基于LoRa通信的無線液壓支架壓力傳感器設(shè)計

李起偉

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室， 北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心， 北京 100013)

0 引言

液壓支架壓力傳感器是應(yīng)用于煤礦井下綜采工作面液壓支架或普采工作面單體液壓支柱壓力監(jiān)測的專用儀表，用來反映工作面的支護情況，分析工作面礦壓變化規(guī)律，是頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。目前液壓支架壓力傳感器主要有有線和無線2種傳輸形式。因支架下空間狹小，隨著開采工作面不斷推進，有線傳輸存在電纜易損壞、布線與維護困難的問題。無線傳輸具有布置靈活、移動方便、擴展性強等優(yōu)勢。

目前煤礦的無線傳輸形式以ZigBee為主，但ZigBee協(xié)議對信道帶寬要求較高，通信距離較短。因此，需通過增加發(fā)射功率及采用多級級聯(lián)的形式來提升距離與穿透性，完成遠距離傳輸，但路由節(jié)點作為中繼卻不能休眠[1]，使得系統(tǒng)功耗增大。無線ZigBee傳感器在實際使用中通過電池供電，使用時間達不到設(shè)計預(yù)期，存在頻繁更換電池的問題。鑒此，本文基于LoRa通信技術(shù)，設(shè)計了一種無線液壓支架壓力傳感器，實現(xiàn)了煤礦頂板監(jiān)測信號遠距離、低功耗無線傳輸?shù)哪康摹?/p>

1 傳感器設(shè)計方案

LoRa是一種物理層調(diào)制方式，是將擴頻通信技術(shù)應(yīng)用于1 GHz以下頻譜的一種廣域網(wǎng)通信技術(shù)，融合了數(shù)字擴頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)。在理想環(huán)境下，無線通信滿足如下關(guān)系：

(1)

式中：Pt為發(fā)射器發(fā)射功率；Pr為接收器靈敏度；Gt，Gr分別為發(fā)射、接收天線增益；f為載波頻率；d為收發(fā)天線間的距離；C為光速；Lc為發(fā)射天線的饋線插損；L0為空中傳輸損耗。

將C和π的值代入式(1)，可得

L0-148 dB

(2)

對式(2)進行進一步轉(zhuǎn)換可得

(3)

由式(3)可知，通過提升發(fā)射功率Pt可增加距離d，但同時傳感器功耗也增大了，從而縮短了電池供電時間。這是目前無線傳感器在實際應(yīng)用中無法兼顧距離和功耗的問題所在。而LoRa通過高擴頻因子的直接序列擴頻技術(shù)提高接收端靈敏度(即減小Pr值)，獲得較高的信號增益，從而增加通信距離。這就改變了傳輸功耗和傳輸距離之間的平衡，呈現(xiàn)一種遠距離、低功耗、長電池壽命、大系統(tǒng)容量、低硬件成本的通信特點，同時LoRa通過前向糾錯編碼技術(shù)有效提高了傳輸可靠性。文獻[2]驗證了將LoRa通信應(yīng)用在煤礦礦壓監(jiān)測系統(tǒng)中的可行性，本文設(shè)計的LoRa通信工作在433 MHz頻段，相比于主流ZigBee的2.4 GHz頻段，具有更強的穿透和衍射能力，其低功耗、遠距離的特點可有效優(yōu)化頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[3]，解決頻繁更換傳感器電池的問題。

無線液壓支架壓力傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

圖1 無線液壓支架壓力傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.1 Network topology of wireless pressure sensor of hydraulic support

內(nèi)嵌LoRa模塊的無線液壓支架壓力傳感器安裝在液壓支架上，采集液壓支架前支柱、后支柱及前伸梁的壓力值。被測液體介質(zhì)通過導壓孔加壓到傳感器壓阻元件上，壓阻元件受壓發(fā)生形變，產(chǎn)生與壓力線性相關(guān)的阻值變化；傳感器的微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)測量加在電阻上的電壓，將其換算成實際壓力值[4]。傳感器通過LoRa模塊實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)的無線通信，網(wǎng)關(guān)與各傳感器之間采用主從通信方式，網(wǎng)關(guān)周期性依次采集各傳感器數(shù)據(jù)，傳感器采集壓力值并成功發(fā)送數(shù)據(jù)后進入休眠模式，以降低功耗。

