总线技术的矿井监测系统设计

1引言

矿产资源是社会发展的重要物质基础，矿业是开采矿产资源的行业，是国民经济的一个

重要组成部分，在经济建设和人民生活中有着十分重要的意义。煤炭工业的智能化、信息化、

安全化水平对我国能源行业有着深远的影响。

经过半个世纪的努力，我国煤炭工业己经建立了比较完整的，并有一部分现代化水平的

工业体系。但是，煤炭工业现代化建设总体上看还是粗放的，还处于较低水平，特别是井下

采煤安全制约着国内煤炭工业健康发展。据统计，我国煤炭今年产量预计将达到31.1亿吨，

居世界首位。但目前我国煤矿事故死亡人数，远远超过世界其它产煤国家，每年事故死亡近

万人，安全生产形势仍相当严峻。全国煤矿事故频发，由此可看出煤矿安全技术改造的重要

性和紧迫性。在这其中，瓦斯灾害和煤矿透水是造成煤矿事故的主要元凶，是煤矿安全生产

的大敌。要实现可持续发展就必须走新型工业化道路。大力发展煤炭工业信息化，使煤炭生

产管理、市场营销、安全监测等环节大大提高是实现新型工业化道路的重要途径。

我国的煤炭工业由于长期受旧体制的影响，除少数煤矿企业外，科技实力普遍不高，存在很多安全生

产隐患。在煤矿监控领域，只有部分重点大中型煤矿装配了以计算机为中心的集散型监控系统，更多的是

简单的模拟系统，且这些系统由几十个厂家提供，各个系统之间不能兼容。因此，建立煤矿井下安全监测

系统，形成煤矿井上/下可靠、高效的安全预警机制和管理决策信息通道尤为重要。

2绪论

2.1课题研究背景和意义

矿井环境监测系统能够为各级生产指挥者和业务部门提供环境安全参数动态信息，通过

对被测参数的比较和分析，为预防灾害事故提供技术数据，便于提前采取防范措施；通过对

被测参数实时有效的控制，及时实现自动报警、断电和闭锁，便于防止事故的发生或扩大叫

国外20世纪六七十年代发展起来的煤矿监控监测技术，近年来在我国也有了飞速的发

展，各种煤矿监测系统及其配套产品应运而生。目前我国煤矿中使用的各类监测监控系统多

达三十几种，新的监控系统还在不断加入⑵。

由于现有厂家的监控系统几乎都采用各自专用的通信协议，很难找到两个相互兼容的系

统。目前，信息传输系统的兼容性已成为各矿井进一步补充系统功能的制约因素，主要表现

在用户一旦装备了某厂家的系统后，在监控系统的软件、硬件（如分站）的补充及服务等方

面，就别无选择地依赖于这个厂家。有些矿井在系统存在严重问题和得不到技术服务的条件

下，不得不废弃原有系统而选择其他系统。因此，通信协议不规范造成了设备重复购置、系

统补充受制于人和不能随意进行软硬件升级改造的后果。限制了竞争和安全监控系统市场的

有序竞争局面的形成，造成了部分厂家的垄断⑶。

传统的煤矿监控系统信息传输广泛采用的是RS232或RS485通信方式，这种传输总线技

术在信息传输方面存在许多无法克服的缺点，主要表现在：口⑹

监控系统种类虽然多，但均为主从式结构，网络上只能有1个主节点，无法构成多主冗

余系统，当主节点出现故障后，系统将无法运行；

1）由于缺乏统一的规范和通信协议，所以系统是封闭的；

2）波特率较低，传输距离短，实时性满足不了。

近年来，现场总线技术的出现使得建设基于网络的开放性煤矿监控系统成为可能。CAN

总线的许多优点正好能克服以上几个缺点，较适用于煤矿监控系统"加。

我国的煤炭工业由于长期受旧体制的影响，除少数煤矿企业外，科技实力普遍不高，存

在很多安全生产隐患。在煤矿监控领域，只有部分重点大中型煤矿装配了以计算机为中心的

集散型监控系统，更多的是简单的模拟系统，且这些系统由几十个厂家提供，各个系统之间

不能兼容。因此，建立煤矿井下安全监测系统，形成煤矿井上/下可靠、高效的安全预警机制

和管理决策信息通道尤为重要。

2.2国内外现状综述

目前，国内已经拥有一些比较成熟的安全生产监控系统，比如淄博瑞安特公司的KJ76煤

矿安全综合监控系统，江苏常州三恒公司的KJ69煤矿安全综合监控系统等。这些系统用来监

控煤矿生产过程中的物流运转状况和危险区域敏感数据信息，属于传统的一般安全监控系统,

只是简单的把井下传感器检测到的瓦斯浓度、风速等信息上传到井上调度室的主机备案、显

示和查询。而包括下井人员跟踪检测在内的综合监控系统还是空白。我们了解到目前已经有

些单位正在开发独立运行的下井人员跟踪检测系统，有的已经做出了初步的产品，如济宁电

真空器件厂的KJ151煤矿井下人员定位系统等，但是目前都还没有通过相关认证和鉴定，基

本上都处于试验阶段。国外几年前就有澳大利亚的公司开发出了功能强大的下井人员跟踪监

控系统，曾经在我国煤矿系统推广。但是由于这套系统成本过高、维护相对困难、不适合我

国国情等各方面原因，最终以失败而收场，没有推广出一套系统。

2.3课题研究内容及主要工作

