一種礦用本安型中繼器的研究與設(shè)計(jì)

任 浩， 陳永峰

（晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048006）

引言

頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括三種傳感器，頂板位移傳感器、錨桿（索）應(yīng)力傳感器可安裝于工作面順槽；支架壓力傳感器安裝于工作面支架上。為了保障數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性，井下設(shè)備層傳感器與分站之間采用了有線傳輸方式，且傳感器探頭與主機(jī)采用分體設(shè)計(jì)，有線方式連接。

針對(duì)頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，煤炭科學(xué)研究院在系統(tǒng)中利用CAN 總線和Zigbee 技術(shù)相融合實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)字化[1]；河南能源化工集團(tuán)通過布置數(shù)字壓力計(jì)來動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)支架壓力，判斷礦壓支護(hù)情況[2]；陽煤集團(tuán)采用離層無線監(jiān)測(cè)回采或掘進(jìn)巷道頂板離層量，評(píng)價(jià)圍巖和支護(hù)設(shè)備的穩(wěn)定情況[3]。綜上所述頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已取得較大進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在問題。如：經(jīng)常性的斷電檢修導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸中斷，采集數(shù)據(jù)不連續(xù)；隨著巷道距離延長(zhǎng)、傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，巷道內(nèi)布置電源數(shù)量多，布線多，難以實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)本安供電；傳感器探頭與主機(jī)之間連接電纜損壞，導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，誤值較多；隨傳感器數(shù)量增加，布線繁瑣程度增加。這些問題降低了系統(tǒng)魯棒性，不利于系統(tǒng)推廣應(yīng)用。因此，本文從井下設(shè)備層構(gòu)架、本安設(shè)備設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究。

1 礦用本安型中繼器設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械外殼設(shè)計(jì)

1）外殼防護(hù)等級(jí)：本系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為IP54，在固定場(chǎng)所、巷口等通風(fēng)條件良好、環(huán)境干燥條件下，外殼防護(hù)能滿足使用；但是在潮濕環(huán)境、淋水大等地點(diǎn)，由外殼防護(hù)不夠引起的設(shè)備故障率極高。因此，本文中繼器防護(hù)等級(jí)按照IP65 進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2）外殼材質(zhì)：金屬外殼材質(zhì)，一是整體密封效果不好；二是在銘牌固定上，采用強(qiáng)力膠粘貼不可靠，采用螺絲固定會(huì)影響防水效果；此外，金屬外殼會(huì)屏蔽無線信號(hào)致使天線需引出外殼。本次設(shè)計(jì)選用塑料外殼，選用防靜電防火高強(qiáng)尼龍材質(zhì)，考慮絲印銘牌視覺效果不理想原因，采用螺絲固定金屬銘牌方式，確保固定可靠。由于采用了塑料外殼（見圖1），不需外置天線，測(cè)試無線信號(hào)傳輸穩(wěn)定。

圖1 外殼設(shè)計(jì)實(shí)物

3）按鍵設(shè)計(jì)：充分考慮設(shè)備防水效果，中繼器啟動(dòng)觸發(fā)、參數(shù)設(shè)定等人機(jī)交互設(shè)計(jì)取消采用外置鍵盤。通過光敏觸發(fā)方式查看顯示數(shù)據(jù)，藍(lán)牙無線連接方式設(shè)定參數(shù)；僅設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵開關(guān)，接通或關(guān)斷電池電源供電，起到上電復(fù)位重啟作用；同時(shí)在貯存運(yùn)輸過程中切斷電池供電，減少電池電量損耗。

4）顯示設(shè)計(jì)：數(shù)碼管上顯示信息量小、功耗大；LCD 液晶顯示功耗大，體積大；本文選擇OLED 作為顯示單元，具有體積小、功耗低的顯著特點(diǎn)。

5）連接件：為方便井下操作，選擇快插式航空插頭作為連接件。

1.2 傳感器與分站傳輸架構(gòu)

