刮板輸送機無線控制裝置的設計

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進行觀察，當發現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 技術為基礎，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對刮板輸送機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

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。并且部分煤礦已經開始將5G 技術應用到煤礦作業中，并且已經得到了明顯效果。不同的技術在相應的工作環節可以發揮其特有的作用，通常具有帶寬高、延時低等優點。但是經過工程實踐發現也存在一些不足，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，其屬于擴頻調制技術。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 為系統示意圖。

圖1 系統示意圖

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。而相應的將無線固定終端設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，最終可以實現對刮板輸送機的控制[3]。

3 系統硬件

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 實現與微處理器通信。

工作人員可以通過控制S1、S2、S3按鍵實現對刮板輸送機下達指令，并且在芯片外圍設置了七個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之間設置光偶合器TLP627-4GB。從而可以使用LM2596 單片集成穩壓器轉換成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 射頻模塊參數設置

裝置手持終端以及相應的固定終端LoRa 模塊的參數設置相同：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置為Stop 模式。在該模式下，1.8 V 供電區域始終處于停止工作的狀態。與此同時，相應的電壓檢測裝置也處于低能耗狀態。可是寄存器與SRAM 處于得電狀態，GPIO 口處于進入前的工作狀態，并且將引腳映射功能設置為模擬量輸入GPIO_Analog，僅僅在按鍵輸入處于終端的狀態下才可以開啟工作。

4 系統軟件

4.1 無線手持終端軟件

圖4 為無線手持終端軟件設計流程圖。

圖4 手持終端軟件設計流程圖

手持終端獲得電能后，首先微處理器將會開始對外設進行相應的初始化，由系統開始設置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的射頻單元開始進入Stop 狀態以及休眠狀態。假如發現按鍵處于按下的狀態時，那么此刻將會把微處理器調整為工作狀態，微處理器將會依據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信號。

4.2 無線固定終端軟件

圖5 為固定端軟件設計流程。通過分析發現無線固定端選用電源的形式進行供電，由于其在接受數據的過程中需要保持一定的時效性，因此在固定終端設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。接著當接收到數據后，其開始與內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。在對其進行監測的過程中借助萬用表，對手持終端靜態電流進行測試，而選用示波器對探頭的動態電流進行監測。假如固定端傳輸數據的時間設定為1 s，那么發送的時間需要5 min，相應的發送電流可以得到124 mA，待機電流為30 μA，經過折算需要花費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，對應的增益可以達到5dBi，選擇垂直極化設置，相應的天線高度設定為2.5 m。通常每包數據間隔時間在2 s，能夠發100 包數據，并且每包數據可以包含30 字節，表1 為丟包率統計表。

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，并將裝置設定在500 m 的范圍內。通常對于大型煤礦而言綜采工作面寬度設定在300 m以內，認為該裝置能夠滿足煤礦井工程的需要。

表1 丟包率統計

6 結語

本文設計了LoRa 技術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的無線固定終端的軟硬件設計，最后對功能進行監測。通過監測結果分析發現，該設備可以實現低能耗、數據傳輸遠，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對煤礦安全生產的優化。