淺談藍牙裝置監測采煤機供電設計構想

王 磊

（山西潞安集團潞寧煤業公司，山西 忻州 036000）

1 研究背景

煤礦采煤機械設備是綜合機械、電子、電氣、液壓為一體的綜采工作面復雜采煤系統[1]，在采煤時，系統所處環境惡劣，經常遭受煤塵、瓦斯、潮濕等影響[2]，而且還會承受來自矸石、煤、機械等巨大載荷沖擊，采煤系統很容易受這些外部條件發生故障。若采煤系統出現供電故障，必定影響工作面正常生產，最終致使整個礦井生產癱瘓。為此，如何研發出適用煤礦井下工作面狹窄空間、環境惡劣的監測系統，在多參量傳感器輔助作用下自動監測采煤機供電參數，確保綜采工作面正常生產，這是目前礦井工作面采煤機供電在線監測遇見的難題[3,4]。為了解決礦井面臨的困擾，論文提出基于自供電式藍牙裝置監控采煤機網絡節點供電，在一定程度上提高供電安全性，保障采煤機系統安全、可靠、穩定運行，提升礦井經濟效益。

2 藍牙裝置監測設計思路

隨著技術不斷發展，煤礦現在也在積極變革，正朝著煤礦智能化、自動化、無人化發展，同時也對煤礦采煤機提出了在線監控、無線傳輸、低能耗、自供電等新要求。將目前較為成熟的溫度、壓力、速度、電壓、電流等傳感器數據信息采集技術作為基礎，解決采煤機供電及其他運行參數監測能力弱、信息傳輸效率低下、功耗嚴重等問題，進一步降低監測系統所占空間，提升監測系統綜合性能，達到信息監測的時效性和準確性，提高采煤機供電穩定性和采煤機生產能力，因此，藍牙裝置作為采煤機供電監測系統的優勢就體現了出來，藍牙裝置所占空間小，不需要專用的信息傳輸光纜，所耗能量小，準確度高，基于藍牙裝置監測采煤機設計方案如圖1所示。

圖1 藍牙裝置在線監測采煤機

低功耗壓力和溫度傳感器、控制電路、無線數據傳輸等結構構成藍牙傳感系統，各個結構模塊之間的關系以及監測原理如圖2所示，設計的思路是降低供電節點損耗、電源與負載需求相匹配、供電系統安全穩定運行。電源模塊為整個藍牙監測裝置提供動力[5]，電源模塊結構中有電路調控、納米級收發電器、鋰電池，電路調控負責協調控制收發電器和鋰離子電池用電供應，為整個藍牙裝置供能；信號采集模塊指揮并控制加速度、壓力傳感器和溫度傳感器收集采煤機供電信息，該模塊集成電路功能是整個藍牙裝置監測決定性環節；核心控制單片機是整個藍牙裝置運行的大腦，集分析、處理和判斷一體的功能；無線發射模塊是藍牙裝置根據收集到的信息發送給上位機，是實現與外界交換信息的載體，也是動態數據信息與靜態數據信息交流的一種形式。

圖2 藍牙裝置監測原理

3 裝置監測煤機供電設計

3.1 設計方案

在微弱電量供給下，納米發電機將收集到的能量傳輸至AD/DC轉換端，并由電源管理電路傳輸至下一個環節中進行儲存、管理和分析，經過控制電路作用下，由無線發射結構將有用數據信息傳送至上位機。整個藍牙裝置采集采煤機供電能量系統結構組成和原理如圖3所示。能量采集系統包含納米發電機、管理電路、控制電路和數據采集以及信息發射端[6]，藍牙裝置中的管理電路由轉換器、信息綜合處理器、輸入/輸出電壓管理、功率調控以及備用鋰電池和監測裝置保護模塊。

圖3 藍牙裝置系統能量采集原理

3.2 無線通信

藍牙裝置將采煤機供電監測到的信息傳輸至上位機，其利用的通訊方式是無線WiFi，本質是跳頻傳輸數據信息，可以理解為擴頻通訊，藍牙裝置監測信息通訊替代了礦井傳統的線纜，降低了成本，也為采煤機作業空間提供便利。采用有線傳輸采煤機供電監測信息，一旦發生故障，信息就會被中斷，而無線藍牙裝置可以改變此種狀態，能夠實時保障將采集到的采煤機供電信息傳輸給上位機，時刻監控采煤機供電狀態。一般的無線通訊容易受電磁波干擾，但是藍牙裝置卻克服此缺陷，藍牙裝置具有抗干擾，在煤礦井下工作面采集采煤機供電參數具有明顯的優勢。而且，藍牙裝置無線通訊是以工業環網為基礎傳輸信息，可以有效保護信息的準確性和及時性。藍牙裝置采用5.0高集成電路，具有體積較小，傳輸速度快，非常適合井下采煤機供電信息監測。