目前，頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中井下設(shè)備層的順槽傳感器與分站之間數(shù)據(jù)傳輸通常采用兩種方式，即有線傳輸[4]和無線傳輸[5]。有線傳輸如下頁圖2-1 所示，通信一般采用現(xiàn)場(chǎng)總線RS485、CAN，具有傳輸穩(wěn)定、布線較多、安裝維護(hù)量大等特點(diǎn)。無線傳輸如圖2-2 所示，通常采用433 MHz、470 MHz、915 MHz等無線數(shù)字傳輸模塊，由于其安裝簡(jiǎn)單近年來得到快速推廣應(yīng)用。無線傳輸方式在地面空曠環(huán)境下，傳輸距離能滿足系統(tǒng)使用要求。煤礦井下巷道起伏、拐彎、風(fēng)門阻隔等在超出視距范圍情況下，采用增加無線中繼器的方式，實(shí)現(xiàn)信號(hào)接力跳傳；由于巷道多采用金屬錨網(wǎng)支護(hù)，對(duì)電磁波吸收較大，即使在井下視距范圍內(nèi)，無線通信距離較地面大大縮減。尤其隨巷道距離延伸，節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，數(shù)據(jù)跳傳難度加大。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，有線傳輸方式下，巷道長(zhǎng)度超過2 000 m，1 臺(tái)分站帶載傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過64 臺(tái)，系統(tǒng)維護(hù)量增大，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。無線跳傳方式適用巷道條件好、距離短（1 000 m 以內(nèi)），服務(wù)周期不長(zhǎng)的條件使用，單臺(tái)分站匯集傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量不要超過20 臺(tái)使用效果較好；通過增加分站，將傳感器分組方式有效實(shí)現(xiàn)巷道內(nèi)布置傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量。當(dāng)巷道長(zhǎng)度1 000 m 以上時(shí)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加，傳輸難度加大，電池更換頻繁，設(shè)備維護(hù)量增加。

基于上述分析，本文提出了一種傳輸架構(gòu)，如圖2-3 所示。在傳感器與分站之間設(shè)計(jì)增加中繼器設(shè)備，中繼器與分站之間以有線方式傳輸數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸；中繼器與傳感器之間采用近距離無線傳輸方式（10 m 以內(nèi)），保證傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠傳至中繼器。經(jīng)分析，該架構(gòu)能夠平衡傳輸距離、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展、安裝維護(hù)的制約關(guān)系。

圖2 傳感器與分站間數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

1.3 礦用本安設(shè)備電源管理方式

礦用本安設(shè)備對(duì)外部接入的本安直流電源[6]，通常有兩種管理方式。一種方式為外部直流本安輸入直接經(jīng)DC/DC 轉(zhuǎn)換后，提供電路板各單元模塊工作電壓；另一種方式為外部直流本安輸入經(jīng)充電電池管理單元電路后，經(jīng)DC/DC 轉(zhuǎn)換后提供各單元模塊工作電壓，如圖3 所示。前一種電源處理方式在監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中常用；后一種方式在皮帶保護(hù)系統(tǒng)中使用。

圖3 礦用本安設(shè)備電源管理方式

礦井本安設(shè)備的本安參數(shù)包括：額定電壓、額定電流、最大內(nèi)部電感、最大內(nèi)部電容；隔爆兼本安電源帶載能力與具體設(shè)備的這四項(xiàng)參數(shù)密切相關(guān)。在最大內(nèi)部電感、最大內(nèi)部電容參數(shù)一定條件下，在本文應(yīng)用中，為滿足供電距離需要，本安電壓應(yīng)盡可能高，電流盡可能低，這樣才能保證本安供電距離足保持在2～3 km。此外，對(duì)電源帶載能力，即節(jié)點(diǎn)數(shù)量需滿足一定規(guī)模要求。設(shè)計(jì)上，我們選用圖3-2 本安電源供電方式，通過增加充電電池模塊電路，將設(shè)備工作電流以電池充電電流來替代；結(jié)合安裝在順槽的傳感器具有數(shù)據(jù)突變工作特點(diǎn)，考慮連續(xù)監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)，超限與定時(shí)上傳數(shù)據(jù)的工作機(jī)制，達(dá)到降低設(shè)備平均工作電流目標(biāo)（平均工作電流低于電池模塊充電電流），從而保證設(shè)備滿足使用需要。