本课题研究的基于现场总线技术的矿井环境监测系统由地面主机和井下若干固定监测节

点及设备、手持移动检测节点组成。

采用检测和传输方式构成二级集散式微机监测系统，对井下的瓦斯（甲烷）、一氧化碳、

二氧化碳、温度、风速、积水仓水位等参数全方位监测，人员自动跟踪定位，实时检测显示

动态目标的身份、位置及分布状况。平时用于优化生产指挥，一旦遇到事故，可依次作出正

确、快速的营救决策，指挥抗灾。

课题主要完成的工作如下：

1）通过全面研究国内外现有的矿井环境监测系统，设计一种基于CAN总线技术的新型矿

井环境监测系统，论述系统功能，给出系统结构图和具体实现方法。

2）完成CAN总线主从分段网络的结构及电气部分的硬件设计。

3）针对建立的矿井环境监测系统模型，设计相应的CAN总线数据帧格式。为解决多个工

作人员同时工作，避免同时于监测主机通信时产生竞争，设计点对点越区切换协议。

4）根据本监测系统模型及硬件要求，对系统软件进行设计。完成收、发模块软件，区域

识别模块、单片机接口程序及上位机软件的设计。对数据的检错单元的抗干扰性能也进行分

析、设计。

5）完成一套基于CAN总线监测系统的实验室组装，利用检测仪、监控主机、收发模块对

本课题所设计的监测系统进行模拟与测试，通过测试结果，表明该监测系统准确度高，使用

方便，具有良好的应用前景。

2.4系统的主要功能

本课题所设计的基于CAN总线技术的矿井环境监测系统主要能实现以下几大功能：

1）实时监测矿井中有害气体的浓度、温度、风速、积水仓水位等数据

将红外多气体检测仪采集的甲烷、一氧化碳、二氧化碳浓度，温度检测仪检测的温度、

风速检测仪检测的风速、水位检测仪检测的积水仓水位等数据进行数据帧封装后经过井下CAN

总线网络传输，最终传送至监控主机PC的操作平台。计算机将数据存入数据库，并进一步判

断是否处于安全范围内，若超过规定阈值则自动报警。

2）重要设备查询和井下人员考勤功能

监测节点将接收到的信息实时传送至监控主机，监控主机可实时检测井下人员及重要设

备的分布情况。通过操作平台软件可以查询各个工作节点所在具体位置并根据需要迅速进行

人员及设备的调配。同时，利用保存在PC机中的数据也可实现工作人员的考勤功能。

3）安全保障功能

丢失报警：工作人员工作超过规定时间，或者超过规定位置，将自动报警并在操作平台

上提供相关人员名单。

救护搜寻：矿难现场被困人员进行搜寻和定位，便于开展救护工作。

4）信息联网功能

作为整个煤矿的信息网的一部分，可以提供功能完善的数据库，随时调用该煤矿在一段

时间内的环境数据以及相关人员和设备的统计数据，以利于科学研究和对人员设备等进行管

理。

3基于CAN总线技术的矿井环境监测系统结构设计

3.1系统通信网络的选定

系统的通信网络应该具有如下特点：

1）系统能够可靠工作，成本尽量低；

2）系统各个模块功能应相对独立，减少相互之间的耦合，防止一个节点的错误影响整个

系统的正常工作；

3）该系统应该具有一定的实时性和可扩展性。对于煤矿监控系统而言，最关键的是要保

证通信的实时性和可靠性。

3.1.1几种常用通信方式的比较

在测控网络中，设备控制层常用的通信技术有RS-232、RS-485、现场总线等。随着工业

以太网技术的不断发展，测控网络的设备控制层将有可能采用工业以太网技术来实现。由于

RS-232在实际工作中已经使用较少，不再作讨论。下面主要对当前比较流行的现场总线技术

与工业以太网进行比较，选择适合在矿井安全监控系统中使用的通信技术i⑷。

1）RS-485通信方式的优缺点

RS-485采用差分方式来传输数据，有效地抑制了共模干扰，提高了可靠性与通信距离。

RS-485拓扑结构为总线型，但仅实现了物理层协议，对于链路层没有定义，缺乏总线仲裁、

错误校验，可靠性措施等诸多网络功能。采用RS-485组建的网络中只能有一个主节点，其余

均为从节点。这种主从结构的网络无法构成多主结构或冗余结构的系统，一旦主节点出现故

障，整个系统将处于瘫痪状态，因而对主节点的可靠性要求很高。另外，网络中数据通信方

式为响应型，任何一次数据传输都是主节点首先发出命令，从节点接到命令后，以相应的方

式传给主节点。这使得网络上的数据传输速率降低很多，并且使主节点控制器非常繁忙。

2）工业以太网与现场总线

a）通信带宽

以太网的通信速率较高，其标准带宽为10Mbps,现在又流行100Mbps以及千兆的快速以

太网。而一般的现场总线都没有超过12Mbps,表3T列出常用的几种现场总线的最大带宽⑪。

表3-1几种现场总线的最大带宽（单位：bps）

Tab.3-1severalfieldbuslargestbandwidth（BPS）unit:

