CAN总线在采矿塌陷区大型厂房监测系统中的应用

丁爱华

(唐山学院信息工程系，河北 唐山 063000)

CAN总线在采矿塌陷区大型厂房监测系统中的应用

丁爱华

(唐山学院信息工程系，河北 唐山 063000)

针对采矿塌陷区上建现代大型单层厂房、温室急需进行监测的要求，采用基于CAN总线技术的检测系统方案，通过单片机系统完成沉降数据的采集，实现智能节点的设计。同时采用CAN总线技术，实现数据的实时可靠的传输。再将数据直接传给计算机，进行数据集中分析处理。通过VB制作的监控管理软件，实现温度的查询与实时显示。以唐山马家沟矿区波及区上建设的凤凰花卉温室大棚为对象进行的监测试验表明，该地区塌陷明显，7个月的沉陷达到了几十毫米，最大点可以达到83 mm。本系统改变了传统集散控制系统的检测方式，节省了人力物力，并可以实现实时可靠的检测。

CAN总线 采矿塌陷区 沉降监测 VB

随着采矿废弃地、塌陷区利用越来越多，对这些不稳定地基进行大型厂房、温室的安全运营引起了各方的关注。结合采矿塌陷区不稳定的特点，针对传统监测系统中数据的采集和记录不及时、自动化程度低、工作效率低等问题，设计能在工业现场环境中运行性能可靠、价格低廉的监测系统变得越来越重要。由于厂房地基不稳定，地表沉降现象变化缓慢，因此，需要对其微小变形量进行实时监测，并建立统计分析模型，建立预警系统。另外，由于厂房占地面积较大，不仅仅要考虑沉降数据的准确性与可靠性，还应该进行多点测量。现场总线技术集合了计算机、通信、网络和控制技术，把集散控制系统中由单、多回路调节器构成的控制系统，由现场仪表来承担，改变了控制系统体系结构。

控制器局部网CAN(Controller Area Network)是串行通信网络，支持分布式、实时控制。应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，具有优先权和仲裁能力，可以将多个检测、控制模块通过CAN控制器接到CAN总线上，形成多主机局部网络，比普通的通信技术，具有更高的可靠性和实时性。本设计基于CAN总线技术，不仅能准确显示各监测点的实时沉降数据，而且能够起到预警作用。同时，通过分析数据，建立沉降采集数据模型，为安全生产提供可靠的依据。

1 系统整体设计

沉降监测系统包括沉降检测和沉降自动化报警2个子系统，利用位移传感器进行沉降信息的检测，实现对厂房环境的自动监测和报警。本系统是一个智能型的沉降监控系统。系统由上位管理机、CAN总线适配器以及多个智能节点组成，节点数量根据厂房监控的规模增加，采用CAN总线作为通信网络，采用双绞线作为传输介质，将各节点连接成一个分布式智能控制网络，其网络框架如图1所示。

图1 网络构架

CAN总线模块采用STC89C52作为微处理器，在CAN总线通信接口中采用了PHILIPS公司的SJA1000和PCA82C250芯片，SJA1000是一种独立CAN通信控制器，82C250为高性能CAN总线收发器。

整个系统主要是由智能沉降值采集节点和上位管理机3部分所构成。智能节点负责多点垂直位移数据的采集，依靠CAN总线完成节点和上位管理机的通信。监控管理机主要完成CAN总线网络与PC机之间的通信功能，并实现对智能节点的控制和监控结果的实时显示，由CAN总线控制器和CAN总线收发器来完成。

2 CAN智能节点模块硬件设计

本设计的智能节点模块硬件总体框图如图2所示。

图2 智能节点模块硬件总体框图

系统采用结构化的方法进行硬件设计，按功能划分成几个子模块。主要包括位移采集模块，主要负责缓变位移数据的采集；CAN总线通信模块，主要负责节点和总线中其他节点之间的双向通信，包括CAN总线控制器和总线收发器；系统电源模块，负责提供+5 V电源电压；显示模块和报警模块，负责由节点获得的位移信息转换为沉降数据的显示和报警功能。智能节点最终实现对沉降值进行实时采集并完成沉降值的实时显示。采集到的实时数据通过总线向监控管理计算机进行传输，由人机交互模块，提供操作人员和底层节点之间的信息交互，最后将测得的结果发送到监控管理界面显示出来。

