一种矿用本安型中继器的研究与设计

任 浩， 陈永峰

（晋城无烟煤矿业集团有限责任公司， 山西 晋城 048006）

引言

顶板动态监测系统包括三种传感器，顶板位移传感器、锚杆（索）应力传感器可安装于工作面顺槽；支架压力传感器安装于工作面支架上。为了保障数据传输稳定性，井下设备层传感器与分站之间采用了有线传输方式，且传感器探头与主机采用分体设计，有线方式连接。

针对顶板动态监测系统，煤炭科学研究院在系统中利用CAN 总线和Zigbee 技术相融合实现了系统监测数字化[1]；河南能源化工集团通过布置数字压力计来动态监测支架压力，判断矿压支护情况[2]；阳煤集团采用离层无线监测回采或掘进巷道顶板离层量，评价围岩和支护设备的稳定情况[3]。综上所述顶板动态监测系统已取得较大进展，但在实际应用中仍存在问题。如：经常性的断电检修导致数据传输中断，采集数据不连续；随着巷道距离延长、传感器节点数量增加，巷道内布置电源数量多，布线多，难以实现巷道内本安供电；传感器探头与主机之间连接电缆损坏，导致传感器数据不准，误值较多；随传感器数量增加，布线繁琐程度增加。这些问题降低了系统鲁棒性，不利于系统推广应用。因此，本文从井下设备层构架、本安设备设计等方面进行研究。

1 矿用本安型中继器设计

1.1 机械外壳设计

1）外壳防护等级：本系统产品设计防护等级为IP54，在固定场所、巷口等通风条件良好、环境干燥条件下，外壳防护能满足使用；但是在潮湿环境、淋水大等地点，由外壳防护不够引起的设备故障率极高。因此，本文中继器防护等级按照IP65 进行了设计。

2）外壳材质：金属外壳材质，一是整体密封效果不好；二是在铭牌固定上，采用强力胶粘贴不可靠，采用螺丝固定会影响防水效果；此外，金属外壳会屏蔽无线信号致使天线需引出外壳。本次设计选用塑料外壳，选用防静电防火高强尼龙材质，考虑丝印铭牌视觉效果不理想原因，采用螺丝固定金属铭牌方式，确保固定可靠。由于采用了塑料外壳（见图1），不需外置天线，测试无线信号传输稳定。

图1 外壳设计实物

3）按键设计：充分考虑设备防水效果，中继器启动触发、参数设定等人机交互设计取消采用外置键盘。通过光敏触发方式查看显示数据，蓝牙无线连接方式设定参数；仅设计一个按键开关，接通或关断电池电源供电，起到上电复位重启作用；同时在贮存运输过程中切断电池供电，减少电池电量损耗。

4）显示设计：数码管上显示信息量小、功耗大；LCD 液晶显示功耗大，体积大；本文选择OLED 作为显示单元，具有体积小、功耗低的显著特点。

5）连接件：为方便井下操作，选择快插式航空插头作为连接件。

1.2 传感器与分站传输架构

目前，顶板动态监测系统中井下设备层的顺槽传感器与分站之间数据传输通常采用两种方式，即有线传输[4]和无线传输[5]。有线传输如下页图2-1 所示，通信一般采用现场总线RS485、CAN，具有传输稳定、布线较多、安装维护量大等特点。无线传输如图2-2 所示，通常采用433 MHz、470 MHz、915 MHz等无线数字传输模块，由于其安装简单近年来得到快速推广应用。无线传输方式在地面空旷环境下，传输距离能满足系统使用要求。煤矿井下巷道起伏、拐弯、风门阻隔等在超出视距范围情况下，采用增加无线中继器的方式，实现信号接力跳传；由于巷道多采用金属锚网支护，对电磁波吸收较大，即使在井下视距范围内，无线通信距离较地面大大缩减。尤其随巷道距离延伸，节点数量增加，数据跳传难度加大。

通过现场试验，有线传输方式下，巷道长度超过2 000 m，1 台分站带载传感器节点数量超过64 台，系统维护量增大，不能满足现场使用要求。无线跳传方式适用巷道条件好、距离短（1 000 m 以内），服务周期不长的条件使用，单台分站汇集传感器节点数量不要超过20 台使用效果较好；通过增加分站，将传感器分组方式有效实现巷道内布置传感器节点数量。当巷道长度1 000 m 以上时，随着节点数量增加，传输难度加大，电池更换频繁，设备维护量增加。

基于上述分析，本文提出了一种传输架构，如图2-3 所示。在传感器与分站之间设计增加中继器设备，中继器与分站之间以有线方式传输数据，保证数据可靠传输；中继器与传感器之间采用近距离无线传输方式（10 m 以内），保证传感器数据稳定可靠传至中继器。经分析，该架构能够平衡传输距离、节点扩展、安装维护的制约关系。

