基于無線通信的煤與瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀的研制

王彥斌

（中煤科工集團煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013）

鉆屑瓦斯解吸指標K1綜合反映煤層瓦斯含量及卸壓初期瓦斯解吸速度的大小，用特定儀器測定鉆屑試樣在卸壓初期一段時間（5 min）瓦斯解吸的斜率表示[1]。K1值的大小與煤的破壞程度、煤層瓦斯壓力及瓦斯解吸速度等有關(guān)。研究人員通過實驗室的實驗數(shù)據(jù)分析和大量的現(xiàn)場實踐驗證[2-10]，都表明K1值與突出危險性密切關(guān)聯(lián)，可用于突出危險性預(yù)測[11]。鉆屑瓦斯解吸指標K1值因測定方法簡單，操作方便而得到廣泛應(yīng)用。

依照《防治煤與瓦斯突出細則》，當采用鉆屑指標法預(yù)測時，預(yù)測鉆孔的布置方式為：在近水平、緩傾斜煤層工作面應(yīng)當向前方煤體至少施工3 個預(yù)測鉆孔，在傾斜或者急傾斜煤層至少施工2 個預(yù)測鉆孔，鉆孔直徑42 mm、孔深8～10 m。采用鉆屑指標法預(yù)測煤巷掘進工作面突出危險性時，預(yù)測鉆孔從第2 m 深度開始，每鉆進1 m 測定該1 m 段的全部鉆屑量S，每鉆進2 m 至少測定1 次鉆屑瓦斯解吸指標K1（或者△h2值）。

現(xiàn)有煤礦使用的鉆屑瓦斯解吸指標K1值測定儀（以下簡稱測定儀），1 次只能測量1 個煤樣，由于打鉆速度要求控制在1 m/min，而采集及測量1 個煤樣需要5～7 min，這樣就會造成打鉆及接粉人員不斷處于等待狀態(tài)，瓦斯突出預(yù)測時間加長，占用較多的生產(chǎn)時間[12]，影響預(yù)測效率。攜帶1 臺集數(shù)據(jù)采集及K1值計算于一體的測定儀用于突出危險性預(yù)測在煤礦應(yīng)用較為普遍。有的煤礦為了加快測量，則攜帶多臺測定儀交替操作，但由于測定儀需要通過按鍵操作來回切換顯示界面及進行編輯輸入，容易導(dǎo)致因編輯出錯或界面切換不及時而造成測量誤差。

目前升級換代后的測定儀主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集，而編輯操作及K1值計算功能則由本安手機完成，1臺本安手機與1 臺采集儀配合使用，雖然本安手機操作方便，但測量效率問題并沒有得到解決。為了加快測量且利用本安手機操作簡便的特點，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于無線通信的煤與瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀（以下簡稱采集儀）；采集儀可實時測量鉆屑瓦斯壓力值，既可與本安手機通過低功耗藍牙（BLE）實現(xiàn)無線通信，又能與其他采集儀之間通過RF433 實現(xiàn)無線通信，BLE 和RF433 無線的綜合應(yīng)用，使1對多設(shè)計理念得以實現(xiàn)，解決了打鉆與測量的銜接問題，大幅提高了預(yù)測效率。

1 采集儀總體設(shè)計

系統(tǒng)功能設(shè)計如圖1。采集儀設(shè)計為1 對多無線通信方案，即1 臺本安手機與多臺采集儀配合使用。本安手機與采集儀1 之間采用BLE 連接，采集儀1 與其他采集儀之間采用RF433 連接。通過本安手機選擇編號為1 的采集儀及要連接的采集儀數(shù)量n（n≤6）；采用智能地址分配技術(shù)通過采集儀1 對其他采集儀從2 到n 進行自動順序編號。

圖1 系統(tǒng)功能設(shè)計Fig.1 Design of system function

具體方案為：打開本安手機采集儀專用APP，通過BLE 與采集儀1 建立連接，通過RF433 建立采集儀1 與其他采集儀2 到n 之間的連接。APP 通過接收與接粉對應(yīng)的采集儀1 到n 的采樣時間間隔相匹配的壓力值，計算出對應(yīng)的鉆屑瓦斯解吸指標K1值。本安手機采集儀專用APP 采用了專業(yè)化和人性化設(shè)計，功能邏輯清晰，方便用戶輸入及編輯。防突工根據(jù)現(xiàn)場的實際應(yīng)用情況及對APP 和采集儀操作的熟練程度，可以選擇性攜帶1～6 臺采集儀進行交替預(yù)測，極大提高了防突工的預(yù)測效率。

