煤礦液壓支架壓力無線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

徐嫣涵 蘭西柱 楊勇 王宇 李承軍

摘? 要：煤礦開采中，使用液壓支架對工作面頂板進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)支架承受壓力過大時，易發(fā)生倒架、頂板坍塌等事故。為預(yù)防此類事故，對液壓支架的壓力監(jiān)測進(jìn)行了研究。針對目前壓力監(jiān)測存在的布線困難、可靠性差等問題，采用ARM主控芯片、LoRa無線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)，設(shè)計了無線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)。此網(wǎng)關(guān)無線巡檢壓力監(jiān)測裝置，通過以太網(wǎng)上報監(jiān)測數(shù)據(jù)，可靠有效地監(jiān)測了液壓壓力。

關(guān)鍵詞：液壓支架;壓力監(jiān)測;LoRa無線技術(shù);工業(yè)以太網(wǎng)

中圖分類號：TD67;TN91? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0048-03

Design of Gateway for Wireless Monitoring System of Coal Mine

Hydraulic Support Pressure

XU Yanhan，LAN Xizhu，YANG Yong，WANG Yu，LI Chengjun

（School of Mechanical Electronic & Information Engineering，China University of Mining and Technology-Beijing，Beijing? 100083，China）

Abstract：In coal mining，hydraulic support is used to support the roof of working face. When the support is under too much pressure，it is prone to accidents such as frame collapse and roof collapse. In order to prevent such accidents，the pressure monitoring of hydraulic support is studied. Aiming at the current pressure monitoring problems such as wiring difficulties and poor reliability，the ARM master chip，LoRa wireless technology，and industrial Ethernet are used to design a wireless monitoring system gateway. The gateway wireless inspection pressure monitoring device reports monitoring data through Ethernet，which can reliably and effectively monitor the hydraulic pressure.

Keywords：hydraulic support;pressure monitoring;LoRa wireless technology;industrial Ethernet

0? 引? 言

由于我國能源呈現(xiàn)出貧油、少氣、多煤的結(jié)構(gòu)，煤炭一直在我國能源資源中占據(jù)著重要地位。液壓支架在煤礦開采過程中對工作面頂板起到支護(hù)作用，承載了來自礦山的壓力，隔離出采空區(qū)，保證回采工作面和推進(jìn)輸送機(jī)的正常工作。但液壓支架有可能出現(xiàn)支架失穩(wěn)、部件損壞、油缸與管路泄露等故障，液壓支架失穩(wěn)發(fā)生的概率超過60%。支架失穩(wěn)主要是由受力不均、礦壓過大等原因引起。液壓支架承受礦山來壓時有初撐力和工作阻力，這兩個力直接反映了支架對頂板的支護(hù)情況，因此，對液壓支架進(jìn)行壓力監(jiān)測具有實際意義。

現(xiàn)有的液壓支架壓力監(jiān)測多采用有線監(jiān)測系統(tǒng)，通過RS485總線接收監(jiān)測裝置采集的壓力數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析處理。但我國煤礦井下空間狹小復(fù)雜，不利于布線。無線監(jiān)測既能省去煩瑣的布線工作，也可以提高傳輸效率。但支架立柱本身是金屬的，對電磁波而言是良導(dǎo)體，電磁波在良導(dǎo)體中衰減極快，這給巷道內(nèi)的無線傳輸帶來了困難。目前常用于井下監(jiān)測的ZigBee無線技術(shù)抗干擾性較差，Semtech公司的LoRa無線技術(shù)是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，在同等功耗下比其他無線方式傳播得更遠(yuǎn)。LoRa無線技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)更可靠，抗干擾性更強(qiáng)。作者將ARM處理器和LoRa無線技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計一種可靠性高的復(fù)合型LoRa網(wǎng)關(guān)，實時監(jiān)測液壓支架對頂板的兩個壓力，對預(yù)防綜采工作面支護(hù)事故的發(fā)生具有重要的意義。

1? 網(wǎng)關(guān)的功能需求

網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)接收壓力監(jiān)測裝置采集的壓力數(shù)據(jù)，顯示并上報至上位機(jī)。目前井下多采用掩護(hù)式液壓支架，每臺液壓支架有兩個立柱，監(jiān)測裝置的壓力傳感器分別內(nèi)嵌于兩個立柱的液壓缸中，監(jiān)測液壓的初撐力和工作阻力。網(wǎng)關(guān)需對所有液壓支架的壓力監(jiān)測裝置進(jìn)行巡檢，實時獲得壓力數(shù)據(jù)并上報至總控調(diào)度室。網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有以下功能要求。

