基于LoRaWAN的液压支架状态监测系统.pdf

工矿自动化 Indus ryand MineAu o maio n 第46卷第8期 2020年8月 Vo l.46No .8 Aug.2020 文章编号1671-251X202008-0089-06DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x . 2020020024 基于LoRaWAN的液压支架状态监测系统 韩哲12,杜毅博12,任怀伟12,赵国瑞12,文治国12,周杰12 1.中煤科工开采研究院有限公司％北京100013 2 . Co al Mining Branc h, China Co al Researc h Inst it ut e, Beijing 100013 , China Abstract In view o f unst able c o mmunic at io n and po o r ant i-int erferenc e abilit y o f t he ex ist ing hydraulic suppo rt c o ndit io n mo nit o ring syst em, a hydraulic suppo rt c o ndit io n mo nit o ring syst em based o n Lo RaWAN wasdesigned.Senso rno desuseraeadapiveec hno lo gyo perio dic alyuplo adda a,a ndc a n ac t ively uplo ad dat a in c ase o f abno rmal c o ndit io ns, and use sequent ial po lling t o reduc e t ransmissio n erro r rat 1;ga t 1wa yssimult an1o uslyt ransmit uplinkanddo wnlinkc o mma ndst hro ughind1p1nd1nt uplinkand do wnlinkc hann1ls,whic hr1duc 1sc olisio npro babilit yo fuplinkanddo wnlinkc o mmands,a ndimpro v1s dat a fo rwarding1fic i1nc y.Ino rd1rt o 1nsur1signalc o v1ra g1o ffulym1c ha niz1dminingfac 1,agat 1wayis inst al1dat t h1c o rn1ro ft h1ro adway,andt h1Lo Ra wir1l1s s s ignalo ft h1fulym1c haniz1dminingfac 1is fo rwa rd1dt o applic a t io nplat fo rmt hro ughajumpt ransmissio n.Ex p1rim1nt a lr1s ult ssho wt hat t h1syst 1m c a n1f1c t iv1ly c o v1r t h11nt ir1ful y m1c haniz1d mining fac 1and r1aliz1c o ndit io n mo nit o ring o f hydraulic suppo rt ,wh1nc o mmunic at io ndist anc 1is150 m,t h1da t a t ra ns mis s io npac k1t lo s s ra t 1is 0,a ndt h1dat a t ransmissio n t ime o f a single senso r no de is abo ut 0. 29 s, t he syst em ac quisit io n c yc le is wit hin 200 s, whic h meet s applic at io n requirement s. Keywordsfuly mec hanized miningfac e;hyd,aulic suppo ,t c o ndit io n mo nit o ,ing;Lo Ra WAN;ac t ive dat auplo ad;wirelesss igna lc o verage 收稿日期收稿日期2020-02-16;修回日期修回日期2020-07-18;责任编辑责任编辑胡娴。 