電液控制系統(tǒng)無線遙控器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：為提高井下液壓支架操作的安全性、便利性以及煤礦智能化開采水平，本文以無線遙控技術(shù)為研究目標(biāo)，采用無線遙控技術(shù)，設(shè)計(jì)研發(fā)了用于支架電液控制器控制的無線遙控器。該遙控系統(tǒng)中遙控器由ZigBee通信電路、按鍵采集電路、OLED顯示和電池設(shè)備充電及管理幾部分組成，可以準(zhǔn)確發(fā)送信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的無線遙控器能夠?qū)σ簤褐Ъ茈娨嚎仄鬟M(jìn)行無線控制。

關(guān)鍵詞：無線遙控；通信電路；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TD 35" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，煤炭成為重要的能源。為了保證工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ畹挠妹毫?，各大煤礦都需要高效的連續(xù)作業(yè)，保證煤炭開采量和供應(yīng)量的穩(wěn)定性[1]。

電液控制系統(tǒng)是液壓支架提高移架速度的最有效的技術(shù)途徑，是實(shí)現(xiàn)煤礦開采高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)，支架電液控制系統(tǒng)是煤礦采煤工作面生產(chǎn)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。遙控系統(tǒng)是針對(duì)煤礦開采過程，加強(qiáng)生產(chǎn)過程及人員安全，提高安全水平和減災(zāi)施救能力開發(fā)研究的技術(shù)保證措施，可以減少井下作業(yè)人員、縮短信息傳遞時(shí)間、對(duì)人員及移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行定位、緊急情況避險(xiǎn)、改善井下作業(yè)環(huán)境等[2]。

隨著無線遙控技術(shù)的推廣應(yīng)用，為液壓支架電液控制系統(tǒng)的控制方式改進(jìn)提供了有利條件。本文研究的無線遙控器，采用ZigBee技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)井下液壓支架無線遙控控制，簡化了支架的操作方式，提高了液壓支架控制系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1 無線遙控技術(shù)

受特殊的工作條件限制，煤礦井下的安全問題是影響煤礦作業(yè)效率的關(guān)鍵。因此，為了保障煤礦井下的安全，必須建立有效、穩(wěn)定、靈活的通信機(jī)制，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)地調(diào)整人機(jī)物的空間布局、下達(dá)合理的指令、應(yīng)對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的意外風(fēng)險(xiǎn)[3]。

無線遙控技術(shù)是通過發(fā)射機(jī)對(duì)控制的電信號(hào)進(jìn)行編碼，然后轉(zhuǎn)換成無線電波發(fā)送出去的技術(shù)。無線遙控系統(tǒng)配套的無線接收器收到無線信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，解碼得到原控制信號(hào)，將該信號(hào)功率放大后驅(qū)動(dòng)相關(guān)的元器件，可以無線遙控支架。

2 液壓支架無線遙控控制方式

液壓支架控制方式由電液控制改為電液控制＋無線遙控控制方式。工作面電液控制系統(tǒng)中的每個(gè)支架控制器都要安裝一個(gè)遙控器接收器，用于接收信號(hào)，解碼后報(bào)送至支架控制器。

無線遙控操作方式：操作者通過遙控器進(jìn)行選架，并發(fā)出單動(dòng)作、成組動(dòng)作及自動(dòng)動(dòng)作指令，遙控器接收器收到選架命令及動(dòng)作指令后解析信息并發(fā)送至支架控制器，由控制器對(duì)指令進(jìn)行解析并輸出動(dòng)作信號(hào)，使控制信號(hào)高效快速響應(yīng)。遙控器攜帶方便，便于操作，操作者可在安全區(qū)域走動(dòng)，遠(yuǎn)離動(dòng)作支架的同時(shí)保障了人身安全。液壓支架無線遙控控制系統(tǒng)如圖1所示。