1.1? 無線巡檢

網(wǎng)關(guān)從壓力監(jiān)測裝置接收壓力數(shù)據(jù)。壓力監(jiān)測裝置為電池供電，為了節(jié)省電池電量消耗，壓力監(jiān)測裝置處于休眠狀態(tài)，網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有無線喚醒壓力監(jiān)測裝置的功能，并對壓力監(jiān)測裝置進(jìn)行無線巡檢。

1.2? 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要是網(wǎng)關(guān)將接收到的壓力值與預(yù)設(shè)報警閾值進(jìn)行比較，超出或低于范圍值則啟動聲光報警，并顯示報警來源，即壓力監(jiān)測裝置地址。

1.3? 數(shù)據(jù)上報

網(wǎng)關(guān)按巡檢周期無線采集數(shù)據(jù)，根據(jù)自定義的用戶協(xié)議上報，采用工業(yè)以太網(wǎng)和CAN模塊兩種接入方式傳輸。

1.4? 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲采用Flash和EEROM存儲芯片。EEROM存儲芯片用來存儲液網(wǎng)關(guān)設(shè)置的參數(shù)，F(xiàn)lash存儲芯片則是用來存儲因以太網(wǎng)傳輸故障，導(dǎo)致上報失敗的本地存儲，一旦網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，再次上報數(shù)據(jù)，防止監(jiān)測數(shù)據(jù)的丟失。

1.5? 參數(shù)設(shè)置

液壓支架對工作面頂板進(jìn)行支護(hù)時主要有初撐力和工作阻力。網(wǎng)關(guān)需要設(shè)置上述兩個力的正常閾值并存入EEROM存儲芯片中，便于判斷壓力是否正常。同時需要設(shè)置本機(jī)裝置地址和無線通信參數(shù)。

1.6? 數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示采用128×64液晶屏，主要用來顯示超過或低于預(yù)設(shè)閾值的壓力數(shù)值及其所在位置，即出現(xiàn)問題的壓力監(jiān)測裝置的地址。

2? 系統(tǒng)總體設(shè)計及系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

2.1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

煤礦液壓支架壓力無線監(jiān)測系統(tǒng)由壓力監(jiān)測裝置、網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)組成。壓力監(jiān)測裝置中的傳感器通過無線通信將壓力數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)，與預(yù)設(shè)的報警值比較，判斷壓力是否異常，壓力超限則發(fā)出聲光報警，同時通過以太網(wǎng)/CAN模塊上報至上位機(jī)，如上報失敗，數(shù)據(jù)記錄本地儲存。上位機(jī)負(fù)責(zé)接收壓力無線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)顯示、歷史查詢、故障判斷等功能，對液壓支架的壓力趨勢做出預(yù)警預(yù)判。煤礦液壓支架壓力無線監(jiān)測系統(tǒng)總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2.2? 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

根據(jù)功能需求分析，設(shè)計的網(wǎng)關(guān)由ARM主控芯片、LoRa無線模塊、Flash/EEROM存儲芯片、CAN模塊及以太網(wǎng)控制芯片等組成。蜂鳴器和LED燈作為壓力異常時的聲光報警裝置，按鍵用于參數(shù)設(shè)置，液晶屏顯示報警來源。

網(wǎng)關(guān)的硬件選型，依據(jù)網(wǎng)關(guān)的總體框架結(jié)構(gòu)，結(jié)合功能需求說明，從性能和實用性上對各硬件芯片進(jìn)行了綜合考量，選擇出以下幾款硬件。

2.2.1? ARM主控芯片LPC1768FBD100

ARM主控芯片選用的恩智浦公司研制的LPC1768FBD 100芯片，主頻可達(dá)到100 MHz。其外設(shè)組件包含以太網(wǎng)MAC、4個UART接口、2條CAN模塊通道、SPI接口、3個I2C接口、4個通用定時器和70個通用I/O管腳等。

2.2.2? LoRa無線模塊

LoRa無線模塊采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的工業(yè)級ZM470SX-M系列無線模塊。相比傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，此模塊通過調(diào)整擴(kuò)頻因子（數(shù)值為6～12）、帶寬調(diào)制及糾錯率等變量，解決了無法同時兼顧距離、抗干擾性的問題。

