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煤矿液压支架压力无线监测系统网关的设计

摘要：摘要：煤矿开采中，使用液压支架对工作面顶板进行支护。当支架承受压力过大时，易发生倒架、顶板坍塌等事故。为预防此类事故，对液压支架的压力监测进行了研究。针对目前压力监测存在的布线困难、可靠性差等问题，采用ARM主控芯片、LoRa无线技术、工业以太

　　摘要：煤矿开采中，使用液压支架对工作面顶板进行支护。当支架承受压力过大时，易发生倒架、顶板坍塌等事故。为预防此类事故，对液压支架的压力监测进行了研究。针对目前压力监测存在的布线困难、可靠性差等问题，采用ARM主控芯片、LoRa无线技术、工业以太网，设计了无线监测系统网关。此网关无线巡检压力监测装置，通过以太网上报监测数据，可靠有效地监测了液压压力。

　　关键词：液压支架;压力监测;LoRa无线技术;工业以太网

煤矿开采论文

　　0 引言

　　由于我国能源呈现出贫油、少气、多煤的结构，煤炭一直在我国能源资源中占据着重要地位。液压支架在煤矿开采过程中对工作面顶板起到支护作用，承载了来自矿山的压力，隔离出采空区，保证回采工作面和推进输送机的正常工作。但液压支架有可能出现支架失稳、部件损坏、油缸与管路泄露等故障，液压支架失稳发生的概率超过60%。支架失稳主要是由受力不均、矿压过大等原因引起。液压支架承受矿山来压时有初撑力和工作阻力，这两个力直接反映了支架对顶板的支护情况，因此，对液压支架进行压力监测具有实际意义。

　　现有的液压支架压力监测多采用有线监测系统，通过RS485总线接收监测装置采集的压力数据，并进行分析处理。但我国煤矿井下空间狭小復杂，不利于布线。无线监测既能省去烦琐的布线工作，也可以提高传输效率。但支架立柱本身是金属的，对电磁波而言是良导体，电磁波在良导体中衰减极快，这给巷道内的无线传输带来了困难。目前常用于井下监测的ZigBee无线技术抗干扰性较差，Semtech公司的LoRa无线技术是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，在同等功耗下比其他无线方式传播得更远。LoRa无线技术传输数据更可靠，抗干扰性更强。作者将ARM处理器和LoRa无线技术结合起来，设计一种可靠性高的复合型LoRa网关，实时监测液压支架对顶板的两个压力，对预防综采工作面支护事故的发生具有重要的意义。

　　1 网关的功能需求

　　网关在系统中负责接收压力监测装置采集的压力数据，显示并上报至上位机。目前井下多采用掩护式液压支架，每台液压支架有两个立柱，监测装置的压力传感器分别内嵌于两个立柱的液压缸中，监测液压的初撑力和工作阻力。网关需对所有液压支架的压力监测装置进行巡检，实时获得压力数据并上报至总控调度室。网关应具有以下功能要求。

　　1.1 无线巡检

　　网关从压力监测装置接收压力数据。压力监测装置为电池供电，为了节省电池电量消耗，压力监测装置处于休眠状态，网关应具有无线唤醒压力监测装置的功能，并对压力监测装置进行无线巡检。

　　1.2 数据处理

　　数据处理主要是网关将接收到的压力值与预设报警阈值进行比较，超出或低于范围值则启动声光报警，并显示报警来源，即压力监测装置地址。

　　1.3 数据上报

　　网关按巡检周期无线采集数据，根据自定义的用户协议上报，采用工业以太网和CAN模块两种接入方式传输。

　　1.4 数据存储

　　数据存储采用Flash和EEROM存储芯片。EEROM存储芯片用来存储液网关设置的参数，Flash存储芯片则是用来存储因以太网传输故障，导致上报失败的本地存储，一旦网络恢复，再次上报数据，防止监测数据的丢失。

　　1.5 参数设置

　　液压支架对工作面顶板进行支护时主要有初撑力和工作阻力。网关需要设置上述两个力的正常阈值并存入EEROM存储芯片中，便于判断压力是否正常。同时需要设置本机装置地址和无线通信参数。

　　1.6 数据显示

　　数据显示采用128×64液晶屏，主要用来显示超过或低于预设阈值的压力数值及其所在位置，即出现问题的压力监测装置的地址。

　　2 系统总体设计及系统网关硬件设计

　　2.1 系统总体设计

　　煤矿液压支架压力无线监测系统由压力监测装置、网关、上位机组成。压力监测装置中的传感器通过无线通信将压力数据传输至网关，与预设的报警值比较，判断压力是否异常，压力超限则发出声光报警，同时通过以太网/CAN模块上报至上位机，如上报失败，数据记录本地储存。上位机负责接收压力无线监测系统网关的数据，具有数据显示、历史查询、故障判断等功能，对液压支架的压力趋势做出预警预判。煤矿液压支架压力无线监测系统总体网络拓扑图如图1所示。