基金项目“十三基金项目“十三五”国家重点研发计划项目2017YFC0603005国家自然科学基金项目“1804158天地科技股份有限公司科技专项重 点项目2019-TD-ZD001。 作者简介作者简介韩哲1989-男，吉林榆树人，助理研究员，硕士，研究方向为综采工作面智能控制理论与技术,E-ma il343108541qq. c o m。 引用格式引用格式韩哲，杜毅博,任怀伟，等基于Lo RaWAN的液压支架状态监测系统工矿自动化，2020,46“ 8993 HAN Zhe,DU Yibo ,REN Huaiwei,et al. Hydraulic suppo rt c o ndit io n mo nt o ring syst em based o n Lo RaWAN,-. Indust ry and Mine Aut o mat io n202046889-93. ・90・工矿自动化46 0引言 综采工作面作为煤炭生产的第一现场，其复杂 多变的环境给煤矿智能化发展带来诸多挑战⑴4-。 液压支架是综采工作面最重要的机械设备之一，对 液压支架支护状态进行监测是回采工作安全可靠进 行的重要基础，也是实现液压支架智能控制的 前提「5心- 目前液压支架通信方式主要包括基于CAN总 线和 WiFi的通信⑼、基于 WiFi 以太网的通 信「10-、基于ZigBee 以太网的通信「11-、基于4G的 井下无线通信「12-。CAN总线和以太网属于有线通 信方式，适用于长距离传输，但是在液压支架移架过 程中线缆因受到拉扯而易损坏,从而导致系统瘫痪。 在回采过程中，4G无线通信信号易受干扰，从而导 致丢包现象。ZigBee和WiFi属于短距离无线通信 技术，在井下实际通信距离大约为几十米，由于综采 工作面环境的特殊性，无法实现大范围无线传输。 上述通信技术受制于通信距离、抗干扰能力、敷设方 式等因素，不能为液压支架状态监测提供稳定的通 信，不能实现对综采工作面的全无线覆盖。 远距离无线电Lo ng Range Radio，Lo Ra技术 是针对长距离、低功耗、少量数据传输应用场景的无 线通信技术，融合了数字扩频、数字信号处理和前向 纠错编码技术，可保障数据传输的稳定可靠 性,13皿。Lo RaWAN是Lo Ra的Mac层协议架构 标准，规定了传输方式、设备分工、网络架构，可保证 设备之间安全标准化的通信流程。Lo RaWAN架 构采用事件驱动或调度机制进行数据通信，结合 Lo Ra技术低发射功率、高灵敏度的特点，实现架构 内无线设备低功耗数据采集「15-。因此，本文提出了 一种基于Lo RaWAN的液压支架状态监测系统。 1系统总体设计体设计 1. 1 系统架构 基 Lo RaWAN 压支 状 包 括传感器节点、网关包括主网关和分网关、应用平 台，如图1所示。传感器节点负责采集液压支架状 态信息，网关负责打包转发节点或应用平台数据，应 用平台主要负责节点和网关管理、数据存储、决策信 息分析推导等。 系统采集周期开始时，应用平台利用空中唤醒 技术下发轮询指令，主网关、分网关再将下行轮询指 令转发至对应传感器节点。传感器节点利用速率自 适应技术将数据上行传输至对应分网关，分网关可 同时传输上下行指令，降低网关传输延时，主网关利 I信号隧道I 数据服务 ; 系统管理 ； 山鏗d应用平台; 无线AP ------------王网关 Lo Ra Lo Ra ；|信号隧道|； ” 物理端口 ；|串行外设接口I； 硬件抽象层■ 外消薛发L 分网关 ； 网关 「--十-- Lo Ra ［行程传感器- ［压力传感器一 ［倾角传感器一 行程传感器一 压力传感器一 倾角传感器一 信号隧道 物理端口 「行程传感器- , _ j ［压力传感器一 补串行外设接口；倾角传感器 -硬件抽象层 ・ 1 、“ I I 行程传感器一 压力传感器一 倾角传感器一 数据源 图1基于Lo RaWAN的液压支架状态监测系统架构 Fig. 1 Arc hit ec t ure o f hydraulic suppo rt c o ndit io n mo nit o ring syst em based o n Lo RaWAN 用相同方式处理数据并传输至应用平台进行分析- Lo Ra信道单数据包传输长度有限，传感器节点大 量数据同时发送时，易增大碰撞概率，因此，采用顺 序轮询方式降低传输误差率。 