矿用无线雷达物位传感器设计.pdf

第 4 2 卷 第 7期 2 0 1 6年 7 月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vol J 4 2 NO ． 7 J u 1 ．2 0 1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 7 0 0 0 5 0 3 李继 来 ． 矿用 无 线雷 达物 位传 感器 设计 [ J ] ． DOI l O ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 0 2 工 矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 7 5 - 7 ． 矿用无线雷达物位传感器设计 李继 来 2 1 ． 中煤 科工 集 团常 州研究 院有 限公 司 ，江苏 常 州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天 地 常州 自动化 股份 有 限公 司 ，江苏 常 州 2 1 3 0 1 5 摘 要 针 对 目前煤仓 煤 位监 测 系统 中的 雷 达物 位 传 感 器 存 在 的设 置 、 维护 、 布 线 困难 ， 维护 成 本 高等 问 题 ， 设 计 了一种 矿 用无 线 雷达物位 传 感 器。 该传 感 器采 用集成 无线 射频 模块 的 E S P 8 2 6 6单 片机 作 为核 心 处 理 模 块 、 雷达探 头作 为传 感 单元 ， 能 够在 Wi F i 网络 覆 盖 的 环境 中接入 Wi F i 网络 ， 在 没 有 Wi F i 网络 覆 盖 的 环 境 中作 为无 线接 入 点来 建立 Wi F i 网络 ， 建立 We b服 务 与移 动 设 备通 信 ， 以进行 数 据 传 输 与传 感 器 配 置 ， 还 可 通过 R 4 8 5总 线与现 有 煤仓 煤位 监 测 系统 的矿 用信 息 采 集站连 接 ， 应 用灵 活 。 关键 词 煤 仓 煤位监 测 ；雷达 物位传 感器 ；无 线监 测 ；Wi F i网络 中 图分类 号 TD 6 7 文 献 标志 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 7 0 5 1 4 5 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 6 0 7 0 5 ． 1 4 5 5 ． 0 0 2 ． h t ml De s i gn o f mi n e u s e d wi r e l e s s r a d a r ma t e r i a l l e v e l s e ns or L I J i l a i ’ 1． CCTEG Ch an gz ho u Re s e a r c h I ns t i t u t e， 2． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co． ，L t d Cha ng z ho u 2 1 3 01 5，Ch i na Ch a ng z h ou 2 1 30 1 5，Chi n a Ab s t r a c t Fo r pr o bl e ms o f d i f f i c ul t s e t t i ng，ma i n t e na nc e a nd wi r i n g a n d hi g h ma i nt e na n c e c o s t o f r a d a r m a t e r i a l l e ve l s e ns or i n e xi s t i n g c o a l bu nk e r m a t e r i a l l e ve l m o ni t or i n g s ys t e m ，a m i n e u s e d wi r e l e s s r a d a r m a t e r i a l l e v e l s e ns or wa s de s i g ne d．The s e ns or t a ke s ESP82 6 6 s i ngl e c hi p mi c r o c o mput e r wi t h a wi r e l e s s r a d i o f r e qu e n c y m o d ul e a s a c o r e pr o c e s s or a n d 3 r a da r s e n s o r a s s e n s i n g u ni t ．I n a n e nv i r on m e nt wi t h W i Fi n e t wo r k c o v e r a g e ．t h e s e n s o r c a n b e d i r e c t l y c o n n e c t e d t o t h e W i Fi n e t wo r k．