煤礦開采作業(yè)中瓦斯爆炸等安全隱患嚴重，針對這一問題，設(shè)計了基于STM32的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)實時監(jiān)測瓦斯?jié)舛?、溫度、火情、粉塵等環(huán)境參數(shù)，自動控制除塵、滅火、通風等設(shè)備，保障礦井安全。通過WiFi傳輸數(shù)據(jù)至機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，支持手機APP遠程監(jiān)控與操作，提升應(yīng)急響應(yīng)和管理效率。

PART 01
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)實現(xiàn)了對礦井內(nèi)甲烷氣體體積分數(shù)、粉塵濃度、火焰信號及溫濕度等關(guān)鍵參數(shù)的實時采集與分析；并通過預(yù)設(shè)的自動控制策略觸發(fā)聯(lián)動設(shè)備，實現(xiàn)安全隱患的快速響應(yīng)與主動防控。同時，支持數(shù)據(jù)遠程傳輸至云端平臺，并通過機智云APP提供實時監(jiān)控、報警及遠程操控功能，為礦井安全管理提供高效、可靠的技術(shù)支撐。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PART 02
系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

礦井作業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，依次執(zhí)行以下流程：首先，完成STM32主控芯片的時鐘樹配置、中斷控制器初始化及GPIO端口功能定義；隨后，分別對OLED顯示模塊、MQ-2/MQ-4氣體傳感器陣列、DHT11溫濕度傳感器、ESP8266 WiFi通信模塊及繼電器控制單元進行外設(shè)驅(qū)動加載。進入主循環(huán)后，優(yōu)先檢測物理按鍵輸入狀態(tài)：若檢測到閾值設(shè)置觸發(fā)信號，OLED將分屏顯示氣體/溫度雙閾值參數(shù)，用戶可通過組合按鍵實現(xiàn)閾值調(diào)節(jié)與E2PROM存儲；若無設(shè)置請求，則直接執(zhí)行環(huán)境參數(shù)采集任務(wù)。

圖1 礦業(yè)作業(yè)環(huán)境檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用優(yōu)先級檢測機制，首先通過ADC通道獲取可燃氣體體積分數(shù)：當檢測值超過閾值時，立即激活由蜂鳴器與LED組成的多級聲光報警系統(tǒng)，通過MQTT協(xié)議向云端推送報警代碼，同時驅(qū)動繼電器執(zhí)行燃氣閥門閉鎖、通風設(shè)備啟停等安全聯(lián)動控制；若氣體體積分數(shù)處于安全范圍，則通過單總線協(xié)議獲取DHT11溫度數(shù)據(jù)，當溫度異常時觸發(fā)散熱系統(tǒng)并發(fā)送分級預(yù)警信號。

所有環(huán)境參數(shù)均以1 Hz頻率刷新至OLED交互界面，并通過JSON格式封裝后上傳至機智云AIoT平臺。系統(tǒng)內(nèi)置指令緩沖隊列，可實時響應(yīng)遠程控制指令（如設(shè)備強制啟停），執(zhí)行完畢后重新進入監(jiān)測循環(huán)，形成“環(huán)境感知-數(shù)據(jù)分析-風險處置-信息同步”的完整閉環(huán)，實現(xiàn)礦井作業(yè)環(huán)境的智能化監(jiān)測與主動式安全防護。系統(tǒng)總體流程如圖2所示。

圖2 礦井作業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體流程

2.2 溫度監(jiān)測設(shè)計

本文選用DHT11溫濕度傳感器模塊，采用三引腳封裝（VCC/DATA/GND),DATA引腳通過上拉電阻連接至主控GPIO，在單總線協(xié)議下數(shù)據(jù)線與主控嚴格共地。傳感器供電范圍為3.3～5.5 V，上電后需經(jīng)過預(yù)熱期以穩(wěn)定內(nèi)部晶振，通信時序要求系統(tǒng)具備毫秒級中斷響應(yīng)能力。為防止信號干擾，PCB布局時數(shù)據(jù)線長度需小于20 cm，并通過施密特觸發(fā)器進行波形整形。

溫度監(jiān)測流程始于傳感器驅(qū)動初始化。主控單元通過單總線協(xié)議向DHT11發(fā)送啟動脈沖，完成時序同步與預(yù)熱準備。持續(xù)監(jiān)測傳感器響應(yīng)狀態(tài)，若未收到低電平應(yīng)答信號，則重新發(fā)送同步脈沖直至建立有效通信。

