李繼來

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州　213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州　213015)

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礦用無線雷達物位傳感器設(shè)計

李繼來1,2

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司， 江蘇 常州213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司， 江蘇 常州213015)

摘要：針對目前煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)中的雷達物位傳感器存在的設(shè)置、維護、布線困難，維護成本高等問題，設(shè)計了一種礦用無線雷達物位傳感器。該傳感器采用集成無線射頻模塊的ESP8266單片機作為核心處理模塊、雷達探頭作為傳感單元，能夠在WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋的環(huán)境中接入WiFi網(wǎng)絡(luò)，在沒有WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋的環(huán)境中作為無線接入點來建立WiFi網(wǎng)絡(luò)，建立Web服務(wù)與移動設(shè)備通信，以進行數(shù)據(jù)傳輸與傳感器配置，還可通過RS485總線與現(xiàn)有煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)的礦用信息采集站連接，應用靈活。

關(guān)鍵詞：煤倉煤位監(jiān)測； 雷達物位傳感器； 無線監(jiān)測； WiFi網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1455.002.html

0引言

在現(xiàn)代礦井建設(shè)中，以帶式輸送機為主要運輸方式的礦井通常會在帶式輸送機轉(zhuǎn)運位置建設(shè)煤倉，利用煤倉實現(xiàn)煤流運輸線運力的合理配置。在煤倉投入使用后，可能會出現(xiàn)冒倉及空倉情況，需要對煤倉煤位進行監(jiān)測，以達到安全、高效生產(chǎn)的目的。目前市場上有多種可用于煤倉煤位監(jiān)測的設(shè)備，如超聲波式物位傳感器、重錘式物位傳感器、電容式煤位檢測系統(tǒng)[1]、雷達物位傳感器等。其中礦用雷達物位傳感器采用26 GHz電磁波，通過計算探頭發(fā)射與接收電磁波的時間差來實現(xiàn)煤位高度測量[2]。

現(xiàn)有的基于雷達測量的煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)由雷達物位傳感器、礦用信息采集站及網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備組成[3]。煤倉現(xiàn)場布置雷達物位傳感器與礦用信息采集站，礦用信息采集站將雷達物位傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸至地面調(diào)度室或帶式輸送機控制系統(tǒng)。在實際應用中，雷達物位傳感器需安裝于煤倉頂部。受限于現(xiàn)場空間(尤其是地面煤倉)，工作人員對雷達物位傳感器的設(shè)置與維護十分困難。同時，采用有線方式實現(xiàn)雷達物位傳感器的遠程通信存在現(xiàn)場布線困難及建設(shè)、維護成本高等問題。對此，筆者設(shè)計了一種礦用無線雷達物位傳感器，進一步優(yōu)化了煤倉物位傳感器的設(shè)計。

1基于礦用無線雷達物位傳感器的煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)

綜合考慮產(chǎn)品與現(xiàn)有煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性及成本，采用WiFi技術(shù)設(shè)計了礦用無線雷達物位傳感器?；谠摰V用無線雷達物位傳感器的煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。針對傳統(tǒng)煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)，礦用無線雷達物位傳感器通過RS485總線與礦用信息采集站通信，進一步接入以太網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送至遠端服務(wù)器，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集與展示。同時，礦用無線雷達物位傳感器可通過無線AP(Access Point，接入點)接入以太網(wǎng)，將采集數(shù)據(jù)傳送至遠端服務(wù)器。移動設(shè)備或計算機對現(xiàn)場礦用無線雷達物位傳感器有2種訪問方式：當移動設(shè)備或計算機在礦用無線雷達物位傳感器WiFi信號覆蓋范圍內(nèi)時，可直接通過WiFi網(wǎng)絡(luò)連接礦用無線雷達物位傳感器來獲取數(shù)據(jù)；當移動設(shè)備或計算機在礦用無線雷達物位傳感器WiFi信號覆蓋范圍外時，可通過以太網(wǎng)直接訪問礦用無線雷達物位傳感器。

圖1　基于礦用無線雷達物位傳感器的煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)

2礦用無線雷達物位傳感器硬件設(shè)計

礦用無線雷達物位傳感器由電源模塊、雷達探頭、ESP8266核心處理模塊、RS485通信模塊組成，如圖2所示。

圖2　礦用無線雷達物位傳感器組成

2.1電源模塊

電源模塊負責為礦用無線雷達物位傳感器供電。電源模塊通過AC/DC電路將AC127/380 V電壓轉(zhuǎn)換為DC24 V,為雷達探頭供電。同時，DC24 V通過DC/DC電路轉(zhuǎn)換為DC5 V，為ESP8266核心處理模塊及RS485通信模塊供電。

