礦用無線雷達物位傳感器設計

李繼來

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州　213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州　213015)

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礦用無線雷達物位傳感器設計

李繼來1,2

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州213015)

摘要：針對目前煤倉煤位監測系統中的雷達物位傳感器存在的設置、維護、布線困難，維護成本高等問題，設計了一種礦用無線雷達物位傳感器。該傳感器采用集成無線射頻模塊的ESP8266單片機作為核心處理模塊、雷達探頭作為傳感單元，能夠在WiFi網絡覆蓋的環境中接入WiFi網絡，在沒有WiFi網絡覆蓋的環境中作為無線接入點來建立WiFi網絡，建立Web服務與移動設備通信，以進行數據傳輸與傳感器配置，還可通過RS485總線與現有煤倉煤位監測系統的礦用信息采集站連接，應用靈活。

關鍵詞：煤倉煤位監測； 雷達物位傳感器； 無線監測； WiFi網絡

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1455.002.html

0引言

在現代礦井建設中，以帶式輸送機為主要運輸方式的礦井通常會在帶式輸送機轉運位置建設煤倉，利用煤倉實現煤流運輸線運力的合理配置。在煤倉投入使用后，可能會出現冒倉及空倉情況，需要對煤倉煤位進行監測，以達到安全、高效生產的目的。目前市場上有多種可用于煤倉煤位監測的設備，如超聲波式物位傳感器、重錘式物位傳感器、電容式煤位檢測系統[1]、雷達物位傳感器等。其中礦用雷達物位傳感器采用26 GHz電磁波，通過計算探頭發射與接收電磁波的時間差來實現煤位高度測量[2]。

現有的基于雷達測量的煤倉煤位監測系統由雷達物位傳感器、礦用信息采集站及網絡接入設備組成[3]。煤倉現場布置雷達物位傳感器與礦用信息采集站，礦用信息采集站將雷達物位傳感器采集到的數據傳輸至地面調度室或帶式輸送機控制系統。在實際應用中，雷達物位傳感器需安裝于煤倉頂部。受限于現場空間(尤其是地面煤倉)，工作人員對雷達物位傳感器的設置與維護十分困難。同時，采用有線方式實現雷達物位傳感器的遠程通信存在現場布線困難及建設、維護成本高等問題。對此，筆者設計了一種礦用無線雷達物位傳感器，進一步優化了煤倉物位傳感器的設計。

1基于礦用無線雷達物位傳感器的煤倉煤位監測系統

綜合考慮產品與現有煤倉煤位監測系統的兼容性及成本，采用WiFi技術設計了礦用無線雷達物位傳感器。基于該礦用無線雷達物位傳感器的煤倉煤位監測系統如圖1所示。針對傳統煤倉煤位監測系統，礦用無線雷達物位傳感器通過RS485總線與礦用信息采集站通信，進一步接入以太網，將數據傳送至遠端服務器，實現遠程數據采集與展示。同時，礦用無線雷達物位傳感器可通過無線AP(Access Point，接入點)接入以太網，將采集數據傳送至遠端服務器。移動設備或計算機對現場礦用無線雷達物位傳感器有2種訪問方式：當移動設備或計算機在礦用無線雷達物位傳感器WiFi信號覆蓋范圍內時，可直接通過WiFi網絡連接礦用無線雷達物位傳感器來獲取數據；當移動設備或計算機在礦用無線雷達物位傳感器WiFi信號覆蓋范圍外時，可通過以太網直接訪問礦用無線雷達物位傳感器。

圖1　基于礦用無線雷達物位傳感器的煤倉煤位監測系統

2礦用無線雷達物位傳感器硬件設計

礦用無線雷達物位傳感器由電源模塊、雷達探頭、ESP8266核心處理模塊、RS485通信模塊組成，如圖2所示。

圖2　礦用無線雷達物位傳感器組成

2.1電源模塊

電源模塊負責為礦用無線雷達物位傳感器供電。電源模塊通過AC/DC電路將AC127/380 V電壓轉換為DC24 V,為雷達探頭供電。同時，DC24 V通過DC/DC電路轉換為DC5 V，為ESP8266核心處理模塊及RS485通信模塊供電。

