煤礦液壓支架壓力無線監測系統網關的設計

徐嫣涵 蘭西柱 楊勇 王宇 李承軍

摘? 要：煤礦開采中，使用液壓支架對工作面頂板進行支護。當支架承受壓力過大時，易發生倒架、頂板坍塌等事故。為預防此類事故，對液壓支架的壓力監測進行了研究。針對目前壓力監測存在的布線困難、可靠性差等問題，采用ARM主控芯片、LoRa無線技術、工業以太網，設計了無線監測系統網關。此網關無線巡檢壓力監測裝置，通過以太網上報監測數據，可靠有效地監測了液壓壓力。

關鍵詞：液壓支架;壓力監測;LoRa無線技術;工業以太網

中圖分類號：TD67;TN91? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）22-0048-03

Design of Gateway for Wireless Monitoring System of Coal Mine

Hydraulic Support Pressure

XU Yanhan，LAN Xizhu，YANG Yong，WANG Yu，LI Chengjun

（School of Mechanical Electronic & Information Engineering，China University of Mining and Technology-Beijing，Beijing? 100083，China）

Abstract：In coal mining，hydraulic support is used to support the roof of working face. When the support is under too much pressure，it is prone to accidents such as frame collapse and roof collapse. In order to prevent such accidents，the pressure monitoring of hydraulic support is studied. Aiming at the current pressure monitoring problems such as wiring difficulties and poor reliability，the ARM master chip，LoRa wireless technology，and industrial Ethernet are used to design a wireless monitoring system gateway. The gateway wireless inspection pressure monitoring device reports monitoring data through Ethernet，which can reliably and effectively monitor the hydraulic pressure.

Keywords：hydraulic support;pressure monitoring;LoRa wireless technology;industrial Ethernet

0? 引? 言

由于我國能源呈現出貧油、少氣、多煤的結構，煤炭一直在我國能源資源中占據著重要地位。液壓支架在煤礦開采過程中對工作面頂板起到支護作用，承載了來自礦山的壓力，隔離出采空區，保證回采工作面和推進輸送機的正常工作。但液壓支架有可能出現支架失穩、部件損壞、油缸與管路泄露等故障，液壓支架失穩發生的概率超過60%。支架失穩主要是由受力不均、礦壓過大等原因引起。液壓支架承受礦山來壓時有初撐力和工作阻力，這兩個力直接反映了支架對頂板的支護情況，因此，對液壓支架進行壓力監測具有實際意義。

現有的液壓支架壓力監測多采用有線監測系統，通過RS485總線接收監測裝置采集的壓力數據，并進行分析處理。但我國煤礦井下空間狹小復雜，不利于布線。無線監測既能省去煩瑣的布線工作，也可以提高傳輸效率。但支架立柱本身是金屬的，對電磁波而言是良導體，電磁波在良導體中衰減極快，這給巷道內的無線傳輸帶來了困難。目前常用于井下監測的ZigBee無線技術抗干擾性較差，Semtech公司的LoRa無線技術是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，在同等功耗下比其他無線方式傳播得更遠。LoRa無線技術傳輸數據更可靠，抗干擾性更強。作者將ARM處理器和LoRa無線技術結合起來，設計一種可靠性高的復合型LoRa網關，實時監測液壓支架對頂板的兩個壓力，對預防綜采工作面支護事故的發生具有重要的意義。

1? 網關的功能需求

網關在系統中負責接收壓力監測裝置采集的壓力數據，顯示并上報至上位機。目前井下多采用掩護式液壓支架，每臺液壓支架有兩個立柱，監測裝置的壓力傳感器分別內嵌于兩個立柱的液壓缸中，監測液壓的初撐力和工作阻力。網關需對所有液壓支架的壓力監測裝置進行巡檢，實時獲得壓力數據并上報至總控調度室。網關應具有以下功能要求。

1.1? 無線巡檢

網關從壓力監測裝置接收壓力數據。壓力監測裝置為電池供電，為了節省電池電量消耗，壓力監測裝置處于休眠狀態，網關應具有無線喚醒壓力監測裝置的功能，并對壓力監測裝置進行無線巡檢。

1.2? 數據處理

數據處理主要是網關將接收到的壓力值與預設報警閾值進行比較，超出或低于范圍值則啟動聲光報警，并顯示報警來源，即壓力監測裝置地址。

1.3? 數據上報

網關按巡檢周期無線采集數據，根據自定義的用戶協議上報，采用工業以太網和CAN模塊兩種接入方式傳輸。

1.4? 數據存儲

數據存儲采用Flash和EEROM存儲芯片。EEROM存儲芯片用來存儲液網關設置的參數，Flash存儲芯片則是用來存儲因以太網傳輸故障，導致上報失敗的本地存儲，一旦網絡恢復，再次上報數據，防止監測數據的丟失。

1.5? 參數設置

液壓支架對工作面頂板進行支護時主要有初撐力和工作阻力。網關需要設置上述兩個力的正常閾值并存入EEROM存儲芯片中，便于判斷壓力是否正常。同時需要設置本機裝置地址和無線通信參數。

1.6? 數據顯示

數據顯示采用128×64液晶屏，主要用來顯示超過或低于預設閾值的壓力數值及其所在位置，即出現問題的壓力監測裝置的地址。

2? 系統總體設計及系統網關硬件設計

2.1? 系統總體設計

煤礦液壓支架壓力無線監測系統由壓力監測裝置、網關、上位機組成。壓力監測裝置中的傳感器通過無線通信將壓力數據傳輸至網關，與預設的報警值比較，判斷壓力是否異常，壓力超限則發出聲光報警，同時通過以太網/CAN模塊上報至上位機，如上報失敗，數據記錄本地儲存。上位機負責接收壓力無線監測系統網關的數據，具有數據顯示、歷史查詢、故障判斷等功能，對液壓支架的壓力趨勢做出預警預判。煤礦液壓支架壓力無線監測系統總體網絡拓撲圖如圖1所示。