现场总线PROFIBUSFFLonworksHARTCAN

最大带宽12M2.5M1.5M1.2MIM

从带宽角度讲，以太网较现场总线有一定的优势。但是，在一般的工业控制现场，对通

信速率的要求并不是很高，现场总线的通信速率可以满足要求。

b）传输短报文时带宽利用率

在实际的工业现场，一般站点之间的通信以交换短报文（由几个字节组成）为主。以太

网的MAC（MediumAccessControl,媒体访问控制）子层中，采用CSMA/CD（CarrierSense

MultipleAccesswithCollisionDetection,带冲突检测的载波侦听多路访问）协议。当

一个站点发送短帧时，有可能第一个尚未到达电缆的最远端就己经完成发送，于是造成冲突

发生却检测不到的现象，导致通信无法正常进行。为了避免产生这种现象，必须对最短帧长

度进行限制。IEEE802.3协议中规定,对于长度为2500m,拥有4个中继器的10Mbps网络,

其最短帧长为72字节随着网络速度的提高，其最小帧长度必须增大，或者减小最大电缆

长度。采用现场总线技术，可以使帧长度减小。以CAN2.0为例，其最短数据帧仅有44位，

最长数据帧的长度为108位［⑶。

从以上比较可以看出，采用以太网来传输短报文，造成了很大的带宽浪费。使其用于传

输有用信息的速率大打折扣。

c）实时性

在工业现场，数据必须在确定的时间内到达目的站点。对于信道的访问，以太网采用

CSMA/CD协议，这种协议不能确保报文何时到达目的站点。在一些对时间敏感的应用场合，

报文的延迟将会造成严重后果。而现场总线技术的传输是确定性的，可以预知报文何时到达

目的站点［⑷。

d）对工业现场的适应性

以太网在总线上没有电源，连接器脆弱。与大多数现场总线相比，以太网更容易受电磁

干扰以及射频干扰。

e）现场设备的支持

目前，支持以太网的现场设备有限，少量支持以太网的设备价格昂贵，导致整个工程的

成本过高。而对于现场总线技术而言，支持的厂家较多，现场设备选择的余地较大，另外，

价格比较低廉。

从上述比较可以看出，现场总线技术有诸多优点，另外，现场总线技术也是今后自动化

领域技术发展的方向。因此，在系统网络构架设计中拟采用现场总线作为现场设备控制层的

通信总线。

3.1.2现场总线概述

现场总线是过程控制理论中的热门话题，也是相关领域的技术热点，受到了世界范围内

的广泛关注。在讨论现场总线之前我们不妨先回忆一下过程控制领域的发展过程以及现场总

线的产生背景。

随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150

多年前出现的基于5、13Psi的气动信号标准（PCS,PneumaticControlSystem气动控制系

统），标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念：20世纪50年代,随着基于0^10mA

或4~20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控

制时代的到来，三大控制论（经典控制理论现代控制理论大系统控制理论）的确立奠定了现

代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着

数字计算机的介入，产生了“集中控制''的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依

然沿用4~20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、

可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统（DCS,DistributedControlSystem