2.2雷達探頭

雷達探頭采用K波段26 GHz微波作為測距波。測距波由雷達探頭發射天線發射后，遇到障礙物再反射至雷達探頭，由雷達探頭接收天線接收。通過計算測距波的發射與接收時間差，即可確定雷達探頭與障礙物之間的距離。

雷達探頭在實際使用中，其輸出數據中會混有噪聲，主要包括系統噪聲及電磁干擾，以隨機噪聲為主。可采用噪聲閾值處理及均值濾波技術對雷達探頭返回的測量數據進行處理，從而獲取較準確的數據[2]。

2.3ESP8266核心處理模塊

目前工業現場采用的無線傳感器通常由傳感探頭、核心處理單元、無線收發器、電源、通信接口等構成，如參考文獻[4]中的無線溫濕度傳感器。該傳感器由DHT11溫濕度傳感器、STM32單片機實現數據采集與處理，通過STM32單片機的USART通信口將數據發送到無線收發器，實現與移動設備的通信。該種設計方案會增加傳感器功耗。針對該問題，本文采用ESP8266作為礦用無線雷達物位傳感器的核心處理器。

ESP8266是一款帶有WiFi硬件模塊的單片機，其以Cadence Tensilica Xtensa LX106為核心，片上具有GPIO、SPI、PWM、UART、I2C等接口，內部集成了2.4 GHz LNA(Low Noise Amplifier，低噪聲放大器)及射頻電路，只需很少的外圍電路即可實現具有WiFi通信功能的智能設備設計。ESP8266具有低功耗工作模式，能夠在低功耗與高性能之間任意切換，具有睡眠功能、自適應無線電偏置及自適應消除藍牙、蜂窩射頻干擾等功能[5]。

采用ESP8266設計礦用無線雷達物位傳感器時，通過ESP8266的UART1接口與RS485通信模塊連接，可直接與雷達探頭通信，從而獲取雷達探頭數據；當礦用無線雷達物位傳感器工作于無線模式時，移動設備可直接通過WiFi網絡與傳感器通信。考慮到與現有煤倉煤位監測系統的兼容性，可通過ESP8266的UART2接口連接RS485通信模塊，與礦用信息采集站通信，將雷達探頭數據發送至遠程監控中心。

3礦用無線雷達物位傳感器軟件設計

礦用無線雷達物位傳感器軟件主要包括底層操作系統、數據采集及處理程序、輕量級Web服務程序、RS485通信程序。考慮到傳感器的穩定性及兼容性，采用開源FreeRTOS作為軟件的底層操作系統。

FreeRTOS為輕量級實時操作系統，具有任務調度、系統調度時間管理、信號量與消息隊列管理、內存管理等常規功能。本文在FreeRTOS上開數據采集與處理、Web服務、RS485通信這3個任務，3個任務的優先級相同，在FreeRTOS內核的調度下同步運行。礦用無線雷達物位傳感器軟件架構如圖3所示。

圖3　礦用無線雷達物位傳感器軟件架構

在系統初始化中，將ESP8266配置為Station AP模式，此時ESP8266有2種工作模式：在有WiFi網絡覆蓋的環境中，ESP8266可工作在WiFi網絡設備模式(Station)下，通過WiFi AP接入WiFi網絡；在沒有WiFi網絡覆蓋的環境中，ESP8266本身可作為AP工作，在局部搭建WiFi網絡，此時移動設備作為網絡設備，可直接連接ESP8266進行信息交互。將ESP8266配置為Station AP工作模式的方法：直接調用ESP8266生產廠商提供的SDK中的wifi_set_opmode(STATIONAP_MODE)函數。