2.2雷達探頭

雷達探頭采用K波段26 GHz微波作為測距波。測距波由雷達探頭發(fā)射天線發(fā)射后，遇到障礙物再反射至雷達探頭，由雷達探頭接收天線接收。通過計算測距波的發(fā)射與接收時間差，即可確定雷達探頭與障礙物之間的距離。

雷達探頭在實際使用中，其輸出數(shù)據(jù)中會混有噪聲，主要包括系統(tǒng)噪聲及電磁干擾，以隨機噪聲為主?？刹捎迷肼曢撝堤幚砑熬禐V波技術(shù)對雷達探頭返回的測量數(shù)據(jù)進行處理，從而獲取較準確的數(shù)據(jù)[2]。

2.3ESP8266核心處理模塊

目前工業(yè)現(xiàn)場采用的無線傳感器通常由傳感探頭、核心處理單元、無線收發(fā)器、電源、通信接口等構(gòu)成，如參考文獻[4]中的無線溫濕度傳感器。該傳感器由DHT11溫濕度傳感器、STM32單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，通過STM32單片機的USART通信口將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線收發(fā)器，實現(xiàn)與移動設(shè)備的通信。該種設(shè)計方案會增加傳感器功耗。針對該問題，本文采用ESP8266作為礦用無線雷達物位傳感器的核心處理器。

ESP8266是一款帶有WiFi硬件模塊的單片機，其以Cadence Tensilica Xtensa LX106為核心，片上具有GPIO、SPI、PWM、UART、I2C等接口，內(nèi)部集成了2.4 GHz LNA(Low Noise Amplifier，低噪聲放大器)及射頻電路，只需很少的外圍電路即可實現(xiàn)具有WiFi通信功能的智能設(shè)備設(shè)計。ESP8266具有低功耗工作模式，能夠在低功耗與高性能之間任意切換，具有睡眠功能、自適應無線電偏置及自適應消除藍牙、蜂窩射頻干擾等功能[5]。

采用ESP8266設(shè)計礦用無線雷達物位傳感器時，通過ESP8266的UART1接口與RS485通信模塊連接，可直接與雷達探頭通信，從而獲取雷達探頭數(shù)據(jù)；當?shù)V用無線雷達物位傳感器工作于無線模式時，移動設(shè)備可直接通過WiFi網(wǎng)絡(luò)與傳感器通信?？紤]到與現(xiàn)有煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性，可通過ESP8266的UART2接口連接RS485通信模塊，與礦用信息采集站通信，將雷達探頭數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程監(jiān)控中心。

3礦用無線雷達物位傳感器軟件設(shè)計

礦用無線雷達物位傳感器軟件主要包括底層操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理程序、輕量級Web服務(wù)程序、RS485通信程序?？紤]到傳感器的穩(wěn)定性及兼容性，采用開源FreeRTOS作為軟件的底層操作系統(tǒng)。

FreeRTOS為輕量級實時操作系統(tǒng)，具有任務(wù)調(diào)度、系統(tǒng)調(diào)度時間管理、信號量與消息隊列管理、內(nèi)存管理等常規(guī)功能。本文在FreeRTOS上開數(shù)據(jù)采集與處理、Web服務(wù)、RS485通信這3個任務(wù)，3個任務(wù)的優(yōu)先級相同，在FreeRTOS內(nèi)核的調(diào)度下同步運行。礦用無線雷達物位傳感器軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3　礦用無線雷達物位傳感器軟件架構(gòu)

在系統(tǒng)初始化中，將ESP8266配置為Station AP模式，此時ESP8266有2種工作模式：在有WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋的環(huán)境中，ESP8266可工作在WiFi網(wǎng)絡(luò)設(shè)備模式(Station)下，通過WiFi AP接入WiFi網(wǎng)絡(luò)；在沒有WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋的環(huán)境中，ESP8266本身可作為AP工作，在局部搭建WiFi網(wǎng)絡(luò)，此時移動設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可直接連接ESP8266進行信息交互。將ESP8266配置為Station AP工作模式的方法：直接調(diào)用ESP8266生產(chǎn)廠商提供的SDK中的wifi_set_opmode(STATIONAP_MODE)函數(shù)。

