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        基于LoRa 技術(shù)的刮板輸送機(jī)無線控制裝置

        2021-10-21 08:41:32李如川
        煤礦安全 2021年10期
        關(guān)鍵詞:華寧刮板輸送機(jī)

        李如川

        (北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司,北京 100013)

        刮板輸送機(jī)是煤礦綜采工作面主要運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。當(dāng)使用刮板輸送機(jī)運(yùn)輸大件設(shè)備時(shí),通常由隨行人員觀測(cè)運(yùn)行狀態(tài)并通過工作面擴(kuò)音電話告知機(jī)頭司機(jī)停機(jī)或開機(jī),若發(fā)生機(jī)電事故或人員安全受到威脅,使用現(xiàn)有的有線控制裝置處置會(huì)有一定的延時(shí)。針對(duì)以上問題,設(shè)計(jì)了一種基于LoRa 技術(shù)的刮板輸送機(jī)無線控制裝置,物料運(yùn)輸隨行人員在整個(gè)綜采工作面內(nèi)可以零延時(shí)直接控制刮板輸送機(jī)啟?;蛘窜?,從而提高刮板輸送機(jī)運(yùn)輸物料的安全性。

        1 煤礦無線通信技術(shù)

        刮板輸送機(jī)的工況比較惡劣、電磁干擾嚴(yán)重,選擇合理的無線通信方式對(duì)刮板輸送機(jī)無線控制裝置穩(wěn)定性十分必要。當(dāng)前,煤礦井下無線通信技術(shù)主要采用泄露通信、WiFi、蜂窩移動(dòng)通信(3G、4G)、Zig-Bee 和紅外通信等[3-5],部分煤礦已經(jīng)探索應(yīng)用5G 技術(shù)并取得了顯著成果[6]。這些通信技術(shù)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)揮著重要作用,具有帶寬高、延時(shí)低等優(yōu)點(diǎn),但也存在覆蓋范圍小、功耗高、繞射損耗大等不足。

        LoRa(Long Range Radio)是近幾年發(fā)展起來了無線通信技術(shù)[7-8],是一種擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù),主要運(yùn)行在免許可的ISM(Industrial Scientific Medical Band)開放頻段,包括433、868、915 MHz 等,具有功耗低、通信距離遠(yuǎn)、速率低、成本低等特點(diǎn),符合本無線控制裝置的使用要求。

        2 整體設(shè)計(jì)方案

        刮板輸送機(jī)無線控制裝置由無線手持終端和無線固定終端2 部分組成,系統(tǒng)示意圖如圖1。

        圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System diagram

        無線手持終端由現(xiàn)場(chǎng)操作人員控制,通過按鍵發(fā)送指令至微處理器,微處理器再將信息發(fā)送到LoRa 模塊。無線固定終端安裝在綜采工作面中部的液壓支架上,通過LoRa 模塊接收控制指令,并將指令通過微處理器發(fā)送給天津華寧KTC101 控制系統(tǒng)的本安型輸入輸出模塊KJS101-4,實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的控制。

        3 系統(tǒng)硬件

        3.1 無線手持終端硬件

        無線手持終端由鋰電池、防爆按鍵、微處理器、LoRa 射頻模塊等部分組成。無線手持終端電路圖如圖2。

        圖2 無線手持終端電路圖Fig.2 Circuit diagram of wireless handheld terminal

        微控制器采用意法半導(dǎo)體公司TSSOP-20 封裝的32 位芯片STM32F030F4P6[9],高性能ARM 32-bit Cortex-M0 內(nèi)核, 最高頻率為48MHz,擁有標(biāo)準(zhǔn)的HSI、I2C、PWM、ADC、USART、SPI 等外設(shè),每個(gè)外設(shè)也可以單獨(dú)配置頻率,每個(gè)引腳可以單獨(dú)配置頻率和映射功能。射頻模塊選用的是SEMTECH 公司SX1278 射頻芯片,通過UART 口與微處理器通信。

        S1、S2、S3 3 個(gè)獨(dú)立按鍵輸入控制刮板輸送機(jī)指令,預(yù)留7 個(gè)GPIO 口可進(jìn)行擴(kuò)展,可以增加對(duì)轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、泵站等設(shè)備的控制功能。LED 燈用來指示發(fā)射狀態(tài),電池采用單節(jié)礦用鋰電池PL145667,電壓3.7 V,容量4 000 mAh。

        3.2 無線固定終端硬件

        無線固定終端由電源模塊、微處理器、LoRa 射頻模塊等部分組成。射頻模塊接收控制指令后經(jīng)微處理器傳送到天津華寧KJS101-4 下位機(jī),實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的控制。微處理器與KJS101-4 的連接電路如圖3。

        圖3 微處理器與KSJ101 連接電路圖Fig.3 Circuit connection between MCU and KSJ101

        由于華寧控制系統(tǒng)的供電電壓為18 V 而微處理器的供電電壓為3.3 V,因此在微處理器和KJS101-4 之間增加了起到隔離保護(hù)作用的光耦合器TLP627-4GB。供電電源取自華寧控制系統(tǒng)的18 V,選用LM2596 單片集成穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換成3.3 V,對(duì)微處理器和SX1278 射頻模塊供電。