分布式控制系统）；微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广

泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，

而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字

通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规

电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼

此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此，导致了

现场总线的产生比朝g。

信息技术的飞速发展引起了自动化领域的深刻变革，逐步形成了网络化的、全开放的自

动控制体系结构，而现场总线就是这场深刻变革中的核心技术。总线就是传输信息的公共通

道。什么是现场总线?经典的定义是：应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现的双

向串行数字通信系统；也可以定义为开放式、数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造

业、流程工业、楼宇管理、交通管理等自动化系统中。现场总线技术将专用微处理器植入传

统的测量控制仪表，使它们具有了数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通

信任务的网络节点。这些节点之间通过普通双绞线等多种传输介质进行信息传输，并与计算

机等节点连接成网络系统，利用标准的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化自控设

备之间，以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，并

形成适应实际需要的各种自动控制系统。简而言之，现场总线把单个分散的测量控制设备变

成网络节点，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线给自动化领域带来了巨大

的变化，如同计算机网络和Internet给单台计算机用户带来的巨大变化。如果说计算机网络

把人类引入到信息时代，那么现场总线则将自控系统与设备加入到信息网络的行列，成为企

业信息网络基础设施的一部分，使企业信息传输的覆盖范围一直延伸到生产现场。因此，现

场总线技术的出现标志着自动化新时代的开端,闻。

3.1.3现场总线标准

由于现场总线是工厂自动化领域的开放互联系统，它一经出现，就得到了工业界的广泛

使用，各个自动化厂商也推出了自己的现场总线。目前在全球范围内有着几十种不同的现场

总线标准，其中得到广泛应用的几种典型的现场总线有：德国西门子公司的Profibus,美国

Rockwell自动化公司的DeviceNet,ControlNet,现场总线基金会的FF,德国Bosch公司的

CAN以及美国Echelon公司的LONWorks等。由于不同行业，不同的应用场所需求各异，加上

要考虑已有各种现场总线产品的投资效益和各公司的商业利益，在今后的一段时间内，在现

场总线应用领域仍然会保持现在这种多种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络

互联通讯的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放互联系统，是现在总线

技术发展的大势所趋。自1988年开始，国际电工委员会IEC/SC65C/wG6与美国仪表学会SP50

委员会本着协商一致的原则联合制定工业控制系统用现场总线国际标准。标准制定初期，由

于世界各国工业自动化仪表公司的系列芯片、软件技术和开发工具等各不相同，在关键技术

内容上存在很大分歧，所以标准制定的进程非常缓慢。

按照国际电工委员会IEC/SC65c的定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内

的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。根据使用场合和

用途不同，现场总线又分为H1低速现场总线和H2高速现场总线。IEC/SC65c最初定义H1总

线为用于制造或过程区域的、通过两根传输线向现场装置供电的低速串行总线，H2总线为无

需解决两线制供电，用于装置间传送信息的高速串行总线。H1和H2总线相辅相成，构成了

完整的工业自动化系统信息通信网络。

IEC61158用于工业控制系统的现场总线国际标准于2000年初终于获得通过，现场总线

之争随之退潮，IEC/SC65C/wG6现场总线标准委员会到此也完成了历史使命。为了进一步完

善IEC61158标准，IEC/SC65c成立了MT9现场总线修订小组，继续这方面的工作。MT9工作

组在原来8种类型现场总线的基础上不断完善扩充，于2001年8月制定出由10种类型现场

