刮板輸送機無線控制裝置的設(shè)計

張 磊

（潞安化工集團常村煤礦， 山西 長治 046102）

引言

煤礦綜采工作面中刮板輸送機是一個非常重要的運輸設(shè)備。在采用刮板輸送機運輸大件的過程中，工作人員對其運行狀態(tài)進行觀察，當發(fā)現(xiàn)問題時借助工作面擴音機電話與司機進行溝通。假如機電出現(xiàn)問題，那么將直接導致工作人員的安全受到威脅，基于此本文以LoRa 技術(shù)為基礎(chǔ)，將其運用到刮板輸送機無線控制裝置上，這樣不僅可以保證物料運輸隨行人員能夠?qū)伟遢斔蜋C啟停與正反車進行有效地控制，還能夠有效地提升刮板輸送機輸送物料的安全性。

1 煤礦無線通信技術(shù)

由于刮板輸送機所處的工況條件相對復雜，比如潮濕、電磁干擾嚴重等，由此可以看出，一種合理的無線通信方式對于刮板輸送機的控制顯得十分必要。目前煤礦井下無線通信技術(shù)主要有泄露通信、Zig-Bee、蜂窩移動通信、紅外通信、Wi-Fi 等。并且部分煤礦已經(jīng)開始將5G 技術(shù)應(yīng)用到煤礦作業(yè)中，并且已經(jīng)得到了明顯效果。不同的技術(shù)在相應(yīng)的工作環(huán)節(jié)可以發(fā)揮其特有的作用，通常具有帶寬高、延時低等優(yōu)點。但是經(jīng)過工程實踐發(fā)現(xiàn)也存在一些不足，比如覆蓋面積小以及能耗大等。

LoRa 是一種新型的無線通信技術(shù)，其屬于擴頻調(diào)制技術(shù)。其可以運行在如下幾個方面：免許可的ISM 開放頻段、915 MHz、433 MHz、868 MHz 等，其具有：能耗低、速率比較小、成本相對低、覆蓋面廣等特點[1-2]。

2 整體設(shè)計方案

刮板輸送機無線控制裝置主要由兩個方面組成，分別為無線固定終端、無線手持終端，圖1 為系統(tǒng)示意圖。

圖1 系統(tǒng)示意圖

通常由工作人員手持無線終端進行控制，借助無線終端上面設(shè)置的按鍵將信號傳輸給微處理器，接著在微處理器將信號進行處理，在對將該信號傳輸給LoRa 單元。而相應(yīng)的將無線固定終端設(shè)置在綜采工作面的液壓支架上方，借助LoRa 單元將信號傳輸給微處理器，并將該信號傳輸給本安型輸入輸出模塊KJS101-4，最終可以實現(xiàn)對刮板輸送機的控制[3]。

3 系統(tǒng)硬件

3.1 無線手持終端硬件

無線手持終端包括鏗電池、防爆按鍵、微處理器、LoRa 射頻模塊單元。圖2 為無線手持終端電路圖。

圖2 無線手持終端電路圖

該微控制器選用意法半導體公司TSSOP-20 封裝的32 位芯片STM32F030F4P6，其具有較高的性能、每個引腳都設(shè)置有單獨的配置頻率、具有映射功能等。射頻單元選用SEMTECH 公司SX1278 芯片，其可以借助UART 實現(xiàn)與微處理器通信。

工作人員可以通過控制S1、S2、S3按鍵實現(xiàn)對刮板輸送機下達指令，并且在芯片外圍設(shè)置了七個GPIO 口可進行擴展接口，這樣可以便于后期進行裝載機、破碎機以及泵站等設(shè)備的控制。

3.2 無線固定終端硬件

無線固定終端主要包括如下幾個控制單元：電源單元、微處理器單元、LoRa 射頻單元等。通常，射頻模塊接收控制指令之后，微處理器將信號傳輸給KJS101-4 下位機，從而可以對刮板輸送機進行控制，圖3 為微處理器與KJS101-4 的連接電路。

圖3 微處理器與KSJ101-4 連接電路圖

該控制器供電電壓為18 V，相應(yīng)的微處理器供電電壓為3.3 V，因此，需要在微處理器與KJS101-4之間設(shè)置光偶合器TLP627-4GB。從而可以使用LM2596 單片集成穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換成3.3 V，最終可以對微處理器以及SX1278 射頻單元進行供電。