2 傳感器硬件設(shè)計

無線液壓支架壓力傳感器以ARM主控芯片STM8L151C8T6和LoRa射頻芯片SX1268為設(shè)計核心，采用模塊化結(jié)構(gòu)，由壓阻采集電路、放大電路、聲光報警電路、LoRa通信電路、數(shù)碼管顯示電路、光照檢測電路、電源電路、紅外接收電路等組成，如圖2所示。

圖2 無線液壓支架壓力傳感器硬件總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall hardware structure of wireless pressure sensor of hydraulic support

傳感器由鋰電池供電，電源電路由低壓差(Low Drop Output，LDO)控制外設(shè)電路進行功耗管理，核心ARM選用超低功耗處理器STM8L151C8T6，射頻芯片使用SX1268。壓阻電路將壓力值轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)運算放大器放大及阻抗變換處理后進入AD轉(zhuǎn)換器ADS7822。ARM對其采樣并處理，通過射頻電路將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，同時將采集到的壓力值與設(shè)定值進行比較，超限時啟動聲光報警。當有強光照射時，光照檢測電路產(chǎn)生電平變化并喚醒ARM，驅(qū)動數(shù)碼管顯示。通過遙控紅外電路實現(xiàn)傳感器地址、報警值等相關(guān)參數(shù)配置。

LoRa模塊以SX1268為核心，采用SPI方式與ARM通信，SX1268是433 MHz LoRa半雙工收發(fā)芯片[5]，是SX1278的升級版，改進了發(fā)射和接收功耗。LoRa模塊電路如圖3所示。

圖3 LoRa模塊電路Fig.3 LoRa module circuit

SX1268的第10引腳VBAT接射頻電源，第11引腳VBAT_IO接數(shù)字I/O電源，由3.3 V供電，電源入口接電容，以減少電源紋波，保證供電穩(wěn)定性。采用內(nèi)部高效率降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的配電方式[6]，由第9引腳引出電源，經(jīng)L7接至第1引腳，使接收電流更小，可低至4.2 mA。采用32 MHz無源晶振，因為其工作方式為半雙工，所以采用射頻開關(guān)PE4259控制收發(fā)并進行射頻電路切換，將收發(fā)支路分開[7]。發(fā)射支路由第9引腳射頻發(fā)射輸出，經(jīng)LC橢圓低通濾波器抑制輸出雜散后進入射頻開關(guān)。射頻接收差分輸入第21引腳RFI_P，第22引腳RFI_N的前段接聲表面濾波器，濾除頻帶外干擾，提升接收質(zhì)量。射頻開關(guān)后端經(jīng)π型濾波器濾除發(fā)射的2次諧波、3次諧波和雜散信號，同時濾除接收的干擾信號。根據(jù)射頻開關(guān)PE4259的真值表，由STM8L151C8T6的I/O口控制其第4引腳，實現(xiàn)收發(fā)電路切換。

在無線傳感器設(shè)計中，功耗是極其重要的指標之一，關(guān)系到鋰電池的續(xù)航時間。文獻[8]分析得出芯片I/O口處于不同狀態(tài)時，功耗會有明顯不同。因此，本設(shè)計中，STM8L151C8T6和SX1268都進入休眠狀態(tài)并關(guān)閉未用的外設(shè)，只保留實時時鐘，用來做定時喚醒和外部中斷主動喚醒，其余所有芯片的管腳都配置成模擬狀態(tài)，不帶上拉電阻和下拉電阻，以減少耗電。

3 傳感器軟件設(shè)計

液壓支架的壓力值屬于緩變數(shù)據(jù)，因此，可通過程序調(diào)度外圍電路的使用和工作模式的切換，使傳感器間歇性工作[9]，以降低其功耗。傳感器軟件流程如圖4所示。

圖4 無線液壓支架壓力傳感器軟件流程Fig.4 Software flow of wireless pressure sensor of hydraulic support