总线组成的第三版现场总线标准,它们是：TypelTS61158现场总线、Type2ControiNet和

Ethernet/IP现场总线、Type3Profibus现场总线、Type4P-NET现场总线、Type5FFHSE

现场总线、Type6Swift-Net现场总线、Type7WorldFIP现场总线、Type8INTERBUS现场总

线、Type9FFHI现场总线以及TypelOPROFlnet现场总线，该标准于2003年4月成为正式

国际标准。10种类型现场总线采用完全不同的通信协议。但对EthernetTCP/IP工业以太网

技术用于H2高速现场总线基本达成共识，Ethernet/IP,FFHSE和PROFlnet工业以太网技

术事实上已成为国际标准。现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已

开发出有40多种现场总线标准，如，Interbus,Bithus,DeviceNet,Modbus,Arcnet,P-Net,

FIP,ISP等，其中最具影响力的有5种,分别是FF,Profibus,HART,CAN和Lon-Works"⑼。

3.1.4五种现场总线比较

主要比较五种影响力较大的现场总线："2"

1）FF（FoundationFieldbus,基金会现场总线）

成立于1994年的现场总线基金会（FoundationFieldbus,FF）,致力于开发国际上统一

的现场总线协议。FF的体系结构参照ISO/OSI模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链

路层和应用层，另外增加了用户层。FF提供两种物理标准：H1和H2。H1为用于过程控制的

低速总线，速率为31.25kbps,传输距离为200m,400m、1200m和1900m四种。H2的传输速

率可为1Mbps和2.5Mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质可支持双绞

线、同轴电缆和光纤，协议符合IEC1158-2标准。

2）Profibus（ProcessFieldbus）

作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准，该项技术是由西门子公司为主的十

几家德国公司、研究所共同推出的。为在中国推广应用Profibus工业现场总线标准，Profibus

中国用户协会于1997年1月成立。Profibus的网络协议以iso/osi参考模型为基础，对第3〜

6层进行了简化。Profibus协议的第一部分是物理层和链路层协议。物理层采用RS-485标准

通信规范，传输介质为双绞线；Profibus链路层又称FDL,它采用混合介质存取方式，即主

站间按令牌方式，主站和从站间按主从方式工作。Profibus协议的第二部分是应用层协议

（FMS）,第三部分为DP协议，它们都使用相同的底层协议，用于不同的应用领域；FMS（应

用层协议）定义了应用层（第7层）的内容。由于Profibus没有第3〜6层，所以这几层的

必要功能在一个称为“底层接口”（LLI）的模块中完成，由LLI将这些功能映射到FMS中。

Profibus协议的第三部分是Profibus的DP协议，用于传感器和执行器级的高速数据传输。

它以Profibus-FDL（链路层）为基础，根据其所需要达到的目标对通信功能加以扩充。因为

两者使用相同的物理介质，DP和FMS可混合工作。Profibus协议的第四部分是Profibus的

PA协议，适用于对安全性要求较高的场合。Profibus产品有三类：FMS用于主站之间的通信;

DP用于制造行业从站之间的通信；PA用于过程行业从站之间的通信。

3）HART：（HighwayAddressableRemoteTransducer,可寻址远程传感器数据通路）

HART：由美国Rosemount公司1989年推出，主要应用于智能变送器。HART：为一过渡性

标准，它通过在4〜20mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波（2200Hz表示“0”，1200Hz

表示“1”）来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周

期为最近20年。

4）CAN（ControllerAreaNetwork,控制局域网络）最早由德国BOSCH公司推出，用于

汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN结构模型取IS0/0S1模型的第1、2、7层协

议，即物理层、数据链路层和应用层。通信速率最高可达1Mbps,通信距离最远可达10km。

物理传输介质可支持双绞线，最多可挂接设备110个。介质访问方式为非破坏性位仲裁方式,

适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价。Motorala.Intel.Philips均生产独