2.2.3? 以太網(wǎng)控制芯片

以太網(wǎng)控制芯片選用的是TI公司研發(fā)的DP83848J，提供小型6 mm×6 mm WQFN40針封裝，供電電壓為3.3 V，支持10/100 Mbps的傳輸速率，支持IEEE 802.3協(xié)議。ARM主控芯片LPC1768FBD100內(nèi)含以太網(wǎng)MAC，通過MII或RMII接口可與DP83848J連接。

2.2.4? CAN模塊

CAN模塊選用的是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司研發(fā)的CTM 8251KAT模塊，具有較低電磁輻射和較高抗電磁干擾性。此模塊采用3.3 V供電電壓，單網(wǎng)絡(luò)最多可連接110個節(jié)點，傳輸波特率5 kbps～1 Mbps。

2.2.5? Flash存儲芯片

Flash存儲芯片選用的是Winbond公司研發(fā)的W25Q32 BV SSIP芯片，支持標(biāo)準(zhǔn)串行外圍接口（SPI），共32 Mbit

（4 MB）最多可以一次256字節(jié)編程。

3? 網(wǎng)關(guān)協(xié)議設(shè)計及軟件設(shè)計

3.1? 網(wǎng)關(guān)協(xié)議設(shè)計

網(wǎng)關(guān)，又稱為協(xié)議轉(zhuǎn)換器。作者設(shè)計的系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收壓力監(jiān)測裝置采集的壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，打包發(fā)送至工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的傳輸，因此需要特別定制傳輸協(xié)議。TCP/IP協(xié)議分為四層，本軟件設(shè)計主要針對傳輸層協(xié)議，TCP與UDP是基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP協(xié)議的兩種傳輸層協(xié)議，TCP協(xié)議可保證數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性，丟包數(shù)據(jù)會自動重發(fā)，所以本設(shè)計采用TCP協(xié)議。

LPC1768FBD100內(nèi)置了MAC層的處理能力?？紤]到RMII接口引腳使用少，頻率高;MII接口引腳使用多，頻率低，本次設(shè)計中使用RMII接口與PHY通信。

網(wǎng)關(guān)將接收到的壓力數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)/CAN模塊的方式，上報至上位機(jī)，上報失敗時數(shù)據(jù)將存儲到Flash存儲芯片中，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再次上報。根據(jù)IEEE 802.3協(xié)議，以太網(wǎng)采用載波偵聽多路訪問/沖突監(jiān)測（CSMA/CD）的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸。在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先進(jìn)行偵聽，如果線路空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀;如果線路繁忙，則停止發(fā)送，隨機(jī)等待一定時間后再重復(fù)偵聽。

壓力監(jiān)測裝置主要有兩個采集點，分別位于掩護(hù)式液壓支架的兩個立柱的液壓缸內(nèi)。

網(wǎng)關(guān)上報數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)格式如表1所示。

網(wǎng)關(guān)無線巡檢命令幀格式，如表2所示。網(wǎng)關(guān)無線巡檢返回數(shù)據(jù)幀格式，如表3所示。

3.2? 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思路，根據(jù)各模塊所需實現(xiàn)的功能進(jìn)行編程，進(jìn)而完成整個系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的軟件開發(fā)。這種設(shè)計方案有利于軟件的升級、維護(hù)以及后期模塊的更換和移植。主程序流程圖如圖3所示，無線巡檢流程圖如圖4所示。

4? 結(jié)? 論

針對煤礦井下液壓支架壓力無線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的功能需求，本文采用LPC1768FBD100 ARM主控芯片、ZM470SX- M LoRa無線模塊、以太網(wǎng)控制芯片DP83848J等硬件，對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了硬件電路設(shè)計，制定了傳輸協(xié)議，并進(jìn)行軟件編程設(shè)計。以LoRa無線技術(shù)+工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸方式，完成了無線巡檢接收、處理、存儲、上報壓力數(shù)據(jù)的功能，實現(xiàn)了對液壓支架初撐力和工作阻力的實時監(jiān)測，提高了傳輸可靠性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，解決了現(xiàn)有井下液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)布線困難、可靠性差的問題，具有較高的實際應(yīng)用價值。

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作者簡介：徐嫣涵（1994—），女，漢族，貴州貴陽人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計;蘭西柱（1966—），男，漢族，安徽亳州人，副教授，碩士研究生，主要研究方向：計算機(jī)監(jiān)控與通信、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用;楊勇（1996—），男，漢族，江蘇南京人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計;王宇（1997—），男，漢族，安徽合肥人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計;李承軍（1995—），男，漢族，山東青島人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計。