I n a n e n v i r o n me n t wi t h o u t W i Fi n e t wo r k c ov e r a g e．t he s e n s o r c a n be u s e d a s a wi r e l e s s a c c e s s p oi nt t o e s t a bl i s h a W i Fi n e t wo r k．Th e s e ns o r c a n pr o vi de we b s e r v i c e s t o c o m muni c a t e wi t h mo bi l e d e v i c e s f or da t a t r a ns m i s s i o n a nd s e n s o r c o nf i g ur a t i on．M e a nwh i l e，t h e s e ns or c a n a c c e s s m i ne us e d i nf o r m a t i o n c o l l e c t i o n s t a t i on i n e x i s t i n g c o a l bu nk e r ma t e r i a l l e v e l m o ni t o r i n g s y s t e m wi t h a f l e x i bl e a p pl i c a t i o n． Ke y wo r ds c o a l bu nk e r ma t e r i a l l e ve l mon i t o r i ng；r a d a r ma t e r i a l l e v e l s e n s o r；wi r e l e s s mo ni t or i n g； W j Fj ne t wo r k 0 引 言 在 现 代矿 井 建 设 中 ， 以带 式输 送 机 为 主要 运 输 方式 的矿 井 通 常 会 在 带 式 输 送 机 转 运 位 置 建 设 煤 仓 ， 利用煤仓实现煤流运输线运力 的合理配置。在 煤仓投入使用后 ， 可能会出现 冒仓及空仓情况 ， 需要 对煤仓 煤 位 进 行 监 测 ， 以 达 到 安 全 、 高 效 生 产 的 目 的。 目前 市 场 上 有 多 种 可 用 于煤 仓 煤 位 监 测 的 设 备 ， 如超 声波 式物 位 传 感 器 、 重 锤 式 物 位传 感器 、 电 容式 煤位 检 测 系统 l 】 ] 、 雷 达 物 位 传感 器 等 。其 中矿 用雷 达 物 位 传 感 器采 用 2 6 GHz电磁 波 ， 通 过 计 算 探头发射 与接 收电磁 波 的时 间差来 实现煤位 高度 收稿 日期 2 O l 6 一 O 3 2 0 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 5 2 6 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 天地科技技术创新基金资助项 目 KJ 一 2 0 1 5 C Z GF - O 1 。 作者简介 李继来 1 9 7 8 ， 男 ， 安徽淮南人 ， 助理研究员 ， 硕士 ， 主要从事煤矿 自动化方面的研发T作 ， Ema i l l ij i l a i 2 0 0 5 1 6 3 ． c o rn。 6 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 测量 } 。 现有 的基 于雷 达测 量 的煤仓 煤位 监测 系统 由雷 达物位传感器 、 矿用信 息采集站及网络接人设备组 成 引。煤仓 现场 布置 雷 达物位 传感 器与 矿用 信息 采 集站， 矿用信息采集站将雷达物位传感器采集 到的 数 据传输 至 地面调 度 室或带 式输 送机 控制 系统 。在 实 际应用 中 ， 雷 达 物 位 传 感 器 需 安 装 于煤 仓 顶 部 。 受 限 于现场 空 问 尤 其 是 地 面煤 仓 ， 工 作 人 员对 雷 达 物位 传感 器 的设 置 与 维 护 十 分 困难 。同 时 ， 采 用 有 线方 式实 现雷 达物 位传感 器 的远程 通 信存在 现 场 布 线 困难及 建设 、 维护 成本 高 等 问题 。对 此 ， 笔者 设 计 了一种矿用无线雷达物位传感器 ， 进一步优化了 煤 仓 物位传 感器 的设 计 。 1 基 于矿 用 无线 雷 达物 位 传 感 器 的 煤 仓煤 位 监 测 系统 综 合考 虑 产品 与现有 煤仓 煤位 监测 系统 的兼 容 性 及 成本 ， 采 用 Wi F i 技 术 设 计 了矿 用 无 线 雷 达 物 位传 感器 。基 于该 矿用 无线 雷达 物位 传感 器 的煤 仓 煤位 监测 系统 如 图 1 所 示 。针对 传统煤 仓煤 位 监测 系统 ， 矿用 无线 雷 达物 位传 感 器通 过 R S 4 8 5总线 与 矿用信息采集站通信 ， 进一步接人以太网， 将数据传 送至 远端 服务 器 ， 实现 远程 数据 采集 与展 示 。同时 ， 矿用无线雷达物 位传感器 可通过无线 AP Ac c e s s P o i n t ， 接人点 接入 以太网， 将采集数据传送至远端 服务器。