移动扫码阅读
D O I
: 10. 13347 / j . c n k i . m k a q . 2020.12.022
杨雪，吴仁宗，马越豪，等.基于W a v e M e s h 的煤仓煤位监测系统[J ].煤矿安全，2020,51(12)：116-119. YANG Xue, WU Kenzong, MA Yuehao, et al. Coal Level Monitoring System for Coal Bunker Based on
Wave M esh[j]. Safety in Coal Mines, 2020, 51(12): 116-119.
基于Wave M esh 的煤仓煤位监测系统
杨雪^吴仁宗马越豪、张养律3，孟凡猛4
(1.山东科技大学，山东青岛2660()0;2.上海大屯能源股份有限公司，上海221611:3.烟台中集来福士海洋工程有限公司，
山东烟台264(KK);4.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏常州213000)
摘要：设计了一种基于W a v e M e s h 的无线测量系统。系统采用26 G
H z
高频雷达式物位传感器
采集煤位数据，雷达传感器将微波信号通过自身的电子线路部分自动转换成煤位信号，并将输 出的煤位信号送入S T M 32F 104单片机微处理器进行转换、存储，通过W a v e M e s h 无线自组网技 术实现测量装置与上位机的远距离无线传输。系统的应用情况表明：设计的煤仓煤位测量系统 能够方便工作人员实时监测煤位的变化，及时调节输煤机的开关，控制煤位在一个正常的范围 内，确保矿井工作的安全正常运行。 关键词：监控系统；煤仓煤位；高频雷达物位传感器；W a v e M e s h ; S T M 32F 104中图分类号:T D 676
文献标志码：B
文章编号：1003-496X (2020) 12-0116-04
Coal Level Monitoring System for Coal Bunker Based on Wave Mesh
YANG Xue', WU Renzong2, MA Yuehao1, ZHANG Yanglyu3. MENG Fanmeng4
(\ .Shcmdong University oj Science and Technolog), Qingdao 266000, China; 2.Shanghai Daturi Energ) Co., Ltd., Shanghai 221611, China; 3. Yantai CIMC Rcifjles Offshore Co., Ltd., Yantai 264000, China; 4.China Coal Technology and, Engineering
Group Changzhou Research Institute Co., Ltd., Ch(uigzhou 213000. China)
Abstract ： This paper designs a wireless measurement system based on Wave Mesh. The system uses a 26 GHz high-frequency
radar—type level sensor to collect coal level data. The radar sensor automatically converts the microwave signal into a coal level signal through its own electronic circ uit part, and sends the output coal level signal to the STM32F104 single—chip microprocessor for conversion and storage. The Wave Mesh wireless ad hoc network technology is used to achieve long —distance wireless transmission between the ground measurement device and the upper computer. The system application shows that the coal level measurement system can facilitate the staff to monitor the chan
ges of the coal level in real time, adjust the switch of the coal conveyor in time, control the coal level in a normal range, and ensure the safe and normal operation of the mine.
K e y w o r d s : monitoring system; coal level oi toal bunker; high-frequency radar level sensor; Wave Mesh; STM32F104
随着煤炭工业化水平和生产集中化的快速发 展，煤仓成为联系矿井上下部分各生产环节的重要 枢纽111，煤仓煤位的高低直接影响煤矿安全生产的 正常运行。煤仓需保持一定的储煤量，当煤位低于 最低限定值时，造成煤仓空仓，风流短路；当煤位超 过最大限定值时，会出现煤仓堆煤、煤输送机卡住 等情况，发生安全事故。因此，对煤仓煤位的监测在 煤炭安全生产中显得越来越重要。以往一些非接触 式的测量装置以及通用的料位检测装置会受到多粉
尘、多水雾等周围环境的干扰，出现测量精度低、无
法正常工作的情况。为此，设计了一种基于W a v e
M e s h
的无线测量系统；基于近几年雷达技术和雷达
测距理论的迅速发展，选用非接触式的雷达料位计 作为煤位监测系统的传感器，其穿透力强，不受粉 尘、多水雾的影响，测量精度高、测量范围广121，能充 分适应煤矿等粉尘浓度大的生产环境；并用一种新 的基于私有路由技术W a v e 的B M 200N 模块作为无线通信模块，该模块功耗低、传输距离远、操 .11
6.
