基于LoRa 技术的刮板输送机无线控制装置

李如川

（北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013）

刮板输送机是煤矿综采工作面主要运输系统的重要组成部分[1-2]。当使用刮板输送机运输大件设备时，通常由随行人员观测运行状态并通过工作面扩音电话告知机头司机停机或开机，若发生机电事故或人员安全受到威胁，使用现有的有线控制装置处置会有一定的延时。针对以上问题，设计了一种基于LoRa 技术的刮板输送机无线控制装置，物料运输随行人员在整个综采工作面内可以零延时直接控制刮板输送机启停或正反车，从而提高刮板输送机运输物料的安全性。

1 煤矿无线通信技术

刮板输送机的工况比较恶劣、电磁干扰严重，选择合理的无线通信方式对刮板输送机无线控制装置稳定性十分必要。当前，煤矿井下无线通信技术主要采用泄露通信、WiFi、蜂窝移动通信（3G、4G）、Zig－Bee 和红外通信等[3-5]，部分煤矿已经探索应用5G 技术并取得了显著成果[6]。这些通信技术在不同的应用场景发挥着重要作用，具有带宽高、延时低等优点，但也存在覆盖范围小、功耗高、绕射损耗大等不足。

LoRa（Long Range Radio）是近几年发展起来了无线通信技术[7-8]，是一种扩频调制技术，主要运行在免许可的ISM（Industrial Scientific Medical Band）开放频段，包括433、868、915 MHz 等，具有功耗低、通信距离远、速率低、成本低等特点，符合本无线控制装置的使用要求。

2 整体设计方案

刮板输送机无线控制装置由无线手持终端和无线固定终端2 部分组成，系统示意图如图1。

图1 系统示意图Fig.1 System diagram

无线手持终端由现场操作人员控制，通过按键发送指令至微处理器，微处理器再将信息发送到LoRa 模块。无线固定终端安装在综采工作面中部的液压支架上，通过LoRa 模块接收控制指令，并将指令通过微处理器发送给天津华宁KTC101 控制系统的本安型输入输出模块KJS101-4，实现对刮板输送机的控制。

3 系统硬件

3.1 无线手持终端硬件

无线手持终端由锂电池、防爆按键、微处理器、LoRa 射频模块等部分组成。无线手持终端电路图如图2。

图2 无线手持终端电路图Fig.2 Circuit diagram of wireless handheld terminal

微控制器采用意法半导体公司TSSOP-20 封装的32 位芯片STM32F030F4P6[9]，高性能ARM 32-bit Cortex-M0 内核, 最高频率为48MHz，拥有标准的HSI、I2C、PWM、ADC、USART、SPI 等外设，每个外设也可以单独配置频率，每个引脚可以单独配置频率和映射功能。射频模块选用的是SEMTECH 公司SX1278 射频芯片，通过UART 口与微处理器通信。

S1、S2、S3 3 个独立按键输入控制刮板输送机指令，预留7 个GPIO 口可进行扩展，可以增加对转载机、破碎机、泵站等设备的控制功能。LED 灯用来指示发射状态，电池采用单节矿用锂电池PL145667，电压3.7 V，容量4 000 mAh。

3.2 无线固定终端硬件

无线固定终端由电源模块、微处理器、LoRa 射频模块等部分组成。射频模块接收控制指令后经微处理器传送到天津华宁KJS101-4 下位机，实现对刮板输送机的控制。微处理器与KJS101-4 的连接电路如图3。

图3 微处理器与KSJ101 连接电路图Fig.3 Circuit connection between MCU and KSJ101

由于华宁控制系统的供电电压为18 V 而微处理器的供电电压为3.3 V，因此在微处理器和KJS101-4 之间增加了起到隔离保护作用的光耦合器TLP627-4GB。供电电源取自华宁控制系统的18 V，选用LM2596 单片集成稳压器转换成3.3 V，对微处理器和SX1278 射频模块供电。

3.3 射频模块参数设置

装置手持终端和固定终端LoRa 模块的参数设置相同：芯片空中速率为2.4 kbps，透明传输方式，与MCU 的通信接口为UART 、通讯速率9.6 kbps，奇偶校验选用8N1。射频芯片共有4 种工作模式，由引脚M0、M1 控制，工作模式见表1。

表1 工作模式Table 1 Working mode

3.4 无线手持终端低功耗设计

由于无线手持终端采用电池供电，为延长手持端续航时间，对微处理器和LoRa 射频模块进行了低功耗设计。

无线手持终端等待数据发送时，微处理器工作模式配置为Stop 模式，在此模式下，1.8 V 供电区域时钟被停止，HIS、PLL、均关闭，同时电压检测器也可进入低功耗模式但寄存器和SRAM 不断电，GPIO口保持进入前的状态，引脚映射功能全都设置为模拟量输入GPIO_Analog，只有在按键输入中断时唤醒，数据发送完毕再次进入Stop 模式。此模式下微处理器只能被EXTI 线中断和RTC 报警器中断唤醒。LoRa 射频模块工作时配置为一般模式空闲时配置为休眠模式。

4 系统软件

4.1 无线手持终端软件

无线手持终端软件设计流程图如图4。

图4 手持终端软件设计流程Fig.4 Software design process of handheld terminal

手持终端上电后，微处理器首先对各外设进行初始化，设置NVIC 中断控制器，LoRa 射频模块初始化，微处理器和射频模块进入Stop 模式和休眠模式。当检测到按键按下时，唤醒微处理器和射频模块，微处理器根据不同中断线号通过射频模块发送相应控制指令，之后等待固定端的应答。如果在设定次数或设定时间内未收到固定端的回应，闪烁指示灯提示操作人员。

4.2 无线固定终端软件

固定端软件设计流程如图5。

图5 固定端软件设计流程Fig.5 Software design process of fixed terminal

由于无线固定端采用电源模块供电，考虑到其接收数据的实时性，所以固定终端未进行低功耗和空中唤醒设计。上电后微处理器首先完成各外设、中断控制器、射频模块的初始化后，循环等待接收无线数据。当接收到数据后，与内部控制字符匹配，成功后，给无线手持端发送应答信号并将控制指令输出到华宁KJS101-4，实现对刮板输送机的控制。

5 测试分析

无线手持终端的功耗通过测量实际通过电流获得。用万用表测量手持终端的静态电流，示波器电流探头测量动态电流。假设固定端发送数据时长为1 s，发送周期为5 min，测得发送电流124 mA，待机电流为30 μA，折算到1 h，无线手持终端平均功耗约为0.443 mAh[10]。

采用的锂电池容量为4 000 mAh，考虑到电池的效率和自放电参数，电池容量按标称容量的80%计算，得到手持端的理论可续航天数：338 d。

天气良好的情况下，在赛蒙特尔煤矿地面工业广场测试了两终端的通信距离和丢包率。测试使用外置吸盘天线，增益为5 dbi，垂直极化，天线高2.5 m。每包数据间隔2 s，发100 包数据，每包数据30字节，丢包率统计见表2。

表2 丢包率统计Table 2 Analysis of packet loss rate

测试结果显示，按照丢包率小于5%为有效通信距离[11]，装置在500 m 内有效。大型煤矿井下综采工作面宽度大都在300 m 内，可以认定本装置符合煤矿井下应用要求。

6 结 语

介绍了基于LoRa 技术的刮板输送机无线控制装置的整体设计方案，完成了无线手持终端和无线固定终端的软硬件设计，进行了功能性测试。测试结果表明，该装置功耗低、有数据传输距离远，解决了刮板输送机运输物料的控制问题，同时可以进行功能扩展，对煤矿安全生产和智慧矿山建设有推动作用。