無線傳感器架模式多點噴霧控制系統(tǒng)設計

季建軍，李曉軍，居俊華

（1.南通市市級機關固定資產管理中心，江蘇南通 226018；2.江蘇盈豐電子科技有限公司，江蘇南通 226300）

0 引言

介紹基于超外差式無線傳感器應用于多點噴霧控制系統(tǒng)設計，有效解決在綜采工作面小空間區(qū)域布線困難，實現傳感信號的無線采集，使綜采工作面多點噴霧系統(tǒng)在技術指標和使用性能上達到國內先進技術水平，更好地滿足工作面除塵實際需求，降低維護成本，實現工作面架模式多點噴霧除塵動作的精準控制，綜合提高工作面除塵效率，進一步提升工作面空氣質量。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)以一主多從的485 總線通信控制模式實現，每個支架設置一臺噴霧分站（最多256 個支架）。每臺分站以無線方式采集支架3 路動作信號（降架信號、升架信號、放煤信號），每個支架設置兩路側護板噴霧點（左、右側護板各一個）。支架移動時，可以實現本架左、右側護板噴霧及相鄰支架的兩個側護板聯(lián)動噴霧（共4 個噴霧點）。所有側護板噴霧點可以任意設置開啟或關閉。

控制系統(tǒng)由噴霧控制主站、噴霧分站（含無線采集器）、超外差式無線傳感器、數傳部分（485 轉RJ45 和光電轉換）、上位機軟件采集端等五部分組成，根據行業(yè)實際應用需求，通過硬件和軟件的組合，實現滿足現場使用最優(yōu)的噴霧降塵控制模式。

無線傳輸應用功能：無線傳感器端通過單片機讀取撥碼盤地址信息，單片機等值轉換輸出給地址編碼芯片PT2262 地址編碼輸入端，當傳感器檢測到壓力變化或磁場信號時，主動發(fā)送當前地址信息和相關數據，與噴霧分站地址信息一致時，噴霧分站接收解碼芯片PT2272 對應的D0—D2 端輸出控制信號給噴霧分站單片機，并通過一位共陽數碼顯示管顯示3 位地址信息及采集到的傳感器信號，分站單片機以相應的邏輯關系輸出控制與其相對應的電動閥驅動電路，實現降架、升架、放煤信號電動閥有序實施噴霧控制。

1.2 噴霧控制主站

采用ARM2138 雙串口控制電路、485 總線收發(fā)ADUM2483 控制電路、TFT 屏（4.3 英寸）NH043DN01 和鍵盤等電路組成。串口0 通過485 總線方式完成對下行256 個噴霧分站的數據采集及控制，同時串口1 完成對上行數據的傳輸，供上位機PC 端采集數據顯示。

1.3 噴霧控制分站

噴霧控制分站由直流雙電源隔離模塊、超外差無線接收模塊和PT2272 解碼電路、雙串口單片機STC12C5A32S2、三位BCD 撥碼盤編碼電路、一位7 段共陽數碼管驅動電路、電動閥驅動電路、485 總線驅動電路等組成，噴霧分站硬件框圖如圖1所示。選用的無線接收模塊是一款超小體積，超低功耗，工作頻率433 MHz，內含穩(wěn)壓電路，具有較寬的工作電壓范圍，模塊高度集成超外差接收電路的所有功能，具有較高的接收靈敏度和穩(wěn)定性。模塊雜波輻射指標符合歐洲管理標準。模塊天線輸入端口增加微帶電感，有效提高抗靜電能力。

圖1 噴霧分站硬件框圖

噴霧分站設計應用功能：單片機先讀取3 位BCD 碼撥碼盤值，再由單片機賦值給PT2272，PT2272 和接收模塊組合接收與之地址相同的無線傳感器動作信息，從而驅動相應的電動閥工作。噴霧分站工作在從機狀態(tài)，接收主控廣播信息，通過主機設置，進行有序的邏輯調度，配合實際應用需要，達到最佳的噴霧除塵狀態(tài)。