1.2 布置方式 综采工作面狭长的工作环境及各种金属设备对 无线信号传输的影响极大，极易造成信号衰减。综 采工作面与巷道结合转角处属于无线信号较差的灰 色区域，为保证综采工作面信号覆盖,在巷道转角处 安装网关，通过一次跳传将综采工作面Lo Ra无线 信号转发至应用平台。通过井下实测，Lo Ra在综 采工作面采煤作业环境下的有效通信距离约为 150 m,目前国内综采工作面长度大多在300 m左 右。系统在综采工作面的布置如图2所示。 综采工作面 |分RI关| Lo Ra Lo Ra I---| I Lo Ra _ |分网手”] Lo Ra 图2系统在综采工作面的布置 工作面 集控中 心应用 平台 Fig. 2 Layo ut o f t he syst em o n fully mec hanized miningfac e 2 系统硬件设计硬件设计 2. 1 传感器节硬件设计 传感器节点核心硬件主要包括主控制器、Lo Ra 无线射频模块、信号转换模块、电源、传感器芯体，如 图3所示。主控制器实现Lo RaWAN协议栈、Lo Ra 模块控制、驱动程序。Lo Ra无线射频模块采用 2020 8韩哲等基于Lo RaWAN的液压支架状态监测系统・91・ SX1268型芯片，其最大发射功率为22 dB・m,最大 发射功率下发射电流为118 mA,接收电流约为 5 mA,最大空中传输速率为62. 5 kbit/s。 图3传感器节点硬件结构 Fig 3 Hardwarest ruc t ureo fs enso rno des 传感器节点包括倾角传感器（护帮板、支架底 座、顶梁、掩护梁、四连杆等处）、压 感器（平衡千 斤顶、立柱等处）、行程传感器，传感器节点布置如 图4所示。 顶梁倾角传感器 四连杆 倾角传感器 护帮千斤顶 、、倾角传感器 i护帮板 倾角传感器 平衡千斤顶 压力传感器 立柱压力 传感器 行程传理二f 底座倾角传感器 图4传感器节点布置 Fig 4 Layo ut o fsenso rno des 2.2 网关硬件设计 中网关即基站，负责转发传感器节点数据 和 平 令。主网关 主要包括主控制 器、Lo Ra模块、无线接入点（Ac c ess Po int, AP）模 块、信号 块、电源，分网关核心硬件主要包括 主控制器、Lo Ra模块、信号 块、电源，如图5 所示。主网关的无线AP模块主要 信号 为无线以太网信号。Lo Ra模块采用SX1301 SX1268 型 Lo Ra 芯 片，SX1301 是 Lo RaWAN 协议 专属网关，结合SX1268 并行收发。现场 Lo Ra模块 | |无线ap模块应用平台I I分网关t |信号转换模块心主控制器| 实验部分网关增加了显示端口，以便于实时观测数 通信状态。 3系统软件设计软件设计 3.1 传感器节点软件设计 液压支架状 属于缓变瞬变类型，如果 采集周期以外 状 ，传感器节 点需主动发 。Lo RaWAN协议中Class B类 节点可周期接收服 步信标，并 定时间点 打开接收命令窗口「15-。因此，结合Lo RaWAN Class B类节点和液压支架状 特点，将传感器 节点设计为可周期性上 ，出现异常状 「可 主动上 。 服 中唤醒功能下发数据传输指令, 传感器节点唤醒并接收命令，进 上 ，完 成后节点进入低功 状态，等 一次命令唤 醒。如 采集周期以外 感元件检测到设 备异常（超过程 设正常值），则通过内部MCU 块唤醒传感器节点；节点请求 ，服 汕向 后，节点进 上 ； 结束后，节 点恢复 状态。传感器节点软件流程如图6 所示。 |电 I终端xH 图6传感器节点软件流程 Fig 6 So ft warepro c ess o fsenso rno des （a）主网关 Lo Ra模块 卜”主网关］ |信号转换模块XT主控制器| 分网关I b 分网关 图5 关 结构 Fig 5 Hardwares t ruc t ureo fgat ewa y 32 关 件 主网关主要负责转发服务器轮询指令和以无线 AP 发分 关 。 主 关 并 接收8 分 关 包 8 分 关设 为1 分 关进行分组轮询采集。因为Lo Ra信 节 限，而分网关 大，所以需要分包进 。 分 关主要 责 发主 关轮询 令和采 感 节点 分 关 8 感 节 点设 为1 分 进 轮询采 。 Lo RaWAN网关不 上下行指令 主网关； |电 ・92・ 工矿自动化 46 并行发送，同一时刻网关通道只允许执行上行或下并行发送，同一时刻网关通道只允许执行上行或下 令令。