图2 传感器与分站间数据传输架构

1.3 矿用本安设备电源管理方式

矿用本安设备对外部接入的本安直流电源[6]，通常有两种管理方式。一种方式为外部直流本安输入直接经DC/DC 转换后，提供电路板各单元模块工作电压；另一种方式为外部直流本安输入经充电电池管理单元电路后，经DC/DC 转换后提供各单元模块工作电压，如图3 所示。前一种电源处理方式在监测监控系统中常用；后一种方式在皮带保护系统中使用。

图3 矿用本安设备电源管理方式

矿井本安设备的本安参数包括：额定电压、额定电流、最大内部电感、最大内部电容；隔爆兼本安电源带载能力与具体设备的这四项参数密切相关。在最大内部电感、最大内部电容参数一定条件下，在本文应用中，为满足供电距离需要，本安电压应尽可能高，电流尽可能低，这样才能保证本安供电距离足保持在2～3 km。此外，对电源带载能力，即节点数量需满足一定规模要求。设计上，我们选用图3-2 本安电源供电方式，通过增加充电电池模块电路，将设备工作电流以电池充电电流来替代；结合安装在顺槽的传感器具有数据突变工作特点，考虑连续监测存储，超限与定时上传数据的工作机制，达到降低设备平均工作电流目标（平均工作电流低于电池模块充电电流），从而保证设备满足使用需要。

1.4 通信研究

本文设计中继器，与上级分站之间采用有线传输方式。有线方式通常采用现场总线，目前主从方式的RS485 总线传输在煤矿井下应用广泛；鉴于CAN总线数据短帧结构可提高传输可靠性，多主方式确保数据主动上传，本文设计采用CAN 总线传输方式。中继器与传感器之间，设计采用无线通信方式进行数据交互。监测监控系统井下设备之间通常采用无线数字传输模块：433 MHz、470 MHz、UWB 模块、LORA 模块、WIFI 模块、ZigBee 模块、蓝牙模块；根据本文系统架构设计需要，井下可视距离范围内，蓝牙、ZigBee、UWB 等三种技术方式都能满足使用要求；进一步考虑到蓝牙技术应用广泛、尤其与矿用本安手机搭载蓝牙模块的无缝对接，最终选择蓝牙技术。综上所述，本文设计中继器通信方式采用了CAN+蓝牙传输方式。

2 中继器实现

2.1 硬件选型设计

本文设计采用TI 公司MSP430F1611 作为核心单片机，其低功耗性能不逊于STM32 低功耗系列芯片。CAN 总线传输单元选用周立功串口集成模块，工作稳定，可靠性得到提升。蓝牙模块选用深圳汇承公司HC-05 集成模块进行设计。本安电池充放电管理模组选用山西暗石公司产品，特点是保护电路自身消耗低于500 μA，同类产品中性能优越。此外，显示单元选用中景园电子OLED 显示模块。

MSP430F1611 单片机应用注意事项：MCU 具有高速、低速晶振两种编程可选，在低功耗应用中，只需接入32 768 Hz 低速晶振；参考电压端用作外设基准电压时，电压编程可选；MCU 复位重启时，端口线状态为低电平，端口线作为控制线时，可使用74LVC01 进行电平转换。

2.2 软件

通过软件机制实现低功耗运行目标。在满足上电启动、光敏触发、定时唤醒三种条件其中之一的情况下，对主要耗电模块CAN 和蓝牙进行启动，同时启动后运行设定时间（根据中继器连接节点数量设定），自动切断模块供电。在启动期间，中继器的蓝牙端以从机方式接收传感器发来数据；在通信模块断电期间，只有单片机最小系统和时钟芯片等运行，以此来降低功耗。中继器“间断”工作方式，使得平均工作电流降低至10 mA 以下。

1）软件校时机制。与上级分站之间，中继器发送完成一组数据，分站将本机时间作为应答回传至中继器，完成中继器时钟校准；与下级传感器之间，中继器每接收一组数据，将本身时间信息作为应答回传给传感器；以此种运行机制实现系统时间同步。

2）数据传输机制。中继器作为蓝牙从机运行期间，等待接收来自传感器蓝牙主机发出的数据（传感器数据格式包含了完整的时间信息）；与常规数据传输机制相比，传感器数据分时发送至中继器，避免传感器节点之间相互竞争影响。

3 结语

1）本研究通过增加系统设备（中继器），实现提高系统鲁棒性、有效扩容目标；通过降低设备平均工作电流方式实现设备低功耗运行，本质上是通过降低数据实时性来实现的，而这种方式仅适用于数据单向缓慢变化情况，并不适用与数据连续变化情况。

2）在处理电源带载能力与供电距离矛盾问题上，描述了设备充电电流、设备平均工作电流、设备额定电流之间的关系。此外，视距范围内的无线传输方式、以及电池本安供电或将成为煤矿井下监测监控系统主要的研究方向之一。