立的CAN芯片和带有CAN接口的80c51芯片。CAN型总线产品有AB公司的DeviceNet、台湾

研华的ADAM数据采集产品等。CAN在我国的应用较早，我国华控技术公司基于CAN协议开发

了SDS智能分布式系统。

5）LonWorks（LocalOperatingNetwork,局部操作网络）

由美国Echelon公司1991年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。

LonWorks网络中设备的通信是米用一种称为LonTalk的网络标准语言实现的。LonTalk协议

由各种允许网络上不同设备彼此间智能通信的底层协议组成。LonTalk采用全部7层协议，

介质访问方式为P-PCSMA（预测P-坚持载波监听多路复用），采用网络逻辑地址寻址方式，

优先权机制保证了通信的实时性，安全机制采用证实方式，其最大传输速率为1.5Mbps,传

距离为2700m,传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等，因此能构建大型

网络控制系统。由Echelon公司推出的Neuron神经元芯片实质为网络型微控制器，封装了

LonTalk协议在Neuron芯片中，内含3个8位微处理器，分别负责介质访问控制、网络处理

和应用处理。该芯片强大的网络通信处理功能配以面向对象的网络通信方式，大大降低了开

发人员在构造应用网络通信方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层

进行控制策略的编制，因此业内许多专家认为LonWorks总线是一种很有希望的现场总线。基

于LonWorks的总线产品有美国Action公司的Flexnet&Flexlink等。

3.1.5通信网络的选定

选择一种现场总线，需要从成本、可靠性、通信速率等多个方面考虑。在成本上，Lonworks

与Profibus比较高。在通信速率上，HART较低，不能满足矿井安全监控系统的需求。而FF

实现比较复杂，并且能够兼容矿井常用设备的数量有限。CAN总线兼容Modbus协议，能够很

好的与现存的RS-232、RS-485网络及支持RS-232、RS-485协议的仪器仪表进行通信，所以，

CAN是比较适中的一种现场总线囱。

3.2CAN总线简介

CAN,全称为"ControllerAreaNetwork”,即控制器局域网，是国际上应用最广泛的

现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境的微控制通信，在车载各电子控制装置ECU

之间交换信息，形成汽车电子控制网络。1993年，CAN就已经在汽车工业、航空工业、工业

控制、安全防护等领域得到了广泛的应用。CAN是一种串行通信总线，基本设计规范要求有

高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km

时，CAN仍可提供高达5kbit/s的数据传输速率。它具有以下特性：

1）国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高。

2）传输距离远（无中继最远10km）,传输速率快（最高1Mbps）。

3）单条总线最多可接110个节点，并可方便扩充节点数。

4）总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输。

5）非破坏总线仲裁技术，可多节点同时向总线发送数据，总线利用率高。

6）出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响和总线的通信。

7）报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低。

8）对未成功发送的报文，硬件有自动重发功能，传输可靠性很高。

9）具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制。

10）通信介质可用普通双绞线、同轴电缆或光纤等。

11）CANBUS总线系统结构简单，性价比极高。

3.3射频无线数据传输技术简介

射频识别（RadioFrequencyIdentification,以下简称RFID）1231,技术是从20世纪

90年代兴起的一项自动识别技术。它利用无线射频方式进行非接触通信，以达到短距离无线

数据通信的目的。

典型的射频识别系统主要包括射频识别标签和射频信息解读设备以及对采集到的射频信

息进行综合处理的单片机管理控制部分。

射频识别标签：㈤也称射频卡，由射频收发模块、控制模块、外围藕合元件及天线组成,

每个标签具有唯一的识别码，附着在待识别的物体上标示目标对象。