3 無線遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 無線信號(hào)選擇

無線遙控系統(tǒng)按傳輸控制指令信號(hào)的載體分為超聲波遙控、無線電遙控、紅外線遙控等多種技術(shù)超聲波遙控易受外界雜音干擾，且超聲波穿透力差，距離有限。藍(lán)牙技術(shù)功耗多，距離近、組網(wǎng)規(guī)模小，因此該技術(shù)無法應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。紅外線遙控常用的載波頻率為38kHz，用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式，且中間不能有障礙物，因此不應(yīng)首選紅外技術(shù)。

ZigBee技術(shù)具有功耗和成本低、速率慢、距離近、時(shí)延短、容量大以及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，滿足煤礦井下開采需求。煤礦井下工作面電液控制系統(tǒng)的無線遙控器控制信號(hào)數(shù)據(jù)量并不大，因此可選用2.4GHz頻段做為系統(tǒng)無線通信物理平臺(tái)，滿足數(shù)據(jù)吞吐量。同時(shí)保留紅外信號(hào)，將其作為冗余無線信號(hào)。

3.2 芯片選擇

無線遙控器選用STM32F103VBT6微控制器作為核心芯片，該芯片為增強(qiáng)型，集成了微控制器和RF收發(fā)功能的芯片，具有高性能、功耗少特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的算法和數(shù)據(jù)數(shù)量，并具備豐富的外設(shè)接口，方便與外部設(shè)備進(jìn)行連接。

無線收發(fā)芯片選用CC2530F256RHAT單片機(jī)，該芯片具有2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，適用于符合全球無線電頻率的系統(tǒng)，芯片內(nèi)部集成了調(diào)制和解調(diào)電路，接收靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、低功率、可編程、外圍組件少。遙控器選用選用錳酸鋰鋰離子蓄電池，額定電壓為3.7V。

選用BQ25616芯片作為電池充放電管理芯片，該芯片具有較高的集成度和靈活性，高效的充電管理功能和多種保護(hù)功能，可以為遙控器提供可靠、安全的電源管理解決方案。

3.3 無線遙控器硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 硬件電路板設(shè)計(jì)

無線遙控器選用STM32F103VBT6作為核心CPU，由ZigBee通信電路、按鍵采集電路、OLED顯示和電池設(shè)備充電及管理組成，如圖2所示。

充放電管理電路：遙控器選用錳酸鋰鋰離子蓄電池，額定電壓3.7V。遙控器充滿電可待機(jī)時(shí)間為12h，且連續(xù)工作時(shí)間2h無欠壓關(guān)機(jī)，電源管理電路選用BQ25616芯片。

BQ25616芯片的VAC管腳和VBUS管腳連接P2接口為蓄電池充電，同時(shí)將該接口設(shè)定為程序下載器接口，可直接連接JLINK進(jìn)行程序更新，遙控器電源接口充電管理，同時(shí)也是程序下載接口，該復(fù)用功能便于設(shè)備操作及應(yīng)用。

該芯片通電后，在無須軟件控制情況下，可以啟動(dòng)并完成一個(gè)充電周期。通過預(yù)調(diào)、恒流、恒壓3個(gè)階段完成蓄電池BT1充電，充電周期結(jié)束時(shí)，當(dāng)充電電流低于設(shè)定的上限，電池電壓高于充電閾值時(shí)，充電器會(huì)自動(dòng)停止充電。當(dāng)電池充滿后，小于充電閾值時(shí)，充電器會(huì)自動(dòng)重新開始充電。

系統(tǒng)電壓通過穩(wěn)壓及升壓轉(zhuǎn)換輸出3.3V DC和5V DC，分別為鍵盤電路板、顯示屏、存儲(chǔ)器供電。隨著系統(tǒng)負(fù)載持續(xù)增加，電池開始放電，滿足系統(tǒng)電源需求。