　　2.2 系统网关的硬件设计

　　网关硬件结构框图如图2所示。

　　根据功能需求分析，设计的网关由ARM主控芯片、LoRa无线模块、Flash/EEROM存储芯片、CAN模块及以太网控制芯片等组成。蜂鸣器和LED灯作为压力异常时的声光报警装置，按键用于参数设置，液晶屏显示报警来源。

　　网关的硬件选型，依据网关的总体框架结构，结合功能需求说明，从性能和实用性上对各硬件芯片进行了综合考量，选择出以下几款硬件。

　　2.2.1 ARM主控芯片LPC1768FBD100

　　ARM主控芯片选用的恩智浦公司研制的LPC1768FBD 100芯片，主频可达到100 MHz。其外设组件包含以太网MAC、4个UART接口、2条CAN模块通道、SPI接口、3个I2C接口、4个通用定时器和70个通用I/O管脚等。

　　2.2.2 LoRa无线模块

　　LoRa无线模块采用广州致远电子有限公司的工业级ZM470SX-M系列无线模块。相比传统调制技术，此模块通过调整扩频因子(数值为6～12)、带宽调制及纠错率等变量，解决了无法同时兼顾距离、抗干扰性的问题。

　　2.2.3 以太网控制芯片

　　以太网控制芯片选用的是TI公司研发的DP83848J，提供小型6 mm×6 mm WQFN40针封装，供电电压为3.3 V，支持10/100 Mbps的传输速率，支持IEEE 802.3协议。ARM主控芯片LPC1768FBD100内含以太网MAC，通过MII或RMII接口可与DP83848J连接。

　　2.2.4 CAN模块

　　CAN模块选用的是广州致远电子有限公司研发的CTM 8251KAT模块，具有较低电磁辐射和较高抗电磁干扰性。此模块采用3.3 V供电电压，单网络最多可连接110个节点，传输波特率5 kbps～1 Mbps。

　　2.2.5 Flash存储芯片

　　Flash存储芯片选用的是Winbond公司研发的W25Q32 BV SSIP芯片，支持标准串行外围接口(SPI)，共32 Mbit

　　(4 MB)最多可以一次256字节编程。

　　3 网关协议设计及软件设计

　　3.1 网关协议设计

　　网关，又称为协议转换器。作者设计的系统中，网关负责接收压力监测装置采集的压力数据，进行数据处理后，打包发送至工业以太网，实现压力数据的传输，因此需要特别定制传输协议。TCP/IP协议分为四层，本软件设计主要针对传输层协议，TCP與UDP是基于网络协议IP协议的两种传输层协议，TCP协议可保证数据收发的可靠性，丢包数据会自动重发，所以本设计采用TCP协议。

　　LPC1768FBD100内置了MAC层的处理能力。考虑到RMII接口引脚使用少，频率高;MII接口引脚使用多，频率低，本次设计中使用RMII接口与PHY通信。

　　网关将接收到的压力数据通过工业以太网/CAN模块的方式，上报至上位机，上报失败时数据将存储到Flash存储芯片中，网络恢复后再次上报。根据IEEE 802.3协议，以太网采用载波侦听多路访问/冲突监测(CSMA/CD)的方式进行数据帧传输。在发送数据帧之前，首先进行侦听，如果线路空闲，则立即发送数据帧;如果线路繁忙，则停止发送，随机等待一定时间后再重复侦听。

　　压力监测装置主要有两个采集点，分别位于掩护式液压支架的两个立柱的液压缸内。

　　网关上报数据帧数据格式如表1所示。

　　网关无线巡检命令帧格式，如表2所示。网关无线巡检返回数据帧格式，如表3所示。

　　3.2 软件设计

　　软件设计采用模块化的设计思路，根据各模块所需实现的功能进行编程，进而完成整个系统网关的软件开发。这种设计方案有利于软件的升级、维护以及后期模块的更换和移植。主程序流程图如图3所示，无线巡检流程图如图4所示。

　　4 结论

　　针对煤矿井下液压支架压力无线监测系统网关的功能需求，本文采用LPC1768FBD100 ARM主控芯片、ZM470SX- M LoRa无线模块、以太网控制芯片DP83848J等硬件，对网关进行了硬件电路设计，制定了传输协议，并进行软件编程设计。以LoRa无线技术+工业以太网的数据传输方式，完成了无线巡检接收、处理、存储、上报压力数据的功能，实现了对液压支架初撑力和工作阻力的实时监测，提高了传输可靠性和数据准确度，解决了现有井下液压支架压力监测系统布线困难、可靠性差的问题，具有较高的实际应用价值。

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