射频信息解读设备：也称读卡器，用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签发射

回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，从而达到自动识别的目的。阅读器除具

有射频卡的功能外还必须留有接口方便与计算机管理系统进行通信。

工作原理：射频识别技术的原理大致和将收音机的频率调成和电台的发射频率一致来进

行收音一样。首先将解读器的无线电波发射频率与标签的接收频率调成一致；然后解读器向

标签发出电磁波信号读取标签芯片中的数据信息，同时通过标签返回的电磁波将信息带回解

读器（这时是模拟信号），之后解读器对这个电磁波进行解调，校验，将模拟信号转换成数字

信号通过接口传给计算机。

3.4矿井环境监测系统结构及工作原理

3.4.1矿井环境监测系统结构

整个煤矿监测监控系统是由地面中心站、网关节点站、分支中继器、井下监控分站和各

种传感器，以及通信介质六部分组成。其中中心站负责接收、存储和显示从井下监控分站传

来的各种井下生产环境安全监控数据，并通过各个井下分站发送各种配置命令和对现场设备

的控制命令；网关节点站实现现场总线协议和中心站计算机标准接口协议的相互转换：分支

中继器在需要的地方完成通信线路的分支、中继和介质信号的转换；传感器负责收集各种现

场环境安全监控数据和设备运行状态数据；通信介质负责安全监控系统各设备的连接和信息

的传递。整个监控系统分三级结构：中心站一井下分站一传感器。传输介质根据传输距离不

同，可分段采用不同线缆，长距离用光纤不加中继器，或用电缆加中继器，短距离则可只用

电缆不加中继器。如果连接的节点总数大于110个，则也需加中继器，其网络结构如图3T

所不。

章

m移动节点।卜［移动节点I

图3-1矿井环境监测系统总体框图

Fig.3-1mineenvironmentmonitoringsystemofgeneraldiagram

设备层：处于最底层的智能信息处理单元，由监测设备、执行机构等组成。各种底层的

监测设备，通过本安型网络智能分站或中继器，实现各种CAN总线数据和网络标准IP数据的

转换。本设计中，主要检测仪器为内置传感器的红外多气体检测仪、温度检测仪、风速检测

仪、水位检测仪，这些检测仪带有CAN总线接口，可根据CAN2.0协议将检测值封装并发送至

CAN总线，它们可方便的挂接在CAN总线网络中。

其中，红外多气体检测仪又分为两种，一种为便携式红外气体检测仪（移动发射节点），

另一种为固定接收节点。便携式红外气体检测仪（移动发射节点）是基于MEMS红外感应原理

研制的矿下有害气体浓度测量报警装置，具有无线收发功能，可以由矿工随身配带，也可移

动到指定位置安装。井下固定网络节点主要为无线接收节点，也绑定了无线收发模块，它自

身既可以测量周围环境有害气体的浓度，又可以接收移动节点传来的气体浓度及携带者的身

份定位信息，再通过CAN总线与地面监测主机通信。考虑到无线传输及区域切换的范围，固

定节点以相隔一定距离的方式安置于巷道两帮，移动节点与固定节点之间实行点对点通信，

二者共同组成井下“无线收发单元”。风机、水泵、采煤机、皮带机的控制、矿压监测仪器等

同样也可以作为固定节点挂接在CAN总线上。

控制层：主要由CAN总线网络及其网络交换设备组成，负责整个监控系统的调度、各控

制站点间的信息联系和数据处理。是整个矿井环境监测系统的核心和联系上（信息层）下（设

备层）两层的纽带。根据总线设备分布的特点，控制层又分为两级，即主干网和子网，为解

决长距离通信的问题，在总线适当地方设置了网络信号中继器。

信息层：主要由地面控制主站组成，提供与低层设备的交互界面，通过上位机软件、网

络中继和CAN总线，访问和控制井下各个检测仪等监测设备，实现监测数据的收集、存储、

显示、报警、处理、分析、报表打印等。一方面支持实时数据的传输，如瓦斯（甲烷）、一氧

化碳、二氧化碳浓度，温度，风速，积水仓水位等信号的传输，真正实现矿井监测数字网络

化；另一方面，也支持非实时关键数据的传输，例如监测历史数据下载，现场设备控制程序

上载等。

在进行基于CAN总线技术的矿井环境监测系统设计时采用如下措施：通过可靠性设计提

高现场设备的可靠性；采用智能监控站或网桥的分段结构网络以提高整个监测系统的可恢复

性；对现场设备进行在线监视和诊断、维护管理，使得本监测系统有较高的鲁棒性和冗余措

施，可保证突发事件下能安全可靠运行。

整个系统由两个部分组成：井上部分和井下部分，如图3-1所示。

1）井下部分：

井下部分是整个系统的核心，分为两个部分：移动发射节点和固定接收节点，二者共同

组成井下“无线收发单元”。

移动发射节点为绑定了无线收发模块的红外多气体检测仪，可以在工作人员移动过程中