BQ25616芯片上VAC（管腳1）和VBUS（管腳24）連接P2接口，該接口為電池充電接口，遙控器P2接口通過適配器連接至220V交流電時(shí)，實(shí)現(xiàn)VAC（管腳1）感應(yīng)輸入電壓，進(jìn)行蓄電池充電。VBUS開關(guān)管不停地“通”和“斷”，對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，實(shí)現(xiàn)DCAC、DCDC電壓變換以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓。該芯片可進(jìn)行3階段升壓模式充電，VEST（管腳12）設(shè)定默認(rèn)電池充電電壓，ILIM（管腳8）、ICHG（管腳10）通過電阻接地，CE（管腳9）接地，進(jìn)行低電平時(shí)電池充電，電路充電時(shí)限制輸入電流為500mA～3200mA。OTG（管腳6）為使能管腳，當(dāng)引腳為HIGH時(shí)，升壓模式啟動(dòng)。當(dāng)遙控器開機(jī)且蓄電池提供電源可正常工作時(shí)，PG（管腳7）通過3.3kΩ電阻及LED0連接至系統(tǒng)，LED0燈亮，指示系統(tǒng)正常工作。BTST（管腳21）和SW（管腳19.20）與SYS通過電容、電感連接，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源輸出。

該電路可為電池充電和系統(tǒng)運(yùn)行提供安全的環(huán)境，其具有電池負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻監(jiān)測功能和故障報(bào)警提示功能。TS（管腳11）連接負(fù)溫度熱敏電阻，當(dāng)電壓值超出范圍時(shí)，暫停充電和升壓模式。BAT（管腳13、14）連接蓄電池，當(dāng)電池電壓低時(shí)，會(huì)低電壓報(bào)警。STAT（管腳5）通過2kΩ電阻連接至led4，充電時(shí)，led4燈亮指示充電中。出現(xiàn)任何故障狀態(tài)時(shí)，led4燈1Hz閃爍。電路板電源及充放電管理電路如圖3所示。

控制信號(hào)采集電路：無線遙控器控制信號(hào)采集主要是指按鍵信號(hào)采集。按鍵電路具有18個(gè)按鍵以及6個(gè)LED燈。遙控器18個(gè)按鍵設(shè)計(jì)為6行、3列矩陣式排布，通過對(duì)按鍵高地電平掃描檢測確定按鍵按下。按鍵電路采用瞬態(tài)抑制二極管PESD5V0L6U，具有單向通道、雙向通道電壓擊穿、電流峰值脈沖和電源線路保護(hù)等特征，可以有效避免按鍵按下時(shí)的靜電電壓，對(duì)遙控器起到電路保護(hù)作用。遙控器前面板上的LED燈，具備電源顯示，充電、報(bào)警提示，信號(hào)發(fā)送指示及按鍵按下指示功能，它是遙控器對(duì)目前操作狀態(tài)的實(shí)時(shí)反饋，便于操作者了解遙控器目前狀態(tài)。

ZigBee通信設(shè)計(jì)：遙控器發(fā)射器由指令鍵、指令編碼電路、調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射電路等部分組成。指令編碼電路產(chǎn)生指令編碼信號(hào)，編碼指令信號(hào)對(duì)載體進(jìn)行調(diào)制，再由驅(qū)動(dòng)電路放大功率后，由發(fā)射電路向外發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的指令編碼信號(hào)。接收器由信號(hào)接收電路、放大電路、解調(diào)電路、指令譯碼電路組成。接收發(fā)射器發(fā)射的已調(diào)制的編碼指令，經(jīng)過放大、解調(diào)后發(fā)送給控制器，由控制器發(fā)出動(dòng)作指令，完成液壓支架無線遙控控制。

本文選用CC2530F256RHAT單片機(jī)，該芯片具有2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器，適用于符合全球無線電頻率的系統(tǒng)。

單片機(jī)接收CPU發(fā)來的控制指令，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻2.4G射頻信號(hào)完成控制指令調(diào)制，通過RF_P和RF_N管腳進(jìn)行濾波，通過天線將無線信號(hào)發(fā)射到空中。2.4G傳輸距離較短，目前遙控器有效傳輸距離為0～9m（無遮擋），可以滿足井下工作面的應(yīng)用需求。

