煤礦閥門類產(chǎn)品用無線模塊選型

袁酉亮

摘要：隨著我公司閥門應(yīng)用范圍的不斷延伸，需求不斷地擴展，在閥門設(shè)計之初存在的功能性不足也逐漸暴露，其中經(jīng)常遇到的我們所缺少的一個功能就是無線通信。本文通過分析煤礦閥門類產(chǎn)品用無線模塊選型，以期滿足閥門應(yīng)用范圍的拓展需求。

關(guān)鍵詞：煤礦閥門;無線模塊;選型

一、需求分析

無線通信與有線通信相比，最大的優(yōu)勢在于設(shè)備布線方便，不需要另加通信電纜。但缺點也很明顯，就是井下受干擾比較嚴重，可靠性要遠弱于有線通信，因此井下無線通信很少用來做自動化中的控制主干網(wǎng)。一般在數(shù)據(jù)采集、人員定位等可靠性要求較弱的場合或移動設(shè)備上進行應(yīng)用。

無線用于我部門相關(guān)產(chǎn)品時分為三個應(yīng)用場合：

（一）用于井下工作面塵源跟蹤：與DFH20/10配套，主要用于在架間傳遞紅外發(fā)射器的位置信息和各個閥門的狀態(tài);

（二）用于大巷降塵的傳感器數(shù)據(jù)向閥門或其他集控設(shè)備進行傳輸：如GRH7的人員探測的信號、GUJ30中的觸控信號以及后繼的流量、壓力等信號;

（三）與智能手機連接，用于設(shè)備的狀態(tài)查看和參數(shù)設(shè)置。

二、應(yīng)用場景分析

（一）井下工作面塵源跟蹤：

采煤機塵源跟蹤噴霧降塵系統(tǒng)主要由顯示用主控制箱（ZP127-Z（A））、紅外發(fā)射器、紅外接收器、DFH20、電源電纜、通訊電纜、供水管路（高壓膠管）、噴嘴及其他必要設(shè)備組成。

系統(tǒng)基本功能應(yīng)包括：噴霧參數(shù)設(shè)定功能，可以設(shè)置噴霧數(shù)量、范圍等;無線及有線通訊傳輸功能;參數(shù)存儲、顯示、指示及故障自診斷功能;以及環(huán)境參數(shù)采集功能（如可采集粉塵濃度）;采煤機位置信息監(jiān)測;跟蹤及噴霧控制功能，執(zhí)行設(shè)定的噴霧參數(shù)。

如果為減少工作面的線纜連接，提高安裝便捷和可維護性，主控箱與DFH20之間需要通過無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，而DFH20的電源由所在支架的礦燈電源或后備電池供電。

無線傳輸方式：

在塵源跟蹤無線通信過程中，由于工作面狹長，金屬障礙物多，無線節(jié)點呈線性排列，相鄰之間距離10?m左右，無線節(jié)點數(shù)量多（一般數(shù)量在30～120個），無線模塊不可能從機尾直接將信號發(fā)送到機頭。為提高通信效率，減少吞吐量，系統(tǒng)將采用逐級遞傳（如圖1）、廣播發(fā)送（如圖2）、跳躍傳遞（如圖3）和紅外發(fā)射器轉(zhuǎn)發(fā)（如圖4）等方式相結(jié)合的模式進行傳輸數(shù)據(jù)。

由此看出，無線模塊應(yīng)用到塵源跟蹤時，需要滿足如下幾個條件：①低功耗：靜態(tài)電流小于10?mA②多跳點（100個以上）③傳輸距離不小于20?m。

（二）井下大巷閥門用（數(shù)據(jù)采集）：

大巷主要有噴霧降塵系統(tǒng)和ZJK系列閥門，噴霧降塵系統(tǒng)主要由噴霧降塵主控制箱（ZP127-Z（A）或DFH20）、紅外收發(fā)器或紅外熱釋或震動傳感器及其他必要設(shè)備組成;ZJK系列閥門以單設(shè)備或執(zhí)行裝置為主。