RS485通信任務即通過ESP8266的UART1接口將設置命令發送至雷達探頭，通過UART2接口與礦用信息采集站通信，接收巡檢命令、設置參數及傳輸數據。

Web服務程序流程如圖4所示。Web服務程序僅提供礦用無線雷達物位傳感器參數設置及數據獲取2種服務。移動設備可通過WiFi網絡發出POST指令設置傳感器參數，或發出GET指令獲取傳感器數據。

圖4　Web服務程序流程

雷達探頭采集到的數據經過均值濾波器與閾值濾波器處理后可認為是有效數據[2]。這些數據需通過Web服務任務及RS485通信任務與外部設備交互。礦用無線雷達物位傳感器中，這3個任務的優先級相同，在3個任務之間進行數據交互的同時，還需要考慮傳感器整體的穩定性與安全性，因此，采用FreeRTOS隊列將數據在3個任務之間交互。在系統初始化時，建立一個xQueueHandle類型的隊列，隊列深度為5級。3個任務采用阻塞訪問方式對該隊列進行操作，保障程序運行過程中數據的安全性。

4結語

適用于井下、地面煤倉煤位監測的礦用無線雷達物位傳感器不僅能夠通過有線方式與礦用信息采集站通信，組成煤倉煤位監測系統，還具有以下優點：① 在具有無線WiFi覆蓋的環境下，可接入WiFi網絡，實現遠程數據交互與參數設置；② 在沒有無線WiFi覆蓋的環境下，能夠作為AP建立網絡，移動設備可登錄傳感器設備，實現數據交互與參數設置；③ 采用WiFi無線通信方式，減少了布線，降低了成本；④ 對于地面及井下煤倉等人員不方便到達的現場，可在WiFi網絡覆蓋范圍內使用移動設備對礦用無線雷達物位傳感器進行配置與維護。

參考文獻：

[1]辛元芳,周孟然.井下煤倉煤位檢測方法綜述[J].煤礦機械,2013,34(5):13-15.

[2]葉錦嬌.礦用雷達物位監控裝置研究[J].工礦自動化,2015,41(9):5-7.

[3]趙瑞鋒.基于組態軟件的煤倉煤位監測系統[J].黑龍江科技信息,2013(34):140-140.

[4]劉軍良.WiFi技術在溫濕度遠程監測系統中的應用[J].自動化儀表,2014(6):79-82.

[5]紀亞萍.基于WiFi SoC的物聯網平臺設計[D].蘭州：蘭州大學，2015.

Design of mine-used wireless radar material level sensor

LI Jilai1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;2.Tiandi(Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)

Abstract:For problems of difficult setting, maintenance and wiring and high maintenance cost of radar material level sensor in existing coal bunker material level monitoring system, a mine-used wireless radar material level sensor was designed. The sensor takes ESP8266 single chip microcomputer with a wireless radio frequency module as a core processor and a radar sensor as sensing unit. In an environment with WiFi network coverage, the sensor can be directly connected to the WiFi network. In an environment without WiFi network coverage, the sensor can be used as a wireless access point to establish a WiFi network. The sensor can provide web services to communicate with mobile devices for data transmission and sensor configuration. Meanwhile, the sensor can access mine-used information collection station in existing coal bunker material level monitoring system with a flexible application.

Key words:coal bunker material level monitoring; radar material level sensor; wireless monitoring; WiFi network

文章編號：1671-251X(2016)07-0005-03

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.002

收稿日期：2016-03-20；修回日期：2016-05-26；責任編輯：李明。

基金項目：天地科技技術創新基金資助項目(KJ-2015-CZGF-01)。

作者簡介：李繼來(1978-)，男，安徽淮南人，助理研究員，碩士，主要從事煤礦自動化方面的研發工作，E-mail：lijilai2005@163.com。

中圖分類號：TD67

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-07-05 14:55

李繼來.礦用無線雷達物位傳感器設計[J].工礦自動化，2016,42(7)：5-7.