2 采集儀硬件

采集儀硬件總體框圖如圖2。

圖2 采集儀硬件總體框圖Fig.2 Total block diagram of acquisition instrument hardware

采集儀硬件主要由主控電路板和OLED 顯示板組成。主控板包含STM32 單片機、電壓轉(zhuǎn)換模塊、按鍵、存儲、BLE 模塊、RF433 無線模塊、氣體壓力傳感器、溫度測量模塊及蜂鳴器等。采集儀有壓力、溫度、電池電量實時采集顯示，與本安手機及其他采集儀間進行無線數(shù)據(jù)交互等功能。

2.1 主控電路

主控電路是采集儀的核心，單片機選用高性能的ARM○RCortexTM-M332位的RISC內(nèi)核STM32F103RCT6。工作頻率為72 MHz，3 個SPI 接口（1 個專門用于與OLED 通信，1 個用于壓力傳感器及存儲芯片的讀寫，1 個用于與溫度測量模塊進行交互），5 個USART 接口（BLE 與RF433 無線通信各自占用1 個），3 個12 位的ADC（用其中1 個進行電池電量采集），51 個多功能雙向I/O 口，每個I/O 口都可由C 語言代碼控制輸出（推拉或開路）、輸入（帶或不帶上拉或下拉），多數(shù)I/O 管腳都與數(shù)字或模擬的外設(shè)共用，且都有大電流通過能力[13]。

采集儀采用本質(zhì)安全型設(shè)計，電源采用可充電錳酸鋰電池。為保證正常測定，要求在測定過程中儀器的電量充足，如果在欠壓情況下繼續(xù)用于測定，則測出的K1值將會產(chǎn)生很大誤差[11]。電池容量按至少連續(xù)工作不低于10 h 的最大功耗考慮，并井上及時充電。OLED 屏為關(guān)鍵耗能器件，可通過軟件設(shè)置在一定時長內(nèi)沒有按鍵操作或通信命令的情況下，OLED 屏進入熄屏狀態(tài)，在熄屏后一定時長內(nèi)仍沒有任何操作，采集儀自行關(guān)機。通過此種軟件設(shè)置既可以節(jié)電，又可延長鋰電池及顯示屏壽命。電源電路采用輸入防反接電路設(shè)計，電源輸入后通過1 路3.3 V 轉(zhuǎn)換電路給采集儀主板供電，另1 路通過12 V 轉(zhuǎn)換電路給OLED 顯示板供電。

壓力傳感器采用HSC 系列硅壓力傳感器，工作電壓較低，10 mm×10 mm 微型封裝，能耗極小，14位數(shù)字輸出壓力，范圍為0～10 kPa，總誤差帶為1%的滿量程最大值[14]。單片機與壓力傳感器采用SPI接口傳輸?；诟鞯V井煤層賦存深度、通風(fēng)設(shè)施、巷道斷面等不同，采集儀設(shè)計有壓力自動校零功能，能有效排除現(xiàn)場其他因素帶來的壓力測量誤差。

采集儀與本安手機APP 采用私有協(xié)議通過藍牙進行無線通信。藍牙模塊選用一款超低功耗藍牙4.2 模塊WH-BLE102，1.7～3.6 V 單電源供電，平均200 μA 低功耗廣播模式，平均500 nA 休眠模式，多種喚醒方式。支持128 bit 格式UUID 修改，可與其他廠家模塊通信。該模塊主從一體，可用于點對點數(shù)據(jù)透明傳輸及加密傳輸，用戶無需關(guān)心傳輸協(xié)議，只需要進行簡單的設(shè)置就可以進行通訊，滿足采集儀無線設(shè)計要求。