傳感器上電后，STM8L151C8T6讀取EEPROM內(nèi)的傳感器地址、載波頻率、靈敏度、信號帶寬、擴頻因子、工作模式等相關(guān)參數(shù)值并通過數(shù)碼管顯示[10]，通過SPI對SX1268芯片進行初始化，開啟中斷，進行傳感器自檢。當有故障時，聲光報警并顯示故障類型碼，沒有故障則進入休眠模式。當檢測到光照喚醒時，探頭采集壓力數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后通過數(shù)碼管顯示。網(wǎng)關(guān)根據(jù)設(shè)定時間定時喚醒傳感器，傳感器監(jiān)聽到網(wǎng)關(guān)喚醒命令時，采集壓力數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理，然后通過LoRa模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。未收到喚醒時，傳感器保持休眠狀態(tài)。在數(shù)據(jù)處理過程中，若數(shù)據(jù)超限則發(fā)出聲光報警。

4 測試分析

通過測量無線傳感器電流實現(xiàn)其功耗測試。無線液壓支架壓力傳感器的工作狀態(tài)包括休眠狀態(tài)、監(jiān)聽狀態(tài)、射頻接收/發(fā)射狀態(tài)、探頭采集顯示狀態(tài)[11]。用萬用表測量無線液壓支架壓力傳感器休眠時的靜態(tài)電流，用示波器和電流探頭捕捉其工作時的動態(tài)電流，設(shè)發(fā)送周期為5 min，光照喚醒頻率為2次/h，1次數(shù)碼管顯示時間為10 s，測試結(jié)果見表1。

折算到1 h，無線液壓支架壓力傳感器平均功耗[12]為142×2×12/3 600+0.03×296.3×12/3 600+38×10×2/3 600=1.18 mA·h。

表1 無線液壓支架壓力傳感器功耗測試結(jié)果Table 1 Power consumption test results of wireless pressure sensor of hydrautic support

設(shè)鋰電池容量為5 000 mA·h，因電池存在自放電，電池電量按標稱容量的80%預(yù)估，則理論上電池可續(xù)航天數(shù)為5 000×0.8/(1.18×24)=141。電池續(xù)航時間滿足煤礦使用要求。

與傳統(tǒng)無線通信方式相比，LoRa能夠在發(fā)射功率相同的情況下實現(xiàn)更遠的通信距離，同時擁有更強的抗干擾能力。在小區(qū)環(huán)境中測試LoRa通信距離與丟包率[13]，地形如圖5所示。網(wǎng)關(guān)放在煤炭科學研究總院1號樓樓頂，周圍建筑多為小高層。大型煤礦井下工作面寬度為200～300 m，因此，最大測試距離取300 m，調(diào)整傳感器LoRa模塊擴頻因子、帶寬等參數(shù)，在距離網(wǎng)關(guān)200，220，240，250，280，300 m處，傳感器各發(fā)收1 000包數(shù)據(jù)，統(tǒng)計通信丟包率[14]。

圖5 LoRa通信測試地形Fig.5 LoRa communication test terrain

測試結(jié)果顯示，在200～260 m內(nèi)，傳感器丟包率為0；在260～300 m內(nèi)，丟包率小于0.5%。與ZigBee的有效通信距離50～100 m相比[15]，LoRa有效通信距離更遠，可靠性更高。

5 結(jié)語

分析了LoRa通信技術(shù)原理及其低功耗、遠距離傳輸特性。以主控芯片STM8L151C8T6和LoRa射頻芯片SX1268為核心，設(shè)計了一種基于LoRa通信的低功耗無線液壓支架壓力傳感器。測試結(jié)果表明，該傳感器1 h的平均功耗為1.18 mA·h，容量為5 000 mA·h的鋰電池理論續(xù)航時間為141 d，滿足煤礦使用要求；與ZigBee技術(shù)相比，LoRa有效通信距離更遠，可靠性更高。該傳感器解決了煤礦頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)中頻繁更換傳感器電池的問題，實現(xiàn)了壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠距離、低功耗、高可靠性傳輸。LoRa通信技術(shù)在無線液壓支架壓力傳感器上的應(yīng)用有助于提升頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)運維的高效性與智能性，符合智慧礦山建設(shè)的發(fā)展趨勢。