RS485通信任務(wù)即通過ESP8266的UART1接口將設(shè)置命令發(fā)送至雷達探頭，通過UART2接口與礦用信息采集站通信，接收巡檢命令、設(shè)置參數(shù)及傳輸數(shù)據(jù)。

Web服務(wù)程序流程如圖4所示。Web服務(wù)程序僅提供礦用無線雷達物位傳感器參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)獲取2種服務(wù)。移動設(shè)備可通過WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)出POST指令設(shè)置傳感器參數(shù)，或發(fā)出GET指令獲取傳感器數(shù)據(jù)。

圖4　Web服務(wù)程序流程

雷達探頭采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過均值濾波器與閾值濾波器處理后可認為是有效數(shù)據(jù)[2]。這些數(shù)據(jù)需通過Web服務(wù)任務(wù)及RS485通信任務(wù)與外部設(shè)備交互。礦用無線雷達物位傳感器中，這3個任務(wù)的優(yōu)先級相同，在3個任務(wù)之間進行數(shù)據(jù)交互的同時，還需要考慮傳感器整體的穩(wěn)定性與安全性，因此，采用FreeRTOS隊列將數(shù)據(jù)在3個任務(wù)之間交互。在系統(tǒng)初始化時，建立一個xQueueHandle類型的隊列，隊列深度為5級。3個任務(wù)采用阻塞訪問方式對該隊列進行操作，保障程序運行過程中數(shù)據(jù)的安全性。

4結(jié)語

適用于井下、地面煤倉煤位監(jiān)測的礦用無線雷達物位傳感器不僅能夠通過有線方式與礦用信息采集站通信，組成煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)，還具有以下優(yōu)點：① 在具有無線WiFi覆蓋的環(huán)境下，可接入WiFi網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交互與參數(shù)設(shè)置；② 在沒有無線WiFi覆蓋的環(huán)境下，能夠作為AP建立網(wǎng)絡(luò)，移動設(shè)備可登錄傳感器設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與參數(shù)設(shè)置；③ 采用WiFi無線通信方式，減少了布線，降低了成本；④ 對于地面及井下煤倉等人員不方便到達的現(xiàn)場，可在WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)使用移動設(shè)備對礦用無線雷達物位傳感器進行配置與維護。

參考文獻：

[1]辛元芳,周孟然.井下煤倉煤位檢測方法綜述[J].煤礦機械,2013,34(5):13-15.

[2]葉錦嬌.礦用雷達物位監(jiān)控裝置研究[J].工礦自動化,2015,41(9):5-7.

[3]趙瑞鋒.基于組態(tài)軟件的煤倉煤位監(jiān)測系統(tǒng)[J].黑龍江科技信息,2013(34):140-140.

[4]劉軍良.WiFi技術(shù)在溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].自動化儀表,2014(6):79-82.

[5]紀亞萍.基于WiFi SoC的物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計[D].蘭州：蘭州大學，2015.

Design of mine-used wireless radar material level sensor

LI Jilai1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;2.Tiandi(Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)

Abstract:For problems of difficult setting, maintenance and wiring and high maintenance cost of radar material level sensor in existing coal bunker material level monitoring system, a mine-used wireless radar material level sensor was designed. The sensor takes ESP8266 single chip microcomputer with a wireless radio frequency module as a core processor and a radar sensor as sensing unit. In an environment with WiFi network coverage, the sensor can be directly connected to the WiFi network. In an environment without WiFi network coverage, the sensor can be used as a wireless access point to establish a WiFi network. The sensor can provide web services to communicate with mobile devices for data transmission and sensor configuration. Meanwhile, the sensor can access mine-used information collection station in existing coal bunker material level monitoring system with a flexible application.

Key words:coal bunker material level monitoring; radar material level sensor; wireless monitoring; WiFi network

文章編號：1671-251X(2016)07-0005-03

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.002

收稿日期：2016-03-20；修回日期：2016-05-26；責任編輯：李明。

基金項目：天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金資助項目(KJ-2015-CZGF-01)。

作者簡介：李繼來(1978-)，男，安徽淮南人，助理研究員，碩士，主要從事煤礦自動化方面的研發(fā)工作，E-mail：lijilai2005@163.com。

中圖分類號：TD67

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-07-05 14:55

李繼來.礦用無線雷達物位傳感器設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(7)：5-7.