2.1 位移采集模块

为了获得沉降值，采用位移传感器进行垂直位移的检测，在此选择静力水准仪(图3)作为垂直沉降的传感器，它由一系列液位传感器和储液罐组成，储液罐之间由连通管连通，用于塌陷区多个被测点的沉降变形监测。

图3 静力水准仪

监测时，基准罐置于一个稳定的水平基点，其他储液罐置于标高大致相同的不同位置，当各储液罐相对于基准罐发生升降时，将引起该罐内液面的上升或下降。因此，通过测量液位的变化情况，可以测量出各被测点相对水平基点的升降变形。

2.2 CAN通信模块设计

基于目前市场上的开发工具的实际需要，选择SJA1000作为CAN控制器，并使用CAN控制器接口芯片PCA82C250。

PCA2C250为CAN总线收发器，是CAN控制器和物理总线间的接口，提供对总线的驱动发送能力、对CAN控制器的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。

2.3 人机交互模块设计

本次设计中使用STC89C52单片机串行通信端口和1个简单的接口功能，选择RS-232为CAN总线连接上位机的连接方式。

3 系统软件设计

软件设计分智能节点软件设计和上位机管理机软件设计2部分。其中，上位机由Visual Basic可视化的程序设计语言开发监控管理界面。

3.1 CAN通信软件设计

3.1.1 SJAl000数据发送程序设计

报文的发送由CAN控制器通过CAN协议规范自动完成。发送时，首先把CPU将要发送的报文传送给发送缓冲器中，并且置位命令寄存器中的发送请求标志位。其发送流程图如图4所示。

图4 数据发送流程

3.1.2 SJAl000接收数据程序设计

接收数据流程图如图5所示。如果接收缓冲区状态标志为满，则说明已经接收1个或多个报文。此时CPU将从CAN控制器读取出第1个报文，并且置位命令寄存器释放接收缓冲区的标志。

图5 数据接收流程

3.2 上位管理机界面的设计

为了实现通信的程序，设计上位管理机界面设计如图6所示。

4 数据分析

为验证系统的可行性，项目组在唐山马家沟矿区波及区上建设的凤凰花卉温室大棚进行监测试验。基准罐上设置GPS接收装置，以便确定基准罐基准数据。通过在300 m×110 m的花卉交易大厅4个大棚角点设置监测装置，利用2014年1—7月实时监测，以验证该温室大棚在塌陷波及区上的稳定性。

图6 监控管理软件框图

通过截取记录3点的监测数据，并加以分析，如图7所示。该采煤塌陷波及区虽然采深大，距离采中线距离较远，但是监测数据依然显示塌陷明显，7个月的沉陷达到了几十毫米，最大点可以达到83 mm。但是从整体数据上看该区域沉陷较平稳，没有出现断裂现象。

图7 厂房地表沉降监测数据

5 结 论

从采矿塌陷区上建大型厂房、温室中稳定性、监测的理论设计和系统实现出发，对基于CAN总线技术的监视系统展开分析与研究，并结合项目在唐山市马家沟煤矿采煤塌陷波及区上建设的凤凰花卉大型生态温室进行了应用，效果良好。

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(责任编辑 石海林)

Application of CAN bus in Large Plant Monitoring System in Mining Subsidence Area

Ding Aihua

(DepartmentofInformationEngineering，TangshanCollege，Tangshan063000，China)

According to the monitoring requirements of building modern large-scale monolayer workshop and greenhouse in the mining subsidence area，the detection scheme based on CAN technology is adopted to realize the design of intelligent node，through the MCU system to complete settlement data collection.At the same time，the real-time and reliable data transmission is realized by the technology of CAN bus.Then the data is directly transmitted to the computer for data analysis and processing.The monitoring and management software based on VB is used to query and display real-time temperature.Monitoring test data in Fenghuang flower greenhouse of Tangshan Majiagou mining area shows that the area is subsided obviously.Sedimentation value reached dozens of millimeter in 7 months，and the maximum dedimentation value can reach 83mm.The system changes the traditional detection method of distributed control system，saves manpower and material resources，and realizes real-time and reliable detection.

CAN bus，Mining subsidence area，Subsidence monitoring，Visual Basic

2015-02-04

丁爱华(1978—)，女，副教授，硕士。

TD17，TD325

A

1001-1250(2015)-04-212-04