成功獲取原始數(shù)據(jù)后，采用奇偶校驗機制驗證數(shù)據(jù)完整性：若校驗失敗，則自動重發(fā)啟動信號，直至獲取有效數(shù)據(jù)包；若校驗通過，則解析數(shù)據(jù)幀，提取高8位溫度整數(shù)部分和低8位小數(shù)部分，經(jīng)單位換算后輸出標準溫度值。溫度監(jiān)測的流程如圖3所示。

圖3 溫度監(jiān)測流程

2.3 甲烷體積分數(shù)監(jiān)測設(shè)計

MQ-4甲烷傳感器的模擬輸出端接入主控的ADC通道，采用TL431基準源為其提供2.5 V的參考電壓。在硬件設(shè)計方面，設(shè)置了兩級RC濾波電路，用于抑制高頻噪聲；傳感器的加熱器由MOS管驅(qū)動，并采用獨立的5 V電源供電。ADC的采樣率設(shè)置為1 MS/s，同時通過電壓跟隨器實現(xiàn)阻抗匹配。此外，傳感器配備可調(diào)的負載電阻，以優(yōu)化其靈敏度。

烷監(jiān)測流程啟動時，主控單元首先配置ADC采樣精度與通道參數(shù)，通過定時器觸發(fā)模式啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換。獲取原始ADC值后，采用加權(quán)滑動平均濾波算法抑制信號噪聲，并結(jié)合溫度補償系數(shù)對原始數(shù)據(jù)進行校正。基于傳感器標定曲線進行線性插值計算，將濾波后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為體積分數(shù)值。當體積分數(shù)值超過三級報警閾值時，更新狀態(tài)寄存器報警標志位，觸發(fā)相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)等級；若處于安全范圍則復位報警狀態(tài)，最終通過DMA通道將處理結(jié)果傳輸至顯示模塊。甲烷監(jiān)測流程如圖4所示。

圖4監(jiān)測流程圖

2.4 舵機執(zhí)行器模塊

SG90舵機的控制線連接至高級定時器的TIM1＿CH1,PWM波形需滿足規(guī)定的周期及高電平脈寬要求。在硬件設(shè)計上，設(shè)置了光耦隔離電路，以防止反向電動勢干擾；舵機電源采用LM2596降壓模塊，該模塊能夠獨立提供6 V/2 A的驅(qū)動能力。將死區(qū)時間配置為500 ns，以避免H橋直通同時，通過GPIO接口獲取機械限位開關(guān)的反饋信號，以此監(jiān)測舵機的位置狀態(tài)。

在舵機控制流程初始化階段，需對高級定時器的PWM輸出模式進行配置，設(shè)定基準頻率為50 Hz并校準死區(qū)時間。角度控制采用脈寬映射方式，通過調(diào)整PWM的占空比，實現(xiàn)0～180°范圍內(nèi)的精確轉(zhuǎn)角。執(zhí)行機構(gòu)動作包含兩個穩(wěn)態(tài)首先驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動至安全位置（90°）并維持500 ms，以確保機械到位；隨后復位至待機位置（0°），至此完成設(shè)備狀態(tài)切換的完整控制周期。舵機執(zhí)行器流程如圖5所示。

2.5 OLED顯示模塊

0.96 英寸的SSD1306 OLED顯示屏通過SPI接口連接主控，其引腳構(gòu)成四線制通信鏈路。顯存映射采用頁地址模式，通過電位器調(diào)節(jié)VCOMH電壓，進而改變硬件對比度。背光電路由PWM控制亮度等級，在設(shè)置數(shù)據(jù)刷新速率時需注意匹配DMA突發(fā)傳輸模式。

圖5 舵機執(zhí)行器流程

OLED顯示流程采用雙緩沖機制：初始化階段加載通信協(xié)議，配置像素顯存結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)刷新時，首先清除當前幀緩沖區(qū)，根據(jù)數(shù)據(jù)特性選擇ASCII字符集或自定義字庫；采用行列掃描算法將浮點型傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為定點顯示格式，通過DMA傳輸實現(xiàn)屏幕區(qū)域的無閃爍局部更新，最終在垂直消隱期間執(zhí)行顯存整體刷寫，以確保顯示內(nèi)容的實時性與連續(xù)性。OLED顯示流程如圖6所示。