在软件层将服务器或主网关 轮询指在软件层将服务器或主网关 轮询指 令、分网关或传令、分网关或传感器节器节点上 令上 令分 至至 不 片，将芯片功不 片，将芯片功能隔离，使上 离，使上 信 独 立。改进后 关 上 令，降低了改进后 关 上 令，降低了 上 令 上 令 ，扌 发 。网关关 软件流程如图7所示示。 图7网关软件流程 Fig.7 So ft warepro c esso fgat eway 3. 3 应用平台设计 平台分为服务器与应用层，主要在计算机 上运行。应用平台在Ubunt u Linux系统中进行开 发，采用MySQL数据库，服务器采用Ec lipse平台 和C 发，应用层采用WebBuilder架构。 主要存储 存储 平台信息、网关信息及传感器 节节点信息，服务器为 供基础 供基础 服务，应用，应用 层负责 层负责 分析 析 及其图形 示其图形 示。服服 传感器节点 、数据双向 、自适 〕 节、信息去 、数据存储、网关选择、网关与传 感器节节点接 限 、系统功率和 控制等功 能。 层 分析计算、模型建立、液压支架 状态参数显示、模型推导信息显示、预警信息显示、 压支架状态图展示、历 询、报表生成、系 设置等功能。 4实验分析实验分析 在陕西省榆林市大梁湾煤矿对网关和倾角彳感 器节点 和稳定性进行测试。传感器节点 压支架四连连杆 ，网关 支架 上，传感器与网关采用吸盘天线。传感器状态在网 关关显示屏上显示示。 场如图8所示示，其中 X,Y分 示水平方向向和竖竖直方向 向 。传感 器节点 关50〜250 m,每间隔5 s发送1包数据 20 b yt e,每组发送60包 ，共1 200 byt e。考 虑虑设备功耗和液压支架状 分析析需求，设 1 始采集周期为5 min。部分实验数据见表1、表2。 结 明，通信距离为150 m 包率为0,单 单 感器节点 约为 0.29s。 a 传感器安装位置 b网关安装位置 c 传感器状态显示界面 图8系统实验现场 Fig.8 Syst em ex periment sit e 表1单个传感器节点数据传输时间 Table1 Dat at ransmissio nt imeo fasinglesenso rno de 序号测试距离/m通信 /kb it・s-1 /s 12400.210 2220 0.56.5 3210 0.93.9 41901. 72. 1 517031 6150 5.20.29 7130 5.20.28 根据实验得到的单个传感器节点数据传输时 间，结合网关布置方案，用式1计 采集周 期5 T 1. 5 X 1. 5 7-tn 1 J 2 式中J为传感器节点数量;N2为单个分网关对应 2020 8韩哲等基于Lo RaWAN的液压支架状态监测系统 93 表2数据传输丢包率 Table2 Dat at ra nsmis sio npa c ket lo ssrat e 序号测试距离/m接收数据/byt e丢包率/ 1 240 710 40 8 2 22085029 2 32101 01015. 8 41901 10083 51701 160 33 61501 2000 71301 2000 的传感器节点数量 E为单个传感器节点传输时间 ＜为网关数量。 综采工作面每间隔150 m布置1台分网关，共 布置2台分网关。综采工作面共有120台液压支 架，每台液压支架安装10个传感器节点。每台分网 关单次传输8个传感器节点数据，分网关每次跳传 时间翻倍，考虑主网关传输至AP和AP传输至应 用平台的1.5倍延时，用式1计算可得，系统采集 周期在200 s内，证明在5 min采集周期内可完成所 有传感器节点的数据采集任务,满足应用需求。 5结语结语 提出了基于Lo RaWAN的液压支架状态监测 系统，针对综采工作面数据传输环境特点及Lo Ra 无线传输能力设计系统网络架构，在此基础上对系 统传感器节点、网关、应用平台软硬件进行设计。实 验结果表明，该系统可有效覆盖整个综采工作面，实 现了液压支架状态监测，通信距离为150 m时，数 据传输丢包率为0,单个传感器节点数据传输时间 约为0. 29 s ,系统采集周期在200 s内，满足应用 需求。 参考文献References [1]王国法，王虹，任怀伟，等.智慧煤矿2025情景目标和 发展路径[ J].煤炭学报，2018,432295-305. 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