3.3 射頻模塊參數(shù)設(shè)置

裝置手持終端以及相應(yīng)的固定終端LoRa 模塊的參數(shù)設(shè)置相同：芯片空中速率為2.4 kbit/s，其可以和MCU 的通信接口為UART、通信速率9.6 kbit/s射頻芯片共有4 種工作模式，需要借助引腳MO、M1 進行控制。

3.4 無線手持終端低功耗設(shè)計

對于無線手持終端而言，由于供電方式為電池，因此為了能夠延長工作時間將對微處理器以及LoRa射頻單元進行低功耗設(shè)計。

無線手持終端處于等待模式下時，將微處理器工作模式設(shè)置為Stop 模式。在該模式下，1.8 V 供電區(qū)域始終處于停止工作的狀態(tài)。與此同時，相應(yīng)的電壓檢測裝置也處于低能耗狀態(tài)。可是寄存器與SRAM 處于得電狀態(tài)，GPIO 口處于進入前的工作狀態(tài)，并且將引腳映射功能設(shè)置為模擬量輸入GPIO_Analog，僅僅在按鍵輸入處于終端的狀態(tài)下才可以開啟工作。

4 系統(tǒng)軟件

4.1 無線手持終端軟件

圖4 為無線手持終端軟件設(shè)計流程圖。

圖4 手持終端軟件設(shè)計流程圖

手持終端獲得電能后，首先微處理器將會開始對外設(shè)進行相應(yīng)的初始化，由系統(tǒng)開始設(shè)置NVIC 中斷控制器，并且需要對LoRa 射頻單元進行初始化，與此同時微處理器與相應(yīng)的射頻單元開始進入Stop 狀態(tài)以及休眠狀態(tài)。假如發(fā)現(xiàn)按鍵處于按下的狀態(tài)時，那么此刻將會把微處理器調(diào)整為工作狀態(tài)，微處理器將會依據(jù)中斷信號的類別對射頻單元進行信號的傳輸，最終將會等待固定端回應(yīng)信號。

4.2 無線固定終端軟件

圖5 為固定端軟件設(shè)計流程。通過分析發(fā)現(xiàn)無線固定端選用電源的形式進行供電，由于其在接受數(shù)據(jù)的過程中需要保持一定的時效性，因此在固定終端設(shè)置了低能耗與空中喚醒。當其得電后，這時微處理器對各個單元進行初始化。接著當接收到數(shù)據(jù)后，其開始與內(nèi)部控制的字符進行匹配，當匹配成功后，這時可以與無線手持端傳輸信號，與此同時將得到的指令傳給KJS101-4，最終可以可以對刮板輸送機進行控制。

圖5 固定端軟件設(shè)計流程圖

5 測試分析

在對無線手持終端的功耗進行測試時，通常是以電流為參考。在對其進行監(jiān)測的過程中借助萬用表，對手持終端靜態(tài)電流進行測試，而選用示波器對探頭的動態(tài)電流進行監(jiān)測。假如固定端傳輸數(shù)據(jù)的時間設(shè)定為1 s，那么發(fā)送的時間需要5 min，相應(yīng)的發(fā)送電流可以得到124 mA，待機電流為30 μA，經(jīng)過折算需要花費1 h，其平均功耗需要0.443 mAh。

假如天氣良好時，可以在煤礦地面對通信距離以及相應(yīng)的丟包率進行測試。通常在進行測試的過程中可以選用外置吸盤天線，對應(yīng)的增益可以達到5dBi，選擇垂直極化設(shè)置，相應(yīng)的天線高度設(shè)定為2.5 m。通常每包數(shù)據(jù)間隔時間在2 s，能夠發(fā)100 包數(shù)據(jù)，并且每包數(shù)據(jù)可以包含30 字節(jié)，表1 為丟包率統(tǒng)計表。

通過表1 看出，如果丟包率低于5%，那么將其當做有效通信距離，并將裝置設(shè)定在500 m 的范圍內(nèi)。通常對于大型煤礦而言綜采工作面寬度設(shè)定在300 m以內(nèi)，認為該裝置能夠滿足煤礦井工程的需要。

表1 丟包率統(tǒng)計

6 結(jié)語

本文設(shè)計了LoRa 技術(shù)的刮板輸送機無線控制裝置方案，并且介紹了無線手持終端以及對應(yīng)的無線固定終端的軟硬件設(shè)計，最后對功能進行監(jiān)測。通過監(jiān)測結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備可以實現(xiàn)低能耗、數(shù)據(jù)傳輸遠，從而可以有效地解決刮板輸送機運輸物料控制的問題。與此同時，可以借助功能擴展實現(xiàn)對煤礦安全生產(chǎn)的優(yōu)化。