作方便，弥补了以往有线通信存在线路铺设复杂、 耗能高等的缺点，无线通信协议网络结构简单，所
有节点地位平等且都能够睡眠，克服了其他网状网 络协议如Z i g B e e 要求部分节点（协调器和路由器） 不能睡眠的限制。1
系统总体结构
测量系统主要由高频雷达传感器、微控制器、无 线传输模块、就地液晶显示以及上位机等组成。系 统总体结构图如图1。
上位机
國
满仓信
9 9
■
单片机
控制箱
液晶屏显示
煤位信号
空仓
信号输送带保护主机
I
煤位信号
Bgain，雷达料位机仓下就地箱
雷达料位机
-W m ]
-U S
Fig.l 图1
大花石上莲
系统总体结构图
Overall structure of the system
能力强有利于避开干扰物。信噪比高，即使在矿井 机械波动大的情况下也能获得良好的性能。
雷达料位计工作原理：雷达波是一种传播速度 极快的特殊电磁波，其频率为300 M H z ~ 3000
G H z
，电磁波可穿透蒸汽、粉尘等障碍物雷达料位
计工作原理图如图2。雷达传感器的天线以波束 形式向被测物体发射雷达电磁波。电磁波遇到被测 物体后被反射回来，反射回来的信号仍由天线接收 既雷达电磁信号从发射到接收的运行差与传感器 探头到被测物体表面的距离成比例即4=//-^/2。式 中:/!为煤位;//为槽高为雷达波速度（相当于光 速）;< 为时间差。测量时只要精确测得运行时间差 就能知道煤位的高低，简单方便。
雷达料位计
雷达传感器安装在煤仓顶部，雷达探头通过天 线发射微波脉冲，遇到被测介质表面，其部分能量 被
反射回来，再次被天线系统接收，将信号传输给 电子线路部分自动转换成物位信号，传输给微控制 器，并在就地显示煤位大小。控制器通过采集雷达 传感器输入的数据1与设置的煤位高低限值进行比 较，超过高限值输出满仓信号给原煤输送带主机， 停止输送机运行。低于低限值输出空仓信号给给煤 机，给煤机暂停放煤。同时控制器还将煤位数据信 息通过无线传输模块传输给上位机。系统在上位机 软件的支持下，对采集的数据进行显示并进行统计 分析，以便工作人员不用去现场就可以实时查看煤 位变化情况。
2系统硬件
2.1高频雷达物位传感器
传感器选用26 G
H Z
高频雷达式物位计K R - K D 5X 系列。测量最大距离可达70 m ，微波频率26 G H z
，发射功率最大15 M
W
。天线被进一步优化后尺
mcpd寸小，便于安装。波长短、波束角小，用在倾斜的固 体表面能更好的被反射回来I 能量较为集中，回波
图2
雷达料位计工作原理图
Fig.2 Working principle of radar level gauge
2.2 无线自组网模块
B M
200N 是低功耗分布式无线自组网模块，休
眠电流为0.5/M ，工作电压范围0.7~5.5V 。报文格 式可进行灵活设置' 内有7个引脚，A C T
引脚拉高
唤醒外设后等待所设定的时间后，通过U A R T
接口
向外设发出数据,S E T
引脚用于选择工作的模式，指
示
U A R T
接收数据缓冲区的状态。内嵌无线自组网
哺乳外衣协议W a v e M e s h 。模块各引脚定义图见表1。
表1
模块各引脚定义图
Table 1 Pin definition of each module
B M 200N
•引脚定义
引脚
名称
方向说明1
G N D 输人地
0 V
2
V C C 输人电源(2.1〜3.2 V
)
3R E S E T -N
输入复位脚，模块复位，低电平有效
4R X D 输入U R A T 输入口，T T L
电平5T X D 输出U R A T
输出口 ,
T T L
电平
6A C T 输出外设唤醒信号
7
S E T
输入/输出
模式选择/数据缓冲区空闲指示
•117.
