董 敏，赵宗涛
（西安思源学院 陕西 西安 710038）
随着煤矿行业井下环网平台的普及和通信技术的快速发展，国家安监局对煤矿安全监控系统的数据采集实时性和准确性有了更高的要求。《AQ6201-2019煤矿安全监控系统通用技术要求》[1]中明确规定安全监控系统最大巡检周期应不大于20 s，比《AQ6201-2006煤矿安全监控系统通用技术要求》的规定快了10 s。地面远程控制时间应不大于两倍的巡检周期。保证煤矿安全监控系统数据采集的准确性和实时性，除了对监测分站、通信接口和传感器等硬件产品设计需加强抗干扰能力，还需要在网络传输层和软件应用层进行合理设计，软硬件共同协作，以满足数据采集的可靠性和实时性。
在设计煤矿安全监控系统的实时数据采集时，主要对应用层的通信方式和网络传输层进行了改进，工作方式设为无主方式，网络传输层为UDP方式，使实时数据采集的巡检周期不断降低。在256个监测点的容量下，一个巡检周期小于10 s。本设计对其他监测监控通信设计有很大的借鉴意义。
利用计算机技术、传感技术、网络技术、数据库技术等对煤矿甲烷浓度、一氧化碳浓度、风速、风压、温度、烟雾、馈电状态、风门状态、局部通风机开停状态、主要通风机开停状态等环境及工况参数进行连续监测，将采集到的监测数据实时传送到地面中心，并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁功能，系统主要由地面监控中心和井下传输接口、分站、传感器、断电控制器、声光报警器、电源箱、避雷器等设备组成[2]。煤矿安全监控系统架构如图1所示。
2.1 通信架构设计
目前煤矿安全监控系统的通信主要为主从轮询方式居多，即中心站逐次对井下监测分站进行呼叫读取数据。最大巡检时间测试时，传感器处于其传输最大距离和最低波特率的条件之下，监控中心对一台分站进行数据读取所需的最长时间T和监控中心接收完毕上一包分站数据到开始读取分站数据的间隔时间△T，N为监测容量，根据公式(△T+T)×N计算出巡检周期估计值，根据实验值，最小巡检周期＞25 s。
本设计的网络架构基于煤矿的工业以太环网架构，地面监控中心和井下n个监测分站，采用无主通信方式。井下各个监测点按50 Hz采样频率采集数据，转换成数字信号并按应用层定义的协议打包，通过UDP套接字实时主动发送到监控中心[3]。通信架构如图2所示。
2.2 建立监测数据UDP通信模型
UDP通信核心建立在煤矿安全监控系统通信的传输层。每个数据报中包含了完整的地址信息，提供面向事务的信息传送服务。传输数据之前，监测主机和分站不需要建立连接，传输速度快，线路上的传输速度10 M/100 M字节自适应。为增强数据传输服务性能，将网络层与传输层两者通过数据流形式融合，传输层通过分段，以流量控制和差错控制来控制通信的可靠性，每个段都包含1个源端口号、目的端口号和序列号，这些号码有助于引导每个段指向正确的应用程序，序列号有助于按照正确的顺序重新组合段，以便监测中心收到正确的消息。煤矿安全监控系统UDP数据采集流程如图3所示。
2.3 数据流控制的设计方案
流控制主要是为了确保监控中心接收方不会被快速的发送数据方淹没。系统设计两种流控制方法：一种是基于发送频率的流控制，系统设置内置机制，根据监测容量灵活调整发送方传输数据的频率，默认监测分站每3秒钟发送一包数据，同时在监测分站和监控中心软件分别设置数据缓存池来平衡收发双方的速度，这样无需利用接收方的反馈消息。另一种在流量控制中，控制传输的数据量，每包数据控制在300个字节以内，在以太环网平台10 M/100 M 自适应的速率下，保证数据可靠传输。
2.4 应用层数据协议设计
应用层数据协议基于Modbus UDP协议进行改进，在Modbus RTU协议上加入可靠的MBAP报文协议头，加CRC校验码，并在软件设计中加入智能重发机制、大数据包智能分包重组机制，加强数据的可靠性。协议如表1所示。
表1 煤矿安全监控系统通信数据协议
监测分站主要由带有EMC防护的数据采集电路、控制输出电路、单片机系统、显示电路、复位电路、通讯串口服务器电路以及带有EMC防护的电源电路组成。监测分站原理框图如图4所示。
4.1 监控中心软件通信程序设计
软件采用基于.Net Framework 框架的c#开发，.Net Framework对Socket进行了封装，提供System.Net.Sockets命名框架，其中包含UdpClient类，提供用于异步模式下发送和接收无连接 UDP 数据报的方法，使用JoinMulticastGroup 方法接收和发送多播数据报[4-5]。在C# 中，System.Threading.Thread类用于线程的工作，此处给出UDP通信代码：
4.2 监测分站通信程序设计
监测分站采用STM32F407芯片，采用C语言编程，编程代码如下：
本实验按【安标字[2017]36号】文件煤矿安全监控系统升级改造方案检验方法进行检验，具体的方法如下。
5.1 搭建煤矿安全监控系统的系统架构
（1）中心站设备：安装系统软件的主机2台，核心交换机1台。
（2）井下设备：三台环网交换机，与地面核心交换机组成环网。3台接满16台传感器的监测分站，外加13台定义16台传感器可不实际接传感器的模拟监测分站。
5.2 最大巡检周期测试方法
巡检周期测试时，传感器应处于其传输最大距离和最低波特率的条件之下。
（1）将全部分站（包括模拟分站）投入使用，所有分站均采用程序模拟报警，同时产生所有测点报警并开始计时，直到主机显示全部报警相关信息停止计时，所测时间为T。测试5遍，取最大值T1，该时间为巡检所有分站的时间。
（2）将1台满载传感器的监测分站投入使用，测试1台分站上传的巡检时间T2。测试5遍，取最大值。最大巡检周期计算使用如下公式：
5.3 误码率的测试方法
通过专用误码率测试软件进行测试，测试流程为，软件与按（1）中的架构采集数据，错一个字节记一次误码，连续采集50亿位数据。
最大巡检周期实验数据如表2所示。
表2 实验数据 单位：s
通过设计实验方法和数据可看出，提高煤矿安全监控系统的数据采集的可靠性和实时性是个综合的因素，与软件平台的设计、硬件产品、网络架构的设计方法都有联系。通过实验的运行和数据分析，发现不能一味加快通信速率，还需要考虑数据的可靠性。本文的设计方法对其他监控系统具有积极的参考意义。
本文基于UDP的数据传输和C#多线程开发，实现了煤矿安全监控系统实时数据采集的网络架构设计和程序的软件设计，对UDP无流程控制及保证数据的可靠性提供了解决方案，并对系统进行了实验结果分析。
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