移动设备或计算机对现场矿用无线雷达物 位传感器有 2种访 问方式 当移动设备或计算 机在 矿用 无 线 雷 达 物 位 传 感 器 Wi F i 信 号 覆 盖 范 围 内 时 ， 可直 接 通 过 Wi F i 网 络 连接 矿 用 无 线 雷 达 物 位 传 感器 来获 取数 据 ； 当移 动 设 备 或计 算 机 在 矿 用 无 线雷达物位传感器 Wi F i 信号覆 盖范围外时 ， 可通 过 以太 网直 接访 问矿 用无 线雷 达 物位传 感器 。 矿用 图 1 基 于矿用无 线雷达物位传感器的煤仓煤位监测系统 2矿 用无线 雷 达物位 传 感器硬 件设 计 矿 用 无线 雷 达 物位 传 感 器 由电源 模 块 、 雷 达探 头 、 E S P 8 2 6 6核 心 处 理模 块 、 R S 4 8 5通 信 模块 组 成 ， 如 图 2所示 。 输入 A C 12 7 ／3 8 0 V 竺 电源模块 2 4 V 5 V 一 头 墨 _ J I核心处理 集站 接矿用信息采集站 叫、 卜 _ 叫 l 图 2 矿用无线雷达物位传感器组成 2 ． 1 电 源 模 块 电源模块负 责为矿用无 线雷达物位传感器供 电 。电源模 块 通 过 A C ／ D C 电 路 将 AC 1 2 7 ／ 3 8 0 V 电压转换为 D C 2 4 V， 为雷达 探头供 电。同时 ， D C 2 4 V 通过 DC ／ D C电路转 换 为 DC 5 V， 为 E S P 8 2 6 6 核 心处 理模 块及 R S 4 8 5通信 模块 供 电 。 2 ． 2 雷达探 头 雷 达探 头 采 用 K 波 段 2 6 GHz微 波 作 为 测 距 波 。测 距波 由雷 达 探 头 发射 天 线 发 射 后 ， 遇 到 障 碍 物再反射至雷达探头 ， 由雷达探 头接收天线接 收。 通 过 计算测 距 波 的发 射 与 接 收 时 问差 ， 即可 确 定 雷 达探 头与 障碍 物之 问的 距离 。 雷达 探 头 在 实 际使 用 中 ， 其输 出数 据 中会 混 有 噪声 ， 主要 包 括系统 噪声 及 电磁 干扰 ， 以随 机噪声 为 主。可采用噪声阈值处理及均值滤波技术对雷达探 头返 回的 测 量 数 据 进 行 处 理 ， 从 而 获 取 较 准 确 的 数据 。 2 ． 3 ES P 8 2 6 6核 心 处 理 模 块 目前工业现场采用的无线传感器通常 由传感探 头 、 核心处理单元 、 无线收发器、 电源 、 通信接 口等构 成 ， 如参考文献 4 1 中的无线温湿度传感器 。该传感 器 由 DHT1 1温 湿度 传 感 器 、 S TM3 2单 片机 实 现数 据采 集 与 处 理 ， 通 过 S TM3 2单 片机 的 US AR T 通 信 口将 数据 发送 到 无线 收发 器 ， 实 现 与 移 动 设 备 的 通信。该种设计方案会增加传感器功耗 。针对该问 题 ， 本 文采 用 E S P 8 2 6 6作 为矿 用 无线 雷 达 物位 传 感 器 的 核心处 理器 。 E S P 8 2 6 6 是 一 款 带 有 W i F i 硬 件 模 块 的 单 片 机 ， 其 以 C a d e n c e T e n s i l i c a Xt e n s a L X1 O 6为 核 心 ， 片上具有 GP I O、 S P I 、 P WM、 UAR T、 I 。 C等接 口， 内 部集 成 了 2 ． 4 GHz L NA L o w No i s e Amp l i f i e r ， 低 噪声 放大 器 及 射频 电路 ， 只需很 少 的外 围电路 即可 实 现 具 有 Wi F i通 信 功 能 的 智 能 设 备 设 计 。 E S P 8 2 6 6 具 有低 功耗 工 作 模 式 ， 能 够 在 低 功耗 与 高 性 能之 问任 意切换 ， 具有 睡 眠功 能 、 自适应 无线 电偏 置及 自适应消除蓝牙、 蜂窝射频干扰等功能l 5 。 2 0 1 6年 第 7期 李继 来 矿 用无 线 雷达物 位传 感 器设 计 7 采用 E S P 8 2 6 6设计矿用无线 雷达物位传感器 时 ， 通过 E S P 8 2 6 6的 UAR T1接 口与 RS 4 8 5通 信模 块连接 ， 可直接与雷达探头通信 ， 从而获取雷达探头 数据 ； 当矿用无线雷达物位传感器工作 于无线模式 时 ， 移动设备可直接通过 wi F i 网络与传感器通信 。 考 虑 到与现 有煤 仓 煤 位 监 测 系 统 的兼 容 性 ， 可通 过 E S P 8 2 6 6的 uAR T2接 口连接 R S 4 8 5通信模块 ， 与 矿用信息采集站通信 ， 将雷达探头数据发送至远程 监控 中心 3 矿 用无 线雷 达物 位传 感器 软件 设计 矿 用无 线 雷达物 位传 感器 软 件 主要包 括底 层操 作 系统 、 数据 采 集 及 处 理程 序 、 轻 量 级 We b服 务 程 序 、 R S 4 8 5通信 程 序 。考 虑 到 传感 器 的稳 定 性 及 兼 容性 ， 采用 开 源 F r e e R TOS作为 软件 的底 层 操作 系 统 。 