煤矿液压支架压力无线监测系统网关的设计

徐嫣涵 兰西柱 杨勇 王宇 李承军

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

中图分类号：TD67;TN91       文献标识码：A 文章编号：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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作者简介：徐嫣涵（1994—），女，汉族，贵州贵阳人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式系统开发与设计;兰西柱（1966—），男，汉族，安徽亳州人，副教授，硕士研究生，主要研究方向：计算机监控与通信、嵌入式系统应用;杨勇（1996—），男，汉族，江苏南京人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式系统开发与设计;王宇（1997—），男，汉族，安徽合肥人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式系统开发与设计;李承军（1995—），男，汉族，山东青岛人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式系统开发与设计。