無線發(fā)射模塊和接收模塊要配對(duì)使用，且工作頻率一致，遙控器接收器接收到無線射頻信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，解碼為原始數(shù)據(jù)后，發(fā)送至控制器，完成遙控器對(duì)控制器的操作。

3.3.2 無線遙控器外殼設(shè)計(jì)

為便于井下工作攜帶，需要對(duì)產(chǎn)品外殼進(jìn)行簡便設(shè)計(jì)，簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

無線遙控器具備2.8寸顯示屏，質(zhì)量為1.135kg，整體尺寸為224.9mm×104.9mm×30mm（長×寬×高）。

產(chǎn)品外殼及下殼選用阻燃ABS工程塑料，使整體輕便易于攜帶。前面板采用304不銹鋼材質(zhì)，該設(shè)計(jì)能夠保護(hù)內(nèi)部元器件。無線遙控器頂上有一個(gè)通用接口，既可以當(dāng)作電源插口充電，也可以用于程序下載。

3.4 無線遙控器軟件設(shè)計(jì)

無線遙控器軟件主要包括對(duì)射頻單元的控制程序、PPM／PCM編碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換等部分。

3.4.1 多對(duì)多的主從式通信結(jié)構(gòu)

基于電液控的綜采工作面每個(gè)支架安裝一臺(tái)控制器，控制器之間串聯(lián)形成工業(yè)現(xiàn)場總線，并成為控制系統(tǒng)，將每個(gè)控制器作為控制入口，主動(dòng)發(fā)出命令?？刂破骺山邮者b控信號(hào)。在工作面使用多個(gè)遙控器，不僅可以擴(kuò)展控制入口，還可以形成多主多從通信結(jié)構(gòu)。

遙控器與控制器之間的多次握手機(jī)制：由遙控器發(fā)起連接請求，控制器相應(yīng)連接請求，遙控器發(fā)送加密確認(rèn)，控制器相應(yīng)加密確認(rèn)回復(fù)，經(jīng)控制器兩輪確認(rèn)，確保被控控制器確定且唯一。

3.4.2 異步方式的狀態(tài)管理

本文設(shè)計(jì)了遙控器與控制器之間的異步狀態(tài)管理機(jī)制，遙控器與控制器之間進(jìn)行持續(xù)通信，可以消除異步狀態(tài)，并保持遙控器和被控遙控器狀態(tài)一致?？刂瞥绦蚩刂浦麄€(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

4 無線遙控系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

遙控器充電及程序下載采用統(tǒng)一接口，減少硬件外設(shè)，操作簡單方便，

遙控器充放電線路可在無軟件作用下自動(dòng)完成充電功能。無線遙控器采用2.4G無線信號(hào)及紅外信號(hào)，雙通信備份保證信號(hào)的有效性。遙控器外殼采用不銹鋼和ABS工程塑料，保證產(chǎn)品的抗砸性能和輕便性。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用STM32單片機(jī)STM32F103VBT6作為控制和編譯碼單元，并將CC2530F256RHAT射頻芯片作為射頻單元相配合設(shè)計(jì)得到的一種新的2.4 GHz無線遙控系統(tǒng)，其不僅具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且發(fā)射功率小、功耗少、發(fā)射距離遠(yuǎn)。與傳統(tǒng)無線遙控系統(tǒng)相比，具有響應(yīng)速度快、精度高和不抖舵的特點(diǎn)。遠(yuǎn)距離操作支架控制器，不僅改善了工人對(duì)支架的操作方式，提高了安全性，還便于查看工作面支架動(dòng)作實(shí)施狀態(tài)，提高了工作效率及生產(chǎn)效能。目前，該無線遙控系統(tǒng)已應(yīng)用于多個(gè)礦區(qū)工作面，應(yīng)用效果良好，實(shí)現(xiàn)了工作面安全操作的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙明， 徐科軍， 倪偉，等. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和通信協(xié)議研究[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2021，26（8）：630-632.

[2] 吳麟.自動(dòng)控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，1990.

[3] 王永才， 趙千川， 鄭大鐘. 傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 2022，41（13）：4-8.