F r e e RTO S为轻量级实时操作 系统， 具有任务 调度、 系统调度时间管理 、 信号量 与消息 队列管理 、 内存 管 理 等 常 规 功 能 。本 文 在 F r e e RT oS上 开 数 据采集与处理 、 We b服务 、 RS 4 8 5通信这 3个任务 ， 3个 任 务 的 优 先 级相 同 ， 在 F r e e R T OS内核 的调 度 下同步运行 。矿用无线雷达物位传感器软件架构如 图 3所 示 。 图 3 矿用无线雷达物位传感器软件架构 在 系 统 初 始 化 中 ， 将 E S P 8 2 6 6配 置 为 S t a t i o n AP模 式 ， 此 时 E S P 8 2 6 6有 2种 工 作 模 式 在 有 wi F i 网 络覆 盖 的 环境 中 ， E S P 8 2 6 6可 工作 在 Wi F i 网络 设 备 模 式 S t a t i o n 下 ， 通 过 Wi F i AP 接 人 Wi F i网 络 ； 在 没 有Wi F i网 络 覆 盖 的 环 境 中 ， E S P 8 2 6 6 本 身可 作 为 AP工 作 ， 在局 部搭 建 W i F i 网 络 ， 此 时 移 动 设 备 作 为 网 络 设 备 ， 可 直 接 连 接 E S P 8 2 6 6进 行 信 息 交 互 。 将 E S P 8 2 6 6 配 置 为 S t a t i o n AP工 作模 式 的方 法 直接 调 用 E S P 8 2 6 6生 产 厂 商 提 供 的 S D K 中 的 wi f i s e t o p mo d e S TATI ONAP MODE 函数 。 R S 4 8 5通信任 务 即通 过 E S P 8 2 6 6的 uART 1 接 口将设 置 命令 发送 至雷 达 探 头 ， 通 过 UART 2接 口与 矿用 信息 采 集站通 信 ， 接收巡 检命 令 、 设 置参 数 及 传 输数 据 。 we b服 务程 序 流 程 如 图 4所 示 。We b服 务 程 序仅提供矿用无线雷达物位传感器参数设置及数据 获取 2种 服 务 。移 动 设 备 可 通 过 W i F i 网 络 发 出 P OS T指令 设 置传 感器 参数 ， 或 发 出 G E T指 令 获取 传感器数据。 I 设备状态I I ⋯⋯ ～ l 图 4 We b服务程序流程 雷 达探 头采 集到 的数 据经 过均 值 滤波 器 与阈值 滤波器处理后可认为是有效数据 ] 。这些数据需通 过 we b服务任务及 R S 4 8 5通信任务与外部设备交 互 。矿用 无线 雷 达 物 位传 感 器 中 ， 这 3个 任 务 的优 先级 相 同 ， 在 3 个 任 务之 间进 行数 据交 互 的 同时 ， 还 需要考虑传感器整体的稳定性与安全性， 因此 ， 采用 F r e e R TOS队列将 数据 在 3个 任 务之 间交 互 。在系 统初 始化 时 ， 建立 一个 x Qu e u e Ha n d l e类 型 的 队列 ， 队列 深 度为 5级 。3个 任务 采 用 阻 塞访 问方 式 对该 队列 进 行操 作 ， 保障 程序 运行 过程 中数 据 的安 全性 。 4 结 语 适 用 于井 下 、 地 面煤 仓 煤 位 监 测 的矿 用 无 线 雷 达 物位 传感 器不 仅 能够通 过 有线 方式 与矿用 信 息采 集站 通 信 ， 组 成 煤 仓 煤 位 监 测 系 统 ， 还 具 有 以下 优 点 ① 在 具 有 无 线 Wi F i覆 盖 的环 境 下 ， 可 接入 Wi F i 网络 ， 实 现远 程数 据 交 互 与参 数 设 置 ； ② 在 没 有无 线 Wi F i 覆 盖 的环 境 下 ， 能够 作 为 AP建 立 网 络 ， 移动设备可登录传感器设备 ， 实现数据交互与参 数设 置 ； ③ 采 用 w i F i 无 线 通 信 方 式 ， 减 少 了布 线 ， 降低了成本 ； ④ 对于地面及井下煤仓等人员不方便 到达 的现 场 ， 可 在 Wi F i 网络 覆 盖 范 围 内 使 用 移 动 设备对矿用无线雷达物位传感器进行配置与维护。 参考 文献 E l i 辛 元芳 ， 周孟然． 井下煤仓煤位 检测 方法综 述E J ] ． 煤 矿 机 械 ， 2 O 1 3 ， 3 4 5 1 3 - 1 5 ． E 2 ] 叶锦娇． 矿用雷达物位监控装置研究 [ J ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 5， 4 1 9 5 - 7 ． E 3 ] 赵瑞锋． 基于组态 软件 的煤 仓煤 位监 测 系统E J ] ． 黑 龙 江科技信息 ， 2 0 1 3 3 4 1 4 0 1 4 0 ． [ 4 ] 刘 军 良． Wi F i 技术 在 温湿 度远 程 监 测系 统 中 的应用 [ J ] ． 自动化仪表 ， 2 0 1 4 6 7 9 8 2 ． E 5 ] 纪亚萍． 基于 Wi F i S o C的物联 网平 台设计 E D] ． 兰州 兰 州 大 学 ， 2 O 1 5 ．