图1 基于矿用无线雷达物位传感器的煤仓煤位监测系统
李继来1,2
(1.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司， 江苏 常州 213015)
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ESP8266单片机作为核心处理模块、雷达探头作为传感单元，能够在WiFi网络覆盖的环境中接入WiFi网络，在没有WiFi网络覆盖的环境中作为无线接入点来建立WiFi网络，建立Web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RS485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； WiFi网络
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1455.002.html
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[1]、雷达物位传感器等。其中矿用雷达物位传感器采用26 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测量[2]。
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入设备组成[3]。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。受限于现场空间(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。
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WiFi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RS485总线与矿用信息采集站通信，进一步接入以太网，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(Access Point，接入点)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WiFi信号覆盖范围内时，可直接通过WiFi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WiFi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。
图1 基于矿用无线雷达物位传感器的煤仓煤位监测系统
矿用无线雷达物位传感器由电源模块、雷达探头、ESP8266核心处理模块、RS485通信模块组成，如图2所示。
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AC/DC电路将AC127/380 V电压转换为DC24 V,为雷达探头供电。同时，DC24 V通过DC/DC电路转换为DC5 V，为ESP8266核心处理模块及RS485通信模块供电。
2.2 雷达探头
雷达探头采用K波段26 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间差，即可确定雷达探头与障碍物之间的距离。
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]。
2.3 ESP8266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]中的无线温湿度传感器。该传感器由DHT11温湿度传感器、STM32单片机实现数据采集与处理，通过STM32单片机的USART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ESP8266作为矿用无线雷达物位传感器的核心处理器。
ESP8266是一款带有WiFi硬件模块的单片机，其以Cadence Tensilica Xtensa LX106为核心，片上具有GPIO、SPI、PWM、UART、I2C等接口，内部集成了2.4 GHz LNA(Low Noise Amplifier，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WiFi通信功能的智能设备设计。ESP8266具有低功耗工作模式，能够在低功耗与高性能之间任意切换，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[5]。
采用ESP8266设计矿用无线雷达物位传感器时，通过ESP8266的UART1接口与RS485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WiFi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ESP8266的UART2接口连接RS485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。
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Web服务程序、RS485通信程序。考虑到传感器的稳定性及兼容性，采用开源FreeRTOS作为软件的底层操作系统。
FreeRTOS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FreeRTOS上开数据采集与处理、Web服务、RS485通信这3个任务，3个任务的优先级相同，在FreeRTOS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ESP8266配置为Station AP模式，此时ESP8266有2种工作模式：在有WiFi网络覆盖的环境中，ESP8266可工作在WiFi网络设备模式(Station)下，通过WiFi AP接入WiFi网络；在没有WiFi网络覆盖的环境中，ESP8266本身可作为AP工作，在局部搭建WiFi网络，此时移动设备作为网络设备，可直接连接ESP8266进行信息交互。将ESP8266配置为Station AP工作模式的方法：直接调用ESP8266生产厂商提供的SDK中的wifi_set_opmode(STATIONAP_MODE)函数。
RS485通信任务即通过ESP8266的UART1接口将设置命令发送至雷达探头，通过UART2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。
Web服务程序流程如图4所示。Web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WiFi网络发出POST指令设置传感器参数，或发出GET指令获取传感器数据。
图4 Web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[2]。这些数据需通过Web服务任务及RS485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FreeRTOS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xQueueHandle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。
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WiFi覆盖的环境下，可接入WiFi网络，实现远程数据交互与参数设置；② 在没有无线WiFi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WiFi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WiFi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：
[1] 辛元芳,周孟然.井下煤仓煤位检测方法综述[J].煤矿机械,2013,34(5):13-15.
[2] 叶锦娇.矿用雷达物位监控装置研究[J].工矿自动化,2015,41(9):5-7.
[3] 赵瑞锋.基于组态软件的煤仓煤位监测系统[J].黑龙江科技信息,2013(34):140-140.
[4] 刘军良.WiFi技术在温湿度远程监测系统中的应用[J].自动化仪表,2014(6):79-82.
[5] 纪亚萍.基于WiFi SoC的物联网平台设计[D].兰州：兰州大学，2015.
LI Jilai1,2
(1.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China;2.Tiandi(Changzhou) Automation Co., Ltd., Changzhou 213015, China)
Abstract:For problems of difficult setting, maintenance and wiring and high maintenance cost of radar material level sensor in existing coal bunker material level monitoring system, a mine-used wireless radar material level sensor was designed. The sensor takes ESP8266 single chip microcomputer with a wireless radio frequency module as a core processor and a radar sensor as sensing unit. In an environment with WiFi network coverage, the sensor can be directly connected to the WiFi network. In an environment without WiFi network coverage, the sensor can be used as a wireless access point to establish a WiFi network. The sensor can provide web services to communicate with mobile devices for data transmission and sensor configuration. Meanwhile, the sensor can access mine-used information collection station in existing coal bunker material level monitoring system with a flexible application.
Key words:coal bunker material level monitoring; radar material level sensor; wireless monitoring; WiFi network
文章编号：1671-251X(2016)07-0005-03
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.002
收稿日期：2016-03-20；修回日期：2016-05-26；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-2015-CZGF-01)。
作者简介：李继来(1978-)，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工作，E-mail：lijilai2005@163.com。
中图分类号：TD67
文献标志码：A 网络出版时间：2016-07-05 14:55
李继来.矿用无线雷达物位传感器设计[J].工矿自动化，2016,42(7)：5-7.