煤矿液压支架压力无线监测系统网关的设计
２０２０年１１月２５日第４卷第２２期卖炭翁原文
现代信息科技
Modern Information Technology
Nov.2020 Vol.4 No.22
482020.11
收稿日期：2020-10-22
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
（中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院，北京  100083）
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
win10安全模式（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RS 485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复杂，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
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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。
DOI:10.19850/jki.2096-4706.2020.22.013
上位机
……
……
…
…
网关1
网关N
压力监测装置1压力监测装置1压力监测装置压力监测装置图1  系统网络拓扑图
2.2  系统网关的硬件设计
网关硬件结构框图如图液晶屏
×7
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2020.11
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。
表1  网关上报数据帧格式
报文
描述字节数包头
帧头2 byte 命令类型
1 byte 网关地址1 byte 报文长度
2 byte 巡检数量1 byte 正文
压力监测装置1
8 byte 压力监测装置2
8 byte …………压力监测装置N
8 byte 包尾
帧尾1 byte CRC 校验
2 byte
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。
表2  网关无线巡检的命令帧格式
描述地址功能码数据长度CRC 校验字节数
1 byte
1 byte
1 byte
2 byte
表3  网关无线巡检的返回数据帧格式
描述地址功能码数据长度数据CRC 校验字节数
1 byte
1 byte
1 byte狂恋法老王
8 byte
2 byte
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。
开始
结束
无线巡检压力监测装置
上报压力数据
数据存入Flash 存储芯片
显示超限装置地址压力是否超限？
上位机是否返回已收到数据？
巡检是否完成？
是是
否建立数据库
否
否
如何开通创业板是
图3  系统网关主程序流程图
开始
结束
无线唤醒压力监测装置巡检采集1~N 号压力监测装置
巡检是否完成？
是否
图4  无线巡检流程图
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LPC 1768FBD 100 ARM 主控芯片、ZM 470SX- M LoRa 无线模块、以太网控制芯片DP 83848J 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。

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