3.3 控制電路設計

井下工作面條件十分惡劣，采煤機在工作期間周圍被各種力場和電場干擾，環境相當復雜，要求監測采煤機供電的裝置必須擁有抗干擾能力，這樣才能有效保障采集電路信號不失真，避免外界環境信號數據對供電參數的影響。藍牙裝置控制電路設計以單片機為控制電路，A/D轉換單元、儲存器、其他外圍電路為輔助，相互協作，共同完成對采煤機供電參數監測，并給上位機提供有效數據，例如，藍牙裝置采集供電狀態下采煤機運行壓力如圖4所示。

圖4 藍牙裝置采集采煤機運行壓力

藍牙裝置核心控制電路選擇主控芯片，信號由傳感器收集，通過轉換器將電壓、電流等信號轉換為藍牙裝置控制端數字信號，通過無線通訊傳至上位機。數據信號輸入與采集電路是相互對應的，既可以采用同步電路采集采煤機供電數據，也可以采用異步電路采集供電參數。設計的控制電路是針對采煤機供電在線監測的，傳感器采集的信號為電壓、電流、溫度、加速度、壓力等形式，而輸入給藍牙裝置控制電路需要數字信號，轉換器就在整個裝置系統體現其功能，將參數信息轉換為所需的數字信息，藍牙裝置內部電路體積微弱、重量小，設置的硬件設施簡單、穩定、可靠，而且調控方便，大多數在監測采煤機供電狀態下使用的是多通道的無線通訊。

4 試驗研究

為了驗證藍牙裝置在線監測井下工作面采煤機供電情況，對設計的藍牙裝置進行了試驗，現場采集工作中采煤機供電運行參數如圖5。

為了測試無線通訊效果，采用有線傳輸和無線傳輸，對比二者上傳給上位機的信息，對比發現，在長時間工作下，有線傳輸受機械割傷或者崩斷影響，其是傳輸的信息出現缺失，而藍牙裝置傳輸的信息準確率較高，受環境影響較小。在試驗期間藍牙裝置監測供電節點處信息從未出現過間斷，具有連續性和穩定性，良好的確保了調度中心實時掌握采煤機供電情況，從而也給采煤機提供了足夠動力。

圖5 現場采集工作中采煤機供電運行參數

為了確保傳感器采集性能，對藍牙裝置的傳感器數據采集也進行了實驗，例如，測試了溫度傳感器采集效果。模擬實驗將供電終端節點放置在高溫和低溫箱中，設置不同的溫度，使用藍牙裝置溫度傳感器收集節點溫度變化，溫度現場采集對比實驗如圖6所示。通過溫度實驗對比發現，藍牙裝置溫度傳感器監測的溫度數據誤差較小，均處于合理范圍內，可以認為藍牙裝置信息收集具有可靠性。

圖6 設置溫度現場采集溫度對比

為了驗證藍牙裝置整體性能，分別還對采煤機在供電狀態下的其他參數和供電參數進行了在線監測試驗，試驗表明藍牙采集信息準確，藍牙裝置處理信息快速，受外界干擾較小，滿足礦井采煤機供電信息監測需求，為采煤機持續供電奠定了良好的基礎，提高了礦井生產能力和經濟效益。

5 結 論

為了確保采煤機供電穩定，采用藍牙裝置實時監測采煤機供電參數。通過對藍牙裝置監測采煤機供電設計構想，主要得出以下結論：

1）敘述了利用先進的無線傳輸的藍牙技術，構想了在線監測煤礦井下采煤機供電運行參數新思路。

2）針對采煤機供電監測需求，分別對藍牙裝置監測采煤機供電設計了藍牙裝置的控制電路、無線通訊和技術方案。

3）為了驗證藍牙裝置在線監測井下工作面采煤機供電效果，分別在井下和實驗室對藍牙裝置的采集、處理和傳輸性能進行了測試，試驗表明藍牙裝置監測采煤機供電效果理想，為礦井安全開采奠定了理論基礎。