2.2? 系統網關的硬件設計

網關硬件結構框圖如圖2所示。

根據功能需求分析，設計的網關由ARM主控芯片、LoRa無線模塊、Flash/EEROM存儲芯片、CAN模塊及以太網控制芯片等組成。蜂鳴器和LED燈作為壓力異常時的聲光報警裝置，按鍵用于參數設置，液晶屏顯示報警來源。

網關的硬件選型，依據網關的總體框架結構，結合功能需求說明，從性能和實用性上對各硬件芯片進行了綜合考量，選擇出以下幾款硬件。

2.2.1? ARM主控芯片LPC1768FBD100

ARM主控芯片選用的恩智浦公司研制的LPC1768FBD 100芯片，主頻可達到100 MHz。其外設組件包含以太網MAC、4個UART接口、2條CAN模塊通道、SPI接口、3個I2C接口、4個通用定時器和70個通用I/O管腳等。

2.2.2? LoRa無線模塊

LoRa無線模塊采用廣州致遠電子有限公司的工業級ZM470SX-M系列無線模塊。相比傳統調制技術，此模塊通過調整擴頻因子（數值為6～12）、帶寬調制及糾錯率等變量，解決了無法同時兼顧距離、抗干擾性的問題。

2.2.3? 以太網控制芯片

以太網控制芯片選用的是TI公司研發的DP83848J，提供小型6 mm×6 mm WQFN40針封裝，供電電壓為3.3 V，支持10/100 Mbps的傳輸速率，支持IEEE 802.3協議。ARM主控芯片LPC1768FBD100內含以太網MAC，通過MII或RMII接口可與DP83848J連接。

2.2.4? CAN模塊

CAN模塊選用的是廣州致遠電子有限公司研發的CTM 8251KAT模塊，具有較低電磁輻射和較高抗電磁干擾性。此模塊采用3.3 V供電電壓，單網絡最多可連接110個節點，傳輸波特率5 kbps～1 Mbps。

2.2.5? Flash存儲芯片

Flash存儲芯片選用的是Winbond公司研發的W25Q32 BV SSIP芯片，支持標準串行外圍接口（SPI），共32 Mbit

（4 MB）最多可以一次256字節編程。

3? 網關協議設計及軟件設計

3.1? 網關協議設計

網關，又稱為協議轉換器。作者設計的系統中，網關負責接收壓力監測裝置采集的壓力數據，進行數據處理后，打包發送至工業以太網，實現壓力數據的傳輸，因此需要特別定制傳輸協議。TCP/IP協議分為四層，本軟件設計主要針對傳輸層協議，TCP與UDP是基于網絡協議IP協議的兩種傳輸層協議，TCP協議可保證數據收發的可靠性，丟包數據會自動重發，所以本設計采用TCP協議。

LPC1768FBD100內置了MAC層的處理能力。考慮到RMII接口引腳使用少，頻率高;MII接口引腳使用多，頻率低，本次設計中使用RMII接口與PHY通信。

網關將接收到的壓力數據通過工業以太網/CAN模塊的方式，上報至上位機，上報失敗時數據將存儲到Flash存儲芯片中，網絡恢復后再次上報。根據IEEE 802.3協議，以太網采用載波偵聽多路訪問/沖突監測（CSMA/CD）的方式進行數據幀傳輸。在發送數據幀之前，首先進行偵聽，如果線路空閑，則立即發送數據幀;如果線路繁忙，則停止發送，隨機等待一定時間后再重復偵聽。

壓力監測裝置主要有兩個采集點，分別位于掩護式液壓支架的兩個立柱的液壓缸內。

網關上報數據幀數據格式如表1所示。

網關無線巡檢命令幀格式，如表2所示。網關無線巡檢返回數據幀格式，如表3所示。

3.2? 軟件設計

軟件設計采用模塊化的設計思路，根據各模塊所需實現的功能進行編程，進而完成整個系統網關的軟件開發。這種設計方案有利于軟件的升級、維護以及后期模塊的更換和移植。主程序流程圖如圖3所示，無線巡檢流程圖如圖4所示。

4? 結? 論

針對煤礦井下液壓支架壓力無線監測系統網關的功能需求，本文采用LPC1768FBD100 ARM主控芯片、ZM470SX- M LoRa無線模塊、以太網控制芯片DP83848J等硬件，對網關進行了硬件電路設計，制定了傳輸協議，并進行軟件編程設計。以LoRa無線技術+工業以太網的數據傳輸方式，完成了無線巡檢接收、處理、存儲、上報壓力數據的功能，實現了對液壓支架初撐力和工作阻力的實時監測，提高了傳輸可靠性和數據準確度，解決了現有井下液壓支架壓力監測系統布線困難、可靠性差的問題，具有較高的實際應用價值。

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作者簡介：徐嫣涵（1994—），女，漢族，貴州貴陽人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統開發與設計;蘭西柱（1966—），男，漢族，安徽亳州人，副教授，碩士研究生，主要研究方向：計算機監控與通信、嵌入式系統應用;楊勇（1996—），男，漢族，江蘇南京人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統開發與設計;王宇（1997—），男，漢族，安徽合肥人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統開發與設計;李承軍（1995—），男，漢族，山東青島人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統開發與設計。