        3.3 射頻模塊參數(shù)設(shè)置

        裝置手持終端和固定終端LoRa 模塊的參數(shù)設(shè)置相同:芯片空中速率為2.4 kbps,透明傳輸方式,與MCU 的通信接口為UART 、通訊速率9.6 kbps,奇偶校驗(yàn)選用8N1。射頻芯片共有4 種工作模式,由引腳M0、M1 控制,工作模式見表1。

        表1 工作模式Table 1 Working mode

        3.4 無線手持終端低功耗設(shè)計(jì)

        由于無線手持終端采用電池供電,為延長(zhǎng)手持端續(xù)航時(shí)間,對(duì)微處理器和LoRa 射頻模塊進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)。

        無線手持終端等待數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),微處理器工作模式配置為Stop 模式,在此模式下,1.8 V 供電區(qū)域時(shí)鐘被停止,HIS、PLL、均關(guān)閉,同時(shí)電壓檢測(cè)器也可進(jìn)入低功耗模式但寄存器和SRAM 不斷電,GPIO口保持進(jìn)入前的狀態(tài),引腳映射功能全都設(shè)置為模擬量輸入GPIO_Analog,只有在按鍵輸入中斷時(shí)喚醒,數(shù)據(jù)發(fā)送完畢再次進(jìn)入Stop 模式。此模式下微處理器只能被EXTI 線中斷和RTC 報(bào)警器中斷喚醒。LoRa 射頻模塊工作時(shí)配置為一般模式空閑時(shí)配置為休眠模式。

        4 系統(tǒng)軟件

        4.1 無線手持終端軟件

        無線手持終端軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4。

        圖4 手持終端軟件設(shè)計(jì)流程Fig.4 Software design process of handheld terminal

        手持終端上電后,微處理器首先對(duì)各外設(shè)進(jìn)行初始化,設(shè)置NVIC 中斷控制器,LoRa 射頻模塊初始化,微處理器和射頻模塊進(jìn)入Stop 模式和休眠模式。當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下時(shí),喚醒微處理器和射頻模塊,微處理器根據(jù)不同中斷線號(hào)通過射頻模塊發(fā)送相應(yīng)控制指令,之后等待固定端的應(yīng)答。如果在設(shè)定次數(shù)或設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到固定端的回應(yīng),閃爍指示燈提示操作人員。

        4.2 無線固定終端軟件

        固定端軟件設(shè)計(jì)流程如圖5。

        圖5 固定端軟件設(shè)計(jì)流程Fig.5 Software design process of fixed terminal

        由于無線固定端采用電源模塊供電,考慮到其接收數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,所以固定終端未進(jìn)行低功耗和空中喚醒設(shè)計(jì)。上電后微處理器首先完成各外設(shè)、中斷控制器、射頻模塊的初始化后,循環(huán)等待接收無線數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后,與內(nèi)部控制字符匹配,成功后,給無線手持端發(fā)送應(yīng)答信號(hào)并將控制指令輸出到華寧KJS101-4,實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)的控制。

        5 測(cè)試分析

        無線手持終端的功耗通過測(cè)量實(shí)際通過電流獲得。用萬用表測(cè)量手持終端的靜態(tài)電流,示波器電流探頭測(cè)量動(dòng)態(tài)電流。假設(shè)固定端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為1 s,發(fā)送周期為5 min,測(cè)得發(fā)送電流124 mA,待機(jī)電流為30 μA,折算到1 h,無線手持終端平均功耗約為0.443 mAh[10]。

        采用的鋰電池容量為4 000 mAh,考慮到電池的效率和自放電參數(shù),電池容量按標(biāo)稱容量的80%計(jì)算,得到手持端的理論可續(xù)航天數(shù):338 d。

        天氣良好的情況下,在賽蒙特爾煤礦地面工業(yè)廣場(chǎng)測(cè)試了兩終端的通信距離和丟包率。測(cè)試使用外置吸盤天線,增益為5 dbi,垂直極化,天線高2.5 m。每包數(shù)據(jù)間隔2 s,發(fā)100 包數(shù)據(jù),每包數(shù)據(jù)30字節(jié),丟包率統(tǒng)計(jì)見表2。

        表2 丟包率統(tǒng)計(jì)Table 2 Analysis of packet loss rate

        測(cè)試結(jié)果顯示,按照丟包率小于5%為有效通信距離[11],裝置在500 m 內(nèi)有效。大型煤礦井下綜采工作面寬度大都在300 m 內(nèi),可以認(rèn)定本裝置符合煤礦井下應(yīng)用要求。

        6 結(jié) 語

        介紹了基于LoRa 技術(shù)的刮板輸送機(jī)無線控制裝置的整體設(shè)計(jì)方案,完成了無線手持終端和無線固定終端的軟硬件設(shè)計(jì),進(jìn)行了功能性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,該裝置功耗低、有數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn),解決了刮板輸送機(jī)運(yùn)輸物料的控制問題,同時(shí)可以進(jìn)行功能擴(kuò)展,對(duì)煤礦安全生產(chǎn)和智慧礦山建設(shè)有推動(dòng)作用。

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