1.4 超外差式無線傳感器

由低電壓穩(wěn)壓電源電路，3.3 V 低電壓STC11L08XE 單片機，三位BCD 撥碼盤編碼電路、磁控電路、以及編碼芯片PT2262 和無線發(fā)射模塊組成的無線發(fā)射電路組成的傳感器硬件框圖如圖2 所示；其中無線發(fā)射模塊具有超小體積、低電壓、低功耗、無數據時休眠等優(yōu)點，工作頻率433 MHz，采用FSK 調制方式，發(fā)射功率8 dBm。在支架鋼結構應用模式下，無線信號穩(wěn)定傳輸距離在5 m 以內（滿足使用需要）。傳感器使用一次性能量型鋰亞電池供電，4000 mA·h，在開路狀態(tài)下正、負極兩端之間的電壓≥3.6 V，在23±2 ℃的環(huán)境下，電池能夠至少放出額定容量的50%所能允許的最大連續(xù)放電電流值為150 mA，常溫狀態(tài)下年自放電率小于2%。

圖2 傳感器硬件框圖

傳感器設計應用功能：首先設置三位BCD 撥碼盤的值和DIP（4 位）開關的值，DIP（4 位）開關功能定義見表1，單片機讀取三位BCD 撥碼盤和DIP 開關的值，在沒有壓力和磁場傳感信號變化時，如圖2 中單片機處于休眠狀態(tài)（超低功耗模式），整個傳感器工作電流小于10 μA，當有磁控或壓力信號時，單片機外部中斷觸發(fā)工作，通過軟件處理，單片機端口輸出信號通過三極管開關電路控制3.3 V 電源給無線發(fā)射模塊，發(fā)射模塊得電工作，整個傳感器實際發(fā)射工作時為100 μA（持續(xù)時間2 s）。傳感器無線發(fā)射模塊主動發(fā)送相應的地址信息和DIP（4 位）開關數據。每個分站配3 個傳感器，傳感器的壓力開關分別接液壓支架3 個壓力接口，通過統(tǒng)一接口定義模式，與DIP（4 位）開關設置相對應；單片機讀取DIP（4 位）開關撥動開關相應的信息，4、3、2、1分別代表支架放煤、升架、降架、側護板壓力信息。當分站三位撥碼盤與傳感器的撥碼盤數字一致時，噴霧分站采集傳感器的信息，驅動相對應的電動閥工作。

表1 DIP（4 位）開關功能定義

2 軟件架構

基于超外差式無線傳感器架模式的多點噴霧控制系統(tǒng)，軟件程序設計包括：超外差式無線傳感器軟件設計；噴霧分站采集軟件設計；主機控制人機操作界面程序設計；以及上位機信息查詢顯示軟件設計，通過WEB發(fā)布，供調度中心、相關職能部門和礦領導指揮決策；重點介紹其中超外差式無線傳感器軟件設計流程如圖3 所示，當傳感器接收到外部中斷信號時，執(zhí)行對應的讀數據處理子程序，單片機控制無線發(fā)射模塊得電，向無線采集器發(fā)送數據，發(fā)送完成后傳感器立即進入休眠狀態(tài)（超低功耗模式）。

圖3 傳感器軟件設計流程

3 結語

基于超外差式無線傳感器的架模式多點噴霧控制系統(tǒng)設計是一款升級型產品，有效解決了以往老產品C1101 無線模塊存在信道干擾問題，新設計的無線傳輸信號更穩(wěn)定，已在兗州煤業(yè)股份有限公司下屬東灘煤礦等單位成功應用，并取得專利。系統(tǒng)在應用環(huán)境下有效解決小空間區(qū)域內連接電纜帶來布線困難、維護成本高等實際問題，便于安裝維護，降低安全隱患，使綜采工作面除塵面積精準度提高，除塵效果明顯，降低粉塵對人體的危害，有效提高綜采工作面作業(yè)環(huán)境。為未來更多的控制信號通過無線傳輸提供應用基礎。