1.4 通信研究

本文設(shè)計(jì)中繼器，與上級(jí)分站之間采用有線傳輸方式。有線方式通常采用現(xiàn)場(chǎng)總線，目前主從方式的RS485 總線傳輸在煤礦井下應(yīng)用廣泛；鑒于CAN總線數(shù)據(jù)短幀結(jié)構(gòu)可提高傳輸可靠性，多主方式確保數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳，本文設(shè)計(jì)采用CAN 總線傳輸方式。中繼器與傳感器之間，設(shè)計(jì)采用無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)井下設(shè)備之間通常采用無線數(shù)字傳輸模塊：433 MHz、470 MHz、UWB 模塊、LORA 模塊、WIFI 模塊、ZigBee 模塊、藍(lán)牙模塊；根據(jù)本文系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)需要，井下可視距離范圍內(nèi)，藍(lán)牙、ZigBee、UWB 等三種技術(shù)方式都能滿足使用要求；進(jìn)一步考慮到藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用廣泛、尤其與礦用本安手機(jī)搭載藍(lán)牙模塊的無縫對(duì)接，最終選擇藍(lán)牙技術(shù)。綜上所述，本文設(shè)計(jì)中繼器通信方式采用了CAN+藍(lán)牙傳輸方式。

2 中繼器實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件選型設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)采用TI 公司MSP430F1611 作為核心單片機(jī)，其低功耗性能不遜于STM32 低功耗系列芯片。CAN 總線傳輸單元選用周立功串口集成模塊，工作穩(wěn)定，可靠性得到提升。藍(lán)牙模塊選用深圳匯承公司HC-05 集成模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。本安電池充放電管理模組選用山西暗石公司產(chǎn)品，特點(diǎn)是保護(hù)電路自身消耗低于500 μA，同類產(chǎn)品中性能優(yōu)越。此外，顯示單元選用中景園電子OLED 顯示模塊。

MSP430F1611 單片機(jī)應(yīng)用注意事項(xiàng)：MCU 具有高速、低速晶振兩種編程可選，在低功耗應(yīng)用中，只需接入32 768 Hz 低速晶振；參考電壓端用作外設(shè)基準(zhǔn)電壓時(shí)，電壓編程可選；MCU 復(fù)位重啟時(shí)，端口線狀態(tài)為低電平，端口線作為控制線時(shí)，可使用74LVC01 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.2 軟件

通過軟件機(jī)制實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行目標(biāo)。在滿足上電啟動(dòng)、光敏觸發(fā)、定時(shí)喚醒三種條件其中之一的情況下，對(duì)主要耗電模塊CAN 和藍(lán)牙進(jìn)行啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)后運(yùn)行設(shè)定時(shí)間（根據(jù)中繼器連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)定），自動(dòng)切斷模塊供電。在啟動(dòng)期間，中繼器的藍(lán)牙端以從機(jī)方式接收傳感器發(fā)來數(shù)據(jù)；在通信模塊斷電期間，只有單片機(jī)最小系統(tǒng)和時(shí)鐘芯片等運(yùn)行，以此來降低功耗。中繼器“間斷”工作方式，使得平均工作電流降低至10 mA 以下。

1）軟件校時(shí)機(jī)制。與上級(jí)分站之間，中繼器發(fā)送完成一組數(shù)據(jù)，分站將本機(jī)時(shí)間作為應(yīng)答回傳至中繼器，完成中繼器時(shí)鐘校準(zhǔn)；與下級(jí)傳感器之間，中繼器每接收一組數(shù)據(jù)，將本身時(shí)間信息作為應(yīng)答回傳給傳感器；以此種運(yùn)行機(jī)制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間同步。

2）數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。中繼器作為藍(lán)牙從機(jī)運(yùn)行期間，等待接收來自傳感器藍(lán)牙主機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)（傳感器數(shù)據(jù)格式包含了完整的時(shí)間信息）；與常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制相比，傳感器數(shù)據(jù)分時(shí)發(fā)送至中繼器，避免傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互競(jìng)爭(zhēng)影響。

3 結(jié)語

1）本研究通過增加系統(tǒng)設(shè)備（中繼器），實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)魯棒性、有效擴(kuò)容目標(biāo)；通過降低設(shè)備平均工作電流方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備低功耗運(yùn)行，本質(zhì)上是通過降低數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性來實(shí)現(xiàn)的，而這種方式僅適用于數(shù)據(jù)單向緩慢變化情況，并不適用與數(shù)據(jù)連續(xù)變化情況。

2）在處理電源帶載能力與供電距離矛盾問題上，描述了設(shè)備充電電流、設(shè)備平均工作電流、設(shè)備額定電流之間的關(guān)系。此外，視距范圍內(nèi)的無線傳輸方式、以及電池本安供電或?qū)⒊蔀槊旱V井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要的研究方向之一。