各采集儀之間用私有協(xié)議通過RF433 模塊進行無線通信。模塊選擇結(jié)合功耗低、抗干擾性能強、傳輸距離遠、性價比高等方面綜合考慮，最終選定RF180B 模塊。該模塊高度集成超低功耗半雙工微功率嵌入式無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機和高性能射頻芯片。采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，使抗干擾和靈敏度大大提高。RF180B 模塊可在2.1～3.6 V 電壓范圍內(nèi)工作，在接收狀態(tài)僅僅消耗3.2 mA，有4 種工作模式。在1 s 周期輪詢喚醒省電模式下，接收僅僅消耗不到20 μA，1 節(jié)3.6 V/3.6 Ah的鋰電池可工作10 年以上。700 m 傳輸距離（1 000 bps），頻率430～437 MHz，雙256 bytes 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，內(nèi)置看門狗。

2.2 OLED 顯示屏控制電路

OLED 顯示屏可用于顯示壓力、溫度、電池電量等實時測量信息，查詢或設(shè)置BLE 及RF433 MHz無線等參數(shù)，配置各種節(jié)能及出廠參數(shù)等功能，與單片機采用SPI 方式通信。顯示屏選用中景園電子控制芯片為SSD1309 的2.42 寸24 pin 插接128*64 單色OLED，12 V 供電，OLED 驅(qū)動電路如圖3。

圖3 OLED 驅(qū)動電路Fig.3 OLED drive circuit

3 采集儀軟件

鉆屑瓦斯解吸指標K1值測定軟件設(shè)計主要包括采集儀單片機程序設(shè)計和本安手機專用APP 軟件設(shè)計2 個部分，通過私有通信協(xié)議共同完成壓力、溫度的數(shù)據(jù)采集，并最終由本安手機專用APP 完成K1值計算及突出預(yù)測。在KeilμVision5 編譯環(huán)境下采用C 語言對采集儀軟件程序進行模塊化設(shè)計[15]，包括主程序、初始化子程序、壓力及溫度數(shù)據(jù)采集子程序、藍牙通信子程序、RF433 通信子程序、按鍵處理子程序等。

3.1 采集儀主流程

采集儀軟件主程序流程如圖4。

圖4 采集儀軟件主程序流程Fig.4 Main program flow of acquisition instrument software

上電后首先進行初始化，初始化子程序主要完成STM32F103RTC6、外部總線、各外設(shè)模塊的引腳和時鐘初始化，配置定時器和中斷，配置SPI 和USART 及OLED 初始化。初始化完成后實時采集壓力、溫度、電池電量等數(shù)據(jù)并在OLED 屏上顯示。此時各采集儀都處于待連接狀態(tài)。若有本安手機發(fā)送建立連接命令，則對應(yīng)硬件地址的采集儀被編號為1 并建立連接且與本安手機時鐘同步。同時采集儀1 發(fā)送廣播命令，并根據(jù)其他采集儀的回復(fù)進行智能地址從2 到n 的分配且同步時鐘信息。主程序無線通信部分包含BLE 與RF433，根據(jù)不同的指令進行拆包解析及響應(yīng)回復(fù)處理。按鍵處理程序用于界面切換、編輯、參數(shù)設(shè)置、藍牙模式切換、壓力校零等操作。

3.2 本安手機專用APP 操作流程

防突工開始進行突出預(yù)測前，先將各采集儀開機上電，接著打開本安手機專用APP，本安手機專用APP 操作流程如圖5。

圖5 本安手機專用APP 操作流程Fig.5 Special APP operation process of intrinsically safe type mobile phone

在APP 設(shè)置要連接的采集儀數(shù)量及選擇要連接的1 號采集儀地址并建立連接，此時通過采集儀1 也與智能分配2-n 的編號的其他采集儀建立連接。預(yù)測時，首先根據(jù)現(xiàn)場打鉆情況，選擇提前設(shè)置好的工作面孔號，開始打鉆并每1 m 測量鉆屑量S，從孔深為2 m 處開始測量K1值。K1值測量包括接粉和測量過程，其中接粉要求控制在120 s 以內(nèi)完成，否則該次煤樣失效。為了提高測量精度，設(shè)計采用間隔15 s 采集1 次壓力值，共計采集20 次。接粉時，先選擇空閑采集儀，被選中的采集儀屏幕反色顯示區(qū)分于其他采集儀以利于準確快速裝粉。接粉完成進入測量后無需等待測量過程，只要有空閑采集儀，即可進行下1 次的打鉆及接粉工序，各個采集儀交替工作，形成并行操作，提高效率。在每次測量完成后，APP 會快速給出K1值計算結(jié)果，綜合鉆屑量S 及突出預(yù)兆情況，若K1值指標或鉆屑量指標S超出定值或有較嚴重的突出預(yù)兆，則預(yù)測為有突出危險，結(jié)束本次預(yù)測，采取相應(yīng)防突措施。否則可繼續(xù)測量，直到所有鉆孔預(yù)測完成，且K1值指標及鉆屑量指標S 皆不超限，亦無突出預(yù)兆現(xiàn)象產(chǎn)生，則預(yù)測為無突出危險，結(jié)束本次預(yù)測。

