基于LoRa 技術的刮板輸送機無線控制裝置

李如川

（北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013）

刮板輸送機是煤礦綜采工作面主要運輸系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。當使用刮板輸送機運輸大件設備時，通常由隨行人員觀測運行狀態(tài)并通過工作面擴音電話告知機頭司機停機或開機，若發(fā)生機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有一定的延時。針對以上問題，設計了一種基于LoRa 技術的刮板輸送機無線控制裝置，物料運輸隨行人員在整個綜采工作面內(nèi)可以零延時直接控制刮板輸送機啟停或正反車，從而提高刮板輸送機運輸物料的安全性。

1 煤礦無線通信技術

刮板輸送機的工況比較惡劣、電磁干擾嚴重，選擇合理的無線通信方式對刮板輸送機無線控制裝置穩(wěn)定性十分必要。當前，煤礦井下無線通信技術主要采用泄露通信、WiFi、蜂窩移動通信（3G、4G）、Zig－Bee 和紅外通信等[3-5]，部分煤礦已經(jīng)探索應用5G 技術并取得了顯著成果[6]。這些通信技術在不同的應用場景發(fā)揮著重要作用，具有帶寬高、延時低等優(yōu)點，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[7-8]，是一種擴頻調(diào)制技術，主要運行在免許可的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、速率低、成本低等特點，符合本無線控制裝置的使用要求。

2 整體設計方案

刮板輸送機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，實現(xiàn)對刮板輸送機的控制。

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，擁有標準的HSI、I2C、PWM、ADC、USART、SPI 等外設，每個外設也可以單獨配置頻率，每個引腳可以單獨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 個獨立按鍵輸入控制刮板輸送機指令，預留7 個GPIO 口可進行擴展，可以增加對轉(zhuǎn)載機、破碎機、泵站等設備的控制功能。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，實現(xiàn)對刮板輸送機的控制。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，對微處理器和SX1278 射頻模塊供電。

3.3 射頻模塊參數(shù)設置

裝置手持終端和固定終端LoRa 模塊的參數(shù)設置相同：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計

由于無線手持終端采用電池供電，為延長手持端續(xù)航時間，對微處理器和LoRa 射頻模塊進行了低功耗設計。

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

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計流程圖如圖4。

圖4 手持終端軟件設計流程Fig.4 Software design process of handheld terminal

手持終端上電后，微處理器首先對各外設進行初始化，設置NVIC 中斷控制器，LoRa 射頻模塊初始化，微處理器和射頻模塊進入Stop 模式和休眠模式。當檢測到按鍵按下時，喚醒微處理器和射頻模塊，微處理器根據(jù)不同中斷線號通過射頻模塊發(fā)送相應控制指令，之后等待固定端的應答。如果在設定次數(shù)或設定時間內(nèi)未收到固定端的回應，閃爍指示燈提示操作人員。

4.2 無線固定終端軟件

固定端軟件設計流程如圖5。

圖5 固定端軟件設計流程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)的實時性，所以固定終端未進行低功耗和空中喚醒設計。上電后微處理器首先完成各外設、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)送應答信號并將控制指令輸出到華寧KJS101-4，實現(xiàn)對刮板輸送機的控制。

5 測試分析

無線手持終端的功耗通過測量實際通過電流獲得。用萬用表測量手持終端的靜態(tài)電流，示波器電流探頭測量動態(tài)電流。假設固定端發(fā)送數(shù)據(jù)時長為1 s，發(fā)送周期為5 min，測得發(fā)送電流124 mA，待機電流為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)，電池容量按標稱容量的80%計算，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)廣場測試了兩終端的通信距離和丟包率。測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)計見表2。

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

測試結果顯示，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)，可以認定本裝置符合煤礦井下應用要求。

6 結 語

介紹了基于LoRa 技術的刮板輸送機無線控制裝置的整體設計方案，完成了無線手持終端和無線固定終端的軟硬件設計，進行了功能性測試。測試結果表明，該裝置功耗低、有數(shù)據(jù)傳輸距離遠，解決了刮板輸送機運輸物料的控制問題，同時可以進行功能擴展，對煤礦安全生產(chǎn)和智慧礦山建設有推動作用。