进行实时检测，并将检测值和自身的地址码发送至固定节点。

固定接收节点为绑定了无线收发模块的红外多气体检测仪、温度检测仪、水位检测仪（也

可以为其他仪器，如矿压检测仪表、顶板离层仪等），不同的是固定接收节点自身具有CAN总

线数据接口，它每间隔特定距离固定安置在巷道两帮，固定节点与地面监控主机之间采用CAN

总线通讯方式。

无线接收单元的结构如图3-2所示：

CAN总线

无线收发模块

固定节点A

巷巷

道无线覆盖区域道

移动发射节点

无线收发模块

图3-2井下无线收发单元结构图

Fig.3-2undergroundwirelesstransceiverunitstructure

井下无线收发单元中的移动节点和固定节点相互之间是无线传输。无论是移动还是固定,

每个射频模块都有自己特殊的地址码，与其它模块均不相同。在与固定节点上的射频模块进

行通信时，数据帧里就包含这个特殊的地址码，监控主机的软件平台已经将固定节点的位置

信息进行了登记和存储。当上传的信息包含有与它们进行无线通信的移动节点的地址码信息

时，就表明PEIDAI佩带和安装该移动节点的人员及设备很接近该固定节点，从而判断出移动

人员的位置，这些位置信息均由系统存入数据库。

2）井上部分

井上部分主要是软件操作平台，按照功能划分为2个子系统：实时监控软件和信息管理

软件。

实时监控软件是整个矿井环境监测系统的基础，监管主机的RS-232接口通过RS-232/CAN

接口适配器与井下CAN总线进行数据传输。其功能主要为：完成监控节点的信息采集、实时

处理和存储。从井下上传的信息不但包括瓦斯（甲烷）、一氧化碳、二氧化碳浓度，温度，风

速，积水仓水位等数据，还包括井下工作人员和设备的位置信息，这些庞大的数据量经过压

缩后都被保存在数据库中，是信息联网的基础。管理软件的主要功能是对移动监控点信息的

录入、修改、查询和统计。

在本设计研究过程中，使用Windows自带的“超级终端”程序暂时充当实时监控软件。

3.4.2矿井环境监测系统工作过程

矿井环境监测系统的工作过程可分为上行通信和下行控制两个过程。

上行通信：工作人员使用手持移动节点在行进过程中检测环境参数，检测值由无线收发

模块发送至巷道两帮固定位置安装的固定接收节点。

固定节点始终处于开启状态，固定接收节点接收到来自手持移动节点发送的检测值后将

其存储，并由其内部单片机将数据重新封装后经CAN总线发送至监控主机。在未与手持移动

节点建立链接时，固定节点可自我检测周围环境参数，实时将检测值发送至监控主机。监控

主机将数据存入数据库，并将一步判断是否处于安全范围内，若超过规定阈值则井上工作平

台及井下固定节点同时报警。

下行控制：监控主机通过CAN总线将相关控制信息发给固定节点，实现对风机、水泵、

采煤机、皮带机、矿压监测仪器、气体监测仪器等的查询和开关。或者固定节点将查询指令

无线传输给手持移动节点，实现人员定位、查询等下行控制。

4矿井环境监测系统硬件设计

4.1CAN总线结构硬件电路设计

4.1.1CAN总线电气防爆技术的实现

通过上两章的介绍，可以看出CAN具有无主或多主方式工作、实时性强、传输介质无特

殊要求、节点数多、传输距离远、传输速率高的优点，但由于CAN本身是一种非防爆性质的

现场总线，并且不可能使用同一根电缆连接所有节点，因此，还必须从电气防爆、网络结构

及远距离通信等方面加以解决。CAN总线的传输介质有许多，如光纤、同轴电缆、普通双绞

线等。而能用于井下传输的介质比较少，可用的有光纤、同轴电缆等。本设计考虑到节约成

本，兼顾安全，采用普通矿用电话4芯电缆，其中2芯电缆用于向节点设备供电，另外2芯

电缆用于信号传输。

通过分析，有两种技术方案可以解决CAN总线电气防爆问题，一种为统一供电法，另一

种为隔离供电法阖雨。

1）统一供电法

统一供电法就是节点设备的工作电源全部由总线统一提供，如图4T所示。此方法的优

点是节点设备电路简单，缺点是总线上所接节点数量较少。因为煤矿通常使用的ibl本质安

全型电源的输出功率受到防爆要求的限制，供电电缆的分布参数和节点设备中的储能元件（电

感和电容）进一步限制了电源的输出功率，由于节点工作电源和传输电源使用同一本安电源

供电，而节点的工作电流往往比传输电流开销更大，导致了总线上节点数量减少。

本

路

安传输电

电

源

路

其它电

备

节点设

电法

统一供

图4T

law

ower

fiedp

1uni

Fig.4-

一般不

传感器

而矿用

情况，

互连的

传感器

将智能

总线

用CAN

备级

在设

合于

法适

供电

统一

。

地供电

站远

由分

电，需

地供

能就

电法

隔离供

2）

电

，通过

电源

传输