礦用無線壓力傳感器的設計

石杰

摘 要：文章介紹了一款新型的礦用無線壓力傳感器的設計，采用2.4GHz與低功耗技術，實現采面支架壓力監測。該設計采用無線傳輸方式，有效的解決了采煤工作面空間狹小拉線困難、支架移動扯斷線纜的問題，同時配合壓力監測系統，實現了采煤工作面支架狀態的遠程數字化監控。

關鍵詞：煤礦；無線傳輸；低功耗；壓力監測

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0094-02

Abstract： This paper introduces the design of a new type of wireless pressure sensor for mining， which adopts 2.4 GHz and low power consumption technology to realize the pressure monitoring of mining face support. This design adopts wireless transmission mode， which effectively solves the problems of the difficulty of drawing wire in small space of coal mining face， the moving of support and the breaking of cable. At the same time， with the cooperation of pressure monitoring system， the remote digital monitoring of the state of support in coal mining face is realized.

Keywords： coal mine； wireless transmission； low power consumption； pressure monitoring

引言

在煤礦的各類自然災害中，頂板事故是煤礦的多發事故。資料顯示在煤礦生產中重大事故40%以上由頂板事故引起[1]。

液壓支架是用來控制采煤工作面礦山壓力的結構物。采面礦壓以外載的形式作用在液壓支架上。因此液壓支架的支撐力的監測對于頂板安全管理和預防頂板事故的發生都有著重要意義。目前，礦井液壓支架壓力監測主要以有線傳輸方式為主。隨著采煤工作面的推進以及升降架等操作，有線網絡極易被扯斷，導致現場采集的壓力數據無法實時可靠地上傳，為煤礦留下安全隱患[3]。因此本文設計了一款礦用無線壓力傳感器監測采面支架壓力，完全采用無線傳輸，無需復雜布線，配合無線壓力分站實現對采煤工作面的遠程數字化監控。

1 無線壓力傳感器的設計原理與組成

該傳感器主要以微處理器為核心，以壓力變送器、電源、存儲電路、顯示液晶、射頻模塊、紅外接收、光控電路等外設共同組成，主要負責采集工作面支架前后柱的工作液壓壓力，同時將數據通過無線分站傳輸到地面進行實時監控，其組成框圖如圖1。

2 無線壓力傳感器的硬件設計

2.1 MCU核心處理模塊

MCU選用的是TI的MSP430F2274單片機，該單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。該系列單片機最大的優勢是具有超低功耗能力，在1.8V-3.6V的工作電壓范圍，0.1μA RAM（ 保持模式），0.3μA（待機模式），（VLO）0.7μA（實時時鐘模式），220μA/MIPS（工作模式），在1μs之內超快速地從待機模式喚醒，因此非常適合本次應用。

2.2 無線射頻模塊

無線射頻模塊選用的是以TI的CC2530構成的射頻模塊，它結合了高性能的2.4GHz DSSS（直接序列擴頻） 射頻收發器和一個高性能低功耗的8051微控制器，具有優良的無線接收靈敏度和抗干擾性。CC2530的睡眠模式和其與工作模式超短的激活轉換時間使得其RF模塊成為針對超長電池使用壽命應用的理想解決方案。其集成的增強型8051控制器可以實現系統編程，嵌入自組網協議，使傳感器成為自組網網絡節點。

2.3 電源

傳感器采用內置電池供電，理論上電池容量越大，傳感器工作時間越久，由于礦井下的特殊環境限制了電池容量，因此我們選用3.4Ah的一次性鋰電池，自放電率低，溫度特性好。

2.4 光控顯示

傳感器具備液晶顯示、紅外遙控等人機交互功能，方便用戶實時查看傳感器數據和對傳感器進行設置，但是這些功能會產生較大的功耗，因此當傳感器獨自工作時，這些功能需要關閉。我們采用光照控制方式來對這些功能進行開關。光照控制主要由光敏二極管組成，當外界強光照射時，光敏二極管的光電效應可以產生更大電流，配合電阻可以在單片機的中斷引腳產生觸發電平，喚醒單片機進入顯示紅外功能。

2.5 低功耗設計

傳感器的低功耗設計需要在硬件設計和軟件設計上進行多方面的綜合考慮：

（1）選擇低功耗的元器件，本次設計選取的單片機、射頻芯片、存儲芯片等都是采用低電壓低功耗器件。

（2）單片機和射頻模塊休眠時采用32.768KHz的低頻晶振，這個晶振用于給睡眠定時器提供振蕩周期，這種情況保證了單片機休眠時低功耗性能。

（3）在休眠時通過三極管關斷傳感器無需工作的外圍設備，包括壓力變送器，紅外接收器。顯示液晶在常態下處于關閉狀態，當產生光照觸發或者定時器喚醒后才工作。

（4）傳感器采用工作休眠機制，4s工作一次，工作時進行采集處理后發送數據，此時電流消耗大，因此盡量縮短此時工作時間，工作結束后即關閉相關部件，傳感器進入休眠。

通過合理的斷電休眠方式，最終實現傳感器整機平均電流0.5mA左右的低功耗性能。

3 無線壓力傳感器的軟件設計

在現場的實際使用中，液壓支架工作的大部分時間里，壓力信息值的變化是很小的，在軟件設計流程中采用間歇性的采集壓力信息，可以大大降低設備的功耗[2]。傳感器軟件運行流程如圖2所示。

傳感器開機后，進入初始化狀態，初始化內容包括單片機各功能引腳和功能外設初始化、晶振自檢、傳感器參數預讀取、復位故障記錄、液晶顯示開機畫面等等。初始化結束后傳感器進入LPM3休眠狀態，此時可以通過中斷喚醒。

該傳感器設計有兩個中斷喚醒源（1）休眠定時器中斷（2）外部光控引腳中斷。當中斷產生后，程序判斷是哪種中斷。

如果是定時器中斷，則進入AD采集，采集當前的壓力值和電池電壓值，采集完成后關閉AD并進行數值處理，然后喚醒射頻模塊，將數值填充入串口數據包發送給射頻模塊，由射頻模塊自主完成無線信號上傳。

如果是外部光控引腳中斷，則打開液晶，顯示傳感器壓力值和電量等參數，并打開紅外遙控功能，給用戶進行遙控設置。如果未有遙控操作，則3s后液晶自動關閉，關閉紅外遙控功能，以節約電池電量。

中斷任務結束后，單片機關閉傳感器各個外設功能，并進入LPM3休眠狀態，等待下一次喚醒。

4 結束語

通過本次無線壓力傳感器的設計方案，實現了采煤工作面支架壓力的無線監測。在安裝實施過程中，節約了大量的線纜鋪設工程，安裝方便。在實際運行過程中，客戶使用操作簡單易行，配合壓力監測系統可以實現遠程監控。當然本設計中還存在一些缺陷，無線信號傳輸易受遮擋，在支架移動交錯的時候有可能出現傳感器短時間掉線的情況。這種情況下可以加入無線中繼器進行信號的中繼，可以解決此類問題。

參考文獻：

[1]陳斯，趙同彬，高建東，等.基于ZigBee的綜采工作面頂板壓力無線監測系統[J].煤礦開采，2011，4.

[2]李繼云，趙小兵.礦用無線液壓支架壓力傳感器的設計[J].煤礦機電，2014.

[3]王桃，劉曉文，喬欣，等.基于無線傳感器網絡的液壓支架壓力監測系統設計[J].工礦自動化，2014.