4 測試驗證

產(chǎn)品測試包含無線測距及性能、電池性能、本安電路設(shè)計及軟件邏輯等多方面，雙無線鉆屑瓦斯解吸指標K1值測定儀已取得安標證書（MFA200478），相關(guān)的性能測試不在此展開。重點從壓力值測試及測量效率方面進行測試驗證分析。

1）壓力值測試。采集儀設(shè)計測量范圍0～10 kPa，分辨率：1 Pa，基本誤差±0.5%FS。實驗室采用KY2010 數(shù)字精密壓力表（壓力范圍：0～20 kPa，準確度：0.02%FS）作為基準源，對采集儀壓力精度進行了多次測量，結(jié)果呈現(xiàn)較好的一致性。測試前，在連通大氣壓的情況下，先對KY2010 及采集儀同時進行校零，再進行測量。氣體壓力值測試數(shù)據(jù)反映出在滿量程范圍內(nèi)壓力測量誤差未超出±0.1%FS，遠小于行業(yè)采集儀±1%FS 的精度要求，也符合采集儀設(shè)計指標±0.5%F.S 的精度要求。

2）測量效率。提前準備出粒徑1～3 mm 的煤樣1 200 g，每組200 g 分別密封在編號為1#～6#的不銹鋼煤樣筒中進行瓦斯吸附，充氣壓力保持為2 MPa，充氣時間48 h。為了對比測量效率，完成所有鉆孔模擬測量，K1值設(shè)定為超限不退出測量或調(diào)大K1值超限值為1.0 cm3/g·min1/2。利用1 臺本安手機分別連接1～6 臺采集儀，在實驗室進行模擬測試鉆孔3 個，每個鉆孔深度10 m，分別在2、4、6、8、10 m 處測量瓦斯鉆屑解吸指標K1值，每鉆進1 m 輸入該1 m 段的全部鉆屑量S 值（輸入固定值2.0 kg），不考慮打鉆停歇時間，接粉時長根據(jù)屏幕計時提示統(tǒng)一在1 min 完成接粉切換到測量，連接不同數(shù)量采集儀，利用對應(yīng)編號的煤樣筒煤樣進行測量，前期準備工作中的工作面及鉆孔信息設(shè)定時間不計入，從采集儀連接成功到第1 個鉆孔2 m 處開始接粉處計時，若有空閑采集儀則連續(xù)進行，以連接1 臺采集儀所用時間為基準，則測量完成所用時間及效率提高情況（與基準值的比值），預(yù)測效率分析表見表1。1 臺手機連接1 臺采集儀兼容目前市場手機版測定儀。通過表1 可見，連接2～6 臺采集儀效率會不斷提升，但從4 臺起，增速會趨于下降，雖然采集儀支持連接6 臺，結(jié)合工作效率提高程度、采集儀成本、現(xiàn)場擺放及操作的方便性，建議連接2～4 臺更能充分發(fā)揮采集儀的優(yōu)勢（省時1/2～2/3）。

表1 預(yù)測效率分析表Table 1 Predictive efficiency analysis

5 結(jié) 語

針對目前煤礦井下應(yīng)用的鉆屑瓦斯解吸指標K1值測定儀測定時間長、效率低的問題，從解決防突預(yù)測效率考慮，研制出以STM32F103RTC6 為核心處理器，具有BLE 和RF433 的綜合無線通信的煤與瓦斯突出數(shù)據(jù)采集儀，并已取得安標證書（MFA200478）。根據(jù)K1值測量流程分析及煤安認證和實驗室測試驗證結(jié)果，得出采用1 臺本安手機對應(yīng)連接多臺采集儀的設(shè)計及應(yīng)用，可顯著提高預(yù)測效率。