系統(tǒng)基本功能應(yīng)包括：噴霧參數(shù)設(shè)定功能，可以設(shè)置噴霧時間等;無線及有線通訊傳輸功能;參數(shù)存儲、顯示、指示及故障自診斷功能;以及環(huán)境參數(shù)采集功能（如可采集粉塵濃度）。

如果為減少大巷噴霧降塵系統(tǒng)線纜連接，一般由電池供電的DFH20和電池供電的紅外收發(fā)器或紅外熱釋或震動傳感器組成，DFH20和傳感器之間采用無線連接方式且有較小的無線上傳的應(yīng)用。

無線傳輸方式：

在大巷噴霧降塵系統(tǒng)中，煤礦井下移動通信環(huán)境主要以巷道為主。井下巷道具有彎道、分支并且是縱向延伸的。一般無線收發(fā)均在巷道的可視范圍內(nèi)進行，距離受巷道直線部分的長度和無線功率限制，以及目前設(shè)備的應(yīng)用范圍，一般不超過200?m，可采用星形連接方式（如圖5）。如果需要在大巷支路處架設(shè)則需要無線中繼（如圖6）。

由此看出，無線模塊應(yīng)用到大巷時，需要滿足如下幾個條件：①低功耗：靜態(tài)電流小于10?mA②多跳點（3個以上）③傳輸距離不小于50?m。④兼容本公司其他無線設(shè)備。

（三）參數(shù)設(shè)置

設(shè)備的參數(shù)可通過無線通道進行設(shè)置，用于設(shè)置參數(shù)的設(shè)備一般為礦用手機，運行安卓系統(tǒng)，安卓系統(tǒng)的手機最常用的無線連接方式是藍牙或Wi-Fi。

三、無線頻率的選擇

（一）井下工作面塵源跟蹤：

塵源跟蹤所需要的是多點接力傳輸?shù)臒o線模塊，組成的網(wǎng)絡(luò)為鏈狀網(wǎng)，地面多用于路燈等無線控制。其中除首尾兩個無線模塊外，鏈路中的每個模塊都相當于一個路由器，每個無線模塊不僅自己產(chǎn)生數(shù)據(jù)，還要需要作為路由器轉(zhuǎn)發(fā)其他設(shè)備的數(shù)據(jù)。

參考《煤礦工作面無線信號耦合規(guī)律分析》，我們獲得無線模塊的布局和距離等參數(shù)如下表1：

其中符合上表的433?MHz和2.4?G兩個頻段的無線模塊市場上都有出售，常見的Wi-Fi和ZIgbee協(xié)議也都帶有多節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)功能，但是對應(yīng)的模塊或協(xié)議都限制了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的深度（就是數(shù)據(jù)層層轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)），我們依據(jù)這個有如下幾個無線方案備選：

1.?如果采用Wi-Fi協(xié)議，轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)（節(jié)點深度）最大為5，不滿足我們的傳輸要求，排除。

2.?采用Zigbee協(xié)議，目前市場上可直接采購到的模塊路由節(jié)點深度最大為22，Zigbee協(xié)議深度可按我們的要求定制，但目前不知能否達到120。

3.?采用自定義協(xié)議，自己設(shè)計轉(zhuǎn)發(fā)，優(yōu)勢在于協(xié)議完全由自己掌握，路由深度不受限制，缺點是需要一段時間的調(diào)試和穩(wěn)定期。

4.?目前市場上用于短距離通信較為常見的為433和2.4?G兩個頻段，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，井下工作面這兩個頻段都有應(yīng)用經(jīng)驗，其中2.4?G頻段應(yīng)用較多。以下表2為兩個頻段的優(yōu)劣對比表。從表中可以看出，2.4?G和433?MHz各有優(yōu)劣，但2.4?G的頻段應(yīng)用比較符合我部門目前的使用要求，另外公司實際的應(yīng)用中2.4?G的應(yīng)用比較廣泛。

