攻击,可以加密系统所支持的网络传输协议.加密传输协议是一种保护数据传输安全性的协议,通过为数据传输时使用加密技术而具有安全性保障作用.将发送的数据不经处理直接暴露在网络中存在安全隐患,因此采用加密传输协议可有效保护数据传输的安全性,使其在网络传输过程中保护数据不被拦截、窃取或者篡改,从而防止发生数据泄露.()对于S Q L注入攻击,可以应用标准安全规程,例如S Q L注入缓解措施、跨站点脚本(C r o s s S i t eS c r i p t i n g,X S S)预防等.结论本文梳理了基于网络拓扑的物联网系统安全的缺陷,考虑了现阶段物联网设备硬件的限制,根据物联网三个层次结构潜在的网络安全威胁,建立和完善数据保护系统的构架,为物联网系统安全威胁提供了防御策略,构建了健全综合的物联网安全防御体系,为物联网能够健康平稳发展奠定了基础.参考文献:解晓丽大数据环境下计算机网络安全技术的优化策略J办公自动化,():,吴疆物联网技术在网络安全中的应用分析J信息与电脑(理论版),():刘小铭,许旭江物联网环境下网络安全技术的研究与应用J网络安全技术与应用,():卢爱芬基于区块链的物联网信息安全技术研究J电子测试,():,吴登伟,裴宜春区块链技术及其在信息安全领域的研究J中国新通信,():R e s e a r c ho nN e t w o r kS e c u r i t yT e c h n o l o g yo f I n t e r n e t o fT h i n g sMUL i s h a,X I AJ i n g w e n(S h a n x iA p p l i e dT e c h n o l o g yS c h o o l,T a i y u a n ,C h i n a;S h a n x iE n g i n e e r i n gV o c a t i o n a lC o l l e g e,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f n e t w o r k t e c h n o l o g y,t h e I n t e r n e t o fT h i n g s t e c h n o l o g y i nC h i n a i s i n c r e a s i n g l yb e i n ga p p l i e dt ov a r i o u sa s p e c t so fl i f e I tn o to n l yb r i n g sc o n v e n i e n c ea n dc o m f o r tt op e o p l e,b u ta l s ob r i n g ss a f e t yh a z a r d s I m p r o v i n gt h eI n t e r n e to fT h i n g s s y s t e ma n de n s u r i n g i t s s a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o n i s a nu r g e n t p r o b l e mt h a t I n t e r n e t o fT h i n g s t e c h n o l o g yn e e d s t os o l v e T h i s a r t i c l e c o n s i d e r s t h e l i m i t a t i o n so f d e v i c eh a r d w a r eo ns y s t e ms e r v i c e s,a n dc o n d u c t s i n d e p t he x p l o r a t i o no f I o Tn e t w o r ks e c u r i t yt h r e a t s I tp r o p o s e sc o r r e s p o n d i n g s e c u r i t y a r c h i t e c t u r e sf o rn e t w o r k s e c u r i t yi s s u e s,i n c l u d i n g d e v e l o p i n gf e a s i b l ea u t h e n t i c a t i o na n dk e ym e c h a n i s m s,e n c r y p t e dn e t w o r kp r o t o c o l s,a n dd e t e c t i o no f n e t w o r ka t t a c k s,t op r o p o s e s o l u t i o n s f o r n e t w o r ks e c u r i t yt h r e a t s K e y w o r d s:I n t e r n e to fT h i n g s;s a f e t y;n e t w o r kt o p o l o g y;n e t w o r ka t t a c k(上接第 页)参考文献:李玉凤基于瓦斯监测和人员定位智能矿灯设计与实现J机械研究与应用,():张帝,权悦,国海,等基于L o R a与R T T h r e a d的多功能矿灯设计J工矿自动化,():常云泽井下信息化矿灯通讯调度系统研究J能源与节能,():戴剑波一种多模定位信息矿灯标识卡设计与实现J煤矿安全,():刘冰矿灯智能充电监测管理系统初探J山东煤炭科技,():黄一波基于瓦斯检测与人员定位新型智能矿灯的设计与实现D西安:西安电子科技大学,:D e s i g na n dV e r i f i c a t i o no fM u l t i f u n c t i o n a lM i n eL a m pB a s e do nS TM D U A NH a i b e i(D o n g q uC o a lM i n e,S h a n x iC o k i n gC o a lX i s h a nC o a lE l e c t r i c i t yG r o u pC o,L t d,G u j i a o ,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h ep r o b l e m so f s i n g l e f u n c t i o n,h i g hp o w e r c o n s u m p t i o na n dh i g hp a c k e t l o s s r a t eo fw i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n i nt h eu s eo fD o n g q uc o a lm i n el a m p,b a s e do nS TM c o n t r o l l e r,am u l t i f u n c t i o n a lm i n el a m pi sd e s i g n e du n d e rt h ec o n d i t i o no fm e e t i n gt h e l i g h t i n gu s e,i n t e g r a t i n gt h ea b i l i t yo f t u n n e l e n v i r o n m e n tp e r c e p t i o n,n e t w o r k i n gc o mm u n i c a t i o n,l i q u i dc r y s t a l d i s p l a ya n dh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n T h e l a m pu s e sm u l t i p l e s e n s o r s t os e n s e t h e e n v i r o n m e n t a l g a s c o n c e n t r a t i o na n dp e r s o n n e l l o c a t i o ni n f o r m a t i o no f t h e r o a d w a y T h e l o wp o w e rL o R a c o mm u n i c a t i o n i su s e d t o r e a l i z e t h ew i r e l e s s r e m o t e a c c u r a t e t r a n s m i s s i o no f d a t a T h eh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o np l a t f o r mi su s e dt or e a l i z et h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eo fp e r c e p t i o nd a t aa n da b n o r m a ls t a t e T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g ns c h e m ea c h i e v e st h eg o a lo fm u l t i f u n c t i o n,s t r o n gw i r e l e s sc o mm u n i c a t i o np e r f o r m a n c ea n d l o wp o w e r c o n s u m p t i o n,a n d i m p r o v e s t h e i n t e l l i g e n t l e v e l o f t h em i n e l a m p K e y w o r d s:m u l t i f u n c t i o n a lm i n i n g l a m p;w i r e l e s sc o mm u n i c a t i o n;h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n;h a r d w a r e;s o f t w a r e机 械 工 程 与 自 动 化 年第期