煤矿用本安型无线信号转换器的设计及应用

郝叶军 郭玉彪

【摘要】针对现有煤矿井下移动设备布置有线传输传感器的众多不便，设计了一款适合煤矿井下使用无线信号转换器。该无线转换器无线工作频率可支持2.4G或900M，转换器可将具有频率信号、RS485信号的传感器通过转换实现长距离无线传输，并可通过其对应的转换器可输出频率或RS485信号接入煤矿安全监控系统。通过现场的实际应用验证了该转换器具有功耗低、实时性高、传输距离远、灵活性强的特点，具有良好的煤矿应用前景。

【关键词】煤矿；无线；信号转换；2.4G

引言

随着国家对煤矿安全生产的日益重视，部分国有大型煤矿综采工作面和掘进工作面都存在着大型的移动设备[1]，而根据《煤矿安全规程》及AQ1029-2007《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》的规定这些区域都要配备瓦斯传感器并实现区域瓦斯超限断电功能，而现有煤矿井下的环境用瓦斯传感器传输都采用有线传输，而以上区域空间狭小，而大型设备由于掘进或开采而发生前后移动或左右移动，而过程中需要带着瓦斯传感器及信号电缆一起移动，在实际的使用过程中经常出现电缆变形或压断，而规程规定这些区域的瓦斯传感器出现故障要闭锁断电，采煤或掘进工作无法正常进行，极大的影响了煤矿的安全生产。因此在井下部分区域实现无线传输对保障煤矿安全生产具有重要意义[2]。

笔者设计了一款本安型无线信号转换器实现了区域中对瓦斯传感器数据的采集和无线传输[3]，并通过此对应的无线信号转换器进行转换而接入煤矿安全监控系统中，可有效的保障煤矿的安全生产，并通过典型的应用展示其现场实际使用方法。

1.硬件设计及功能

无线信号转换器如图1所示，主要由微处理器模块、无线传输模块、显示模块、频率输入输出模块、RS485通信模块、红外遥控模块及供电模块组成[4]。

1.1 微处理器模块

微处理器模块采用C8051F340芯片，该芯片是完全集成的混合信号片上系统性的MCU，其硬件资源丰富，内含最多2个UART、SPI及5个PCA，并具有其他丰富的I/O外设接口，其芯片整体功耗低且价格较低完全满足产品的设计需要。

1.2 无线模块

该无线模块设计时采用了通用接口的方式可接入标准的无线工作频率为2.4G和900M的模块，设计时考虑到设计的复杂性、能耗和设计成本等因素，本设计采用了市场上现成的无线模块来实现（如图2所示），大大简化了转换器的设计复杂度和设计成本。

1.3 显示模块及红外遥控模块

转换器采用了4位共阴极8段式数码管显示和HS0038红外遥控设计，通过显示和红外遥控实现了基本的人机交互，主要完成了设备地址设置、无线通信模块选择、频率端口输入输出选择、安装发射和接收选择、传输模式和制式选择、数据的实时显示等。

1.4 频率输入输出模块

频率输入输出部分采用了最简单的三极管、电阻和电容搭建的输入输出电路，输出部分采用了微处理器定时的方式，输入采集通过微处理器的PCA口实现采集和处理。

1.5 RS485通信模块

转换器RS485通信模块采用了SP3485E芯片，其外围保护电路等如图3所示，此部分通信可根据接入对象不同而进行设置，主要有两个对象，一种是传感器的RS485通信实现数字式的数据采集，另一种是与分站RS485直接的通信实现数据的传递，两者之间的设定通过遥控器进行选择。

1.6 供电模块

转换器内部各模块需要5V和3.3V电源，其内部供电主要采用小封装的TPS794XX系列电源管理芯片，芯片输出5V和3.3V，电流800mA，可满足各模块的供电要求。

2.软件设计

转换器的应用程序是基于C8051F340芯片平台，采用了C语言进行编程，主要用于实现数据的采集、显示、无线信号的控制与传输及不同条件下对转换器的相关设置，包括地址、发射与接收选择、传输制式选择等。

3.现场应用

针对综采工作面和掘进工作的实际情况，并结合煤矿的安全监测监控系统平台搭建了应用环境（如图4所示），并顺利的接入到监控系统中实现了数据的实时上传[5]。现场验证了转换器接收侧的瓦斯、一氧化碳传感器分别通过频率或RS485进行采集，通过无线传输传递给接收侧的转换器，接收侧转换器也分别用频率或RS485的方式接入到监控系统的分站中，并通过网络上传至地面中心站计算机实现实时显示。转换器现场验证其无线传输距离不低于200米，其信号质量较好，传输稳定，能够满足现场的实际需要。

4.结语

本文介绍了无线信号转换器的基本设计和应用，其功能主要是将煤矿部分区域中传感器输出的频率信号或RS485信号，采集转换为无线射频信号进行无线传输，并传递给接收侧转换器在通过频率或RS485信号接入到煤矿安全监测监控系统中，实现了区域的无线传输，解決了移动设备布线和有线传输使用不便的问题，其转换器具有功耗低、实时性高、传输距离远、稳定性好的特点，具有良好的现场应用前景。

参考文献

[1]吴静然，李秀凤，吴倩.基于WiFi的煤矿井下智能终端设计[J].工矿自动化，2013，39（4）：5-8.

[2]吴征艳，蒋曙光，金双林.简述目前我国煤矿安全管理[J].矿业快报，2004，20（5）：14-16.

[3]孙彦景，钱建生，武金磊，等.基于WSN地下无人采煤安全监测系统的研究[J].传感技术学报，2007，20（11）.

[4]杨维，冯锡生，程时昕，等.新一代全矿井无线信息系统理论与关键技术[J].煤炭学报，2004，29（004）：506-509.

[5]张治斌，徐小玲，阎连龙.基于Zigbee井下无线传感器网络的定位方法[J].煤炭学报，2009，34（1）：125-128.

作者简介：郝叶军（1982—），男，山西朔州人，硕士研究生，长期从事煤矿自动化研究工作。