圖6 OLED顯示流程

2.6 ESP8266 WiFi模塊設(shè)計

ESP8266 WiFi模塊通過UART2與主控通信，CH＿PD使能引腳通過10 kΩ上拉電阻連接至3.3 V電源。在硬件設(shè)計方面，通過AP2112K-3.3 V LDO穩(wěn)壓器持續(xù)提供800 mA電流；同時，為RF部分預(yù)留π型匹配網(wǎng)絡(luò)。天線區(qū)域遵守1.6 mm凈空規(guī)則，GPIO0/GPIO2通過跳線帽設(shè)置啟動模式，RST引腳連接主控的PB0引腳，以實現(xiàn)看門狗聯(lián)動復位功能。

ESP8266 WiFi模塊初始化后，首先嘗試建立網(wǎng)絡(luò)連接，若連接失敗，則觸發(fā)提示并進入循環(huán)遞減重試計數(shù)，直至剩余次數(shù)歸零或連接成功；若連接正常，則與目標模塊建立通信鏈路。校驗連接狀態(tài)失敗時同樣進入重試流程，成功時則進入數(shù)據(jù)傳輸階段。通過發(fā)送請求指令并接收遠程響應(yīng)數(shù)據(jù)，完成雙向通信交互，結(jié)束本次通信周期。數(shù)據(jù)通信流程如圖7所示。

圖7 ESP8266 WIFI模塊數(shù)據(jù)通信流程

PART 03

數(shù)據(jù)云傳輸設(shè)計

3.1 機智云手機APP調(diào)試介紹

機智云是專注于物聯(lián)網(wǎng)與云服務(wù)的開發(fā)平臺，通過提供一站式智能硬件開發(fā)及全生命周期服務(wù)，以自助工具、開放SDK/API簡化開發(fā)流程，降低技術(shù)門檻與成本，助力開發(fā)者快速實現(xiàn)產(chǎn)品智能化升級并連接終端用戶。本設(shè)計則通過WiFi模塊采集甲烷體積分數(shù)、火情、粉塵濃度、溫度等數(shù)據(jù)并上傳至機智云平臺，其設(shè)備接入流程如圖8所示。

圖8 機智云設(shè)備接入流程

3.2 開發(fā)流程及步驟

機智云開發(fā)流程主要分為產(chǎn)品創(chuàng)建與功能配置、硬件集成與移動端部署兩大階段。首先，需注冊機智云賬號并創(chuàng)建產(chǎn)品，選擇自定義方案并配置通信參數(shù)。通過標準化引用或自定義創(chuàng)建兩種方式定義數(shù)據(jù)點，最終生成包含環(huán)境監(jiān)測開關(guān)、預(yù)警調(diào)節(jié)、安全狀態(tài)顯示等功能的APP交互界面。完成邏輯配置后，生成MCU SDK工程，通過下載中心補充傳感器驅(qū)動文件，在軟件開發(fā)環(huán)境中集成溫濕度傳感器、甲烷傳感器等硬件的驅(qū)動代碼，最終通過串口工具燒錄至開發(fā)板。

移動端通過機智云APP實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)：在ESP8266模塊配網(wǎng)模式下，采用熱點配網(wǎng)連接熱點，成功后可操作APP內(nèi)的環(huán)境控制系統(tǒng)，實時查看溫度、瓦斯含量等安全數(shù)據(jù)，完整實現(xiàn)礦井監(jiān)測系統(tǒng)的無線控制與預(yù)警功能。最終形成的礦井作業(yè)環(huán)境監(jiān)測APP界面示意圖如圖9所示。

圖9 APP界面示意圖

PART 04

結(jié)語

基于STM32的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，創(chuàng)新性地提升了礦井安全監(jiān)測技術(shù)。通過實時監(jiān)測甲烷濃度、溫度、火情和粉塵等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠有效預(yù)防安全事故，并自動調(diào)節(jié)相關(guān)設(shè)備，確保礦井安全。同時，WiFi無線傳輸技術(shù)和云平臺的應(yīng)用，使得監(jiān)測者可通過APP遠程操作，顯著提高應(yīng)急響應(yīng)速度與管理效率。