結(jié)論：井下工作面塵源跟蹤盡量采用2.4?G頻段模塊，如果2.4?G的Zigbee模塊不能滿足我公司應(yīng)用要求則選擇2.4?G的透傳模塊NRF2401來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議需要自定義。

（二）井下大巷降塵（數(shù)據(jù)采集）：

井下大巷降塵主要采用星形組網(wǎng)模式，一般當作為控制器時用于對傳感器的數(shù)據(jù)采集，無線模塊需處于服務(wù)端模式，當作為傳感器用于數(shù)據(jù)上傳或受控時，無線模塊處于客戶端模式。當作為路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)（中繼）時，無線模塊既處于客戶端模式又處于服務(wù)端（AP）模式。我們依據(jù)這些要求有如下表3幾個無線方案備選：

由于井下大巷大部分為近似為直線矩形，利用巷道模式理論對井下無線電波傳播的影響因素分析。在矩形空直巷道中，隨著頻率的增加，電波的衰減率將減小，巷道壁粗糙情況下同樣如此（參見《煤礦井下有限空間無線電波傳播特性研究》），因此應(yīng)采用較高的頻率在大巷進行無線傳輸，考慮到網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的容易程度和網(wǎng)絡(luò)兼容性，建議采用2.4?G的Wi-Fi進行組網(wǎng)。

以下表4為模擬礦井巷道作為測試地點，該巷道總長度約300 m，巷道寬約10 m，高約4 m，相對實際的礦井巷道，巷道較平直。測試前在巷道每20?m標定一個測試點，然后組建系統(tǒng)進行的測試。

結(jié)論：井下大巷降塵或數(shù)據(jù)無線上傳可采用2.4?G頻段Wi-Fi模塊。

（三）與智能手機連接，用于設(shè)備的狀態(tài)查看和參數(shù)設(shè)置

與智能手機連接主要采用點對點模式，手機作為客戶端，而無線模塊需處于服務(wù)端模式，通信距離一般不超過2?m，由于手機常見的無線通信方式只有藍牙或Wi-Fi，因此為了方便無線模塊應(yīng)采用藍牙或Wi-Fi其中一種進行通信。

當采用藍牙通信時，無線模塊處于服務(wù)端，手機通過自帶藍牙搜索到該藍牙設(shè)備后進行主動連接，連接成功后即可通過App進行數(shù)據(jù)交互。

當采用Wi-Fi進行通信時，無線模塊處于服務(wù)端，并啟動AP功能，手機通過自帶Wi-Fi搜索到該Wi-Fi熱點后進行連接，連接成功即通過App進行數(shù)據(jù)交互。

由于上述兩種無線方案均可滿足功能需求，考慮到兼容無線數(shù)據(jù)采集功能，建議采用Wi-Fi方式。

結(jié)論：與智能手機連接應(yīng)采用2.4G頻段Wi-Fi模塊。

四、無線模塊選型

井下工作面塵源跟蹤采用2.4?G無線模塊，要求低功耗、通信距離不小于50?;m，數(shù)據(jù)能實現(xiàn)透傳、體積小、天線內(nèi)置。因此建議選擇Zigbee模塊或目前人員定位卡采用的NRF2401，NRF2401模塊除能滿足塵源跟蹤技術(shù)要求外，還是我公司一直在采購并使用的組件。

井下大巷通信和與智能手機連接時采用2.4?G的Wi-Fi模塊，該模塊目前流行的有兩種芯片，對比如下表5：

很明顯可以看出ESP8266方案無論從性能、經(jīng)濟和接受度上比CC3200要高。

五、結(jié)論

建議大巷通信采用2.4?G?Wi-Fi方案，模塊采用安信可的ESP8266（ESP-07，同時具有陶瓷天線和SMA天線座）。工作面通信采用Zigbee或2.4?G的模塊（NRF2401）。

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