智慧农业控制系统
W a v e M e s h是无线移动自组网的理想协议。功
耗低、成本低，适合网络规模大、拓扑结构变化快的 移动网络。所有节点都平等，当不需要无线数据
传 输时可同时休眠，功耗低，节约了电源电量。网络性 能优异，不需进行初始化就能立即进行通信，即使 发生供电等硬件故障也能在极短时间内自我恢复。支持255级中继路由，大大延长了通信距离，适合恶 劣工作环境的远距离传输。用法简单，最基本的方 式是将模块连接到P C，由电脑配置工具软件进行配 置。无线模块的基本配置包括射频信道、发射功率、无线波特率、同异步休眠唤醒、电源管理等参数。2.3微控制器
选择使用性能优越的S T M32F407V G T6微处理 器进行控制，S T M32F407系列微处理器基于高性能 A R M CorteX-M4 32位R I S C内核【7】以高达168 M H z 的频率运行。Cortex-M4内核支持所有A R M单精度 数据的处理指令和类型|81，高速嵌人式内存（闪存最 大1M B，最大192 K B的S R A M)，最大4 K B备份 S R A M，以及广泛增强型的I/O和2个连接外部设备 的A P B总线，它们还具有标准和高级功能通信接 口。相当性能的C P U,S T M32F4的F l a s h较快，具有 更高的功耗效率，适合需要有运算量大的场合。主 芯片通过采集到相应的煤位A D值后进一步进行计 算、存储、显示并利用计算结果对系统其它模块进 行控制，实现协调工作完成采集任务。微控制器结 构原理图如图3。
图3微控制器结构原理图
Fig.3 Schematic diagram of microcontroller structure
3系统软件
3.1数据采集
数据采集主程序流程图如图4。
系统对煤仓煤位进行测量时，随着煤位的高低 变化，微处理器发出命令使雷达传感器开始运行，雷达探头发出微波信号，通过电子线路部分将微波 信号转换成物位信号。单片微处理器接收传感器的 煤位模拟信号并将信号转换为数字信号，根据数字 信号计算出煤位和煤位变化量' 将数据传输到显
d®
I
I定时A中断I
I初始模块I
丨传感器上电开始数据采集I
(M®
图4数据采集主程序流程图
Fig.4 Flow chart of main program of data acquisition
示仪表进行显示并存储到存储器中。
3.2数据传输
无线模块主程序流程图如图5。
I读取1传数据I
I
I封装上传数据I
T
I数据上传I
(gesV-
图5无线模块主程序流程图
Fig.5 Flow chart of main program of wireless module
煤仓煤位数据在采集存储后通过无线模块传输 到上位机。全网系统无线模块包括N O D E模块和 R O O T模块，N O D E模块放置在数据采集端，R O O T 模块的U A R T 口与P C相连组成环回组网，利用 N O D E模块的串口进行数据环回。R O O T模块通过 转接工具将U A R T 口转接到P C机C O M 口。通过串
•118-
口调试助手打开P C机对应的C O M 口进行参数配 置，将N O D E模块的T X和R X引脚用跳线短接，R O O T模块出厂默认上电后会周期性的向网络中广
播“〜F F F F F F R D D V’报文。N O D E模块接收到报文后
将帧头同步字和地址域“〜F F F F F F”自动去掉，通过
串口发送“R D D\r”，T X和R X端被短接,“R D D\r”会
作为N O D E模块的输人报文。N O D E模块会自动在
该报文前添加帧同步字和自己的M A C地址域
X X X X X X R D D V’，通过无线发送至R O O T。最终连接
R O O T模块的P C上的串口工具周期性的打印出网
络中N O D E模块的环回数据报文
4结语
设计了基于W a v e M e s h的煤仓煤位监测系统。详细介绍了系统组成、雷达传感器和无线自组网模
块的软硬件设计。基于W a v e M e s h的煤仓煤位监测
系统避免了以往使用接触式测量器件出现易磨损，测量精度低的情况，克服了其他网状网络协议不能
同时睡眠耗能高的限制，减少了工作面的繁琐线路
铺设，节约了成本。
参考文献：
[1]乔红兵，张金伟，冯立，等.井下煤仓煤位监测系统的
(上接第115页）
用于矿用开关柜内，能够准确可靠测量各测点温度。开关柜智能在线监测技术在神华新疆能源有限公司
碱沟煤矿变电站投人使用，在变电站10 k V配电柜
内安装监测分站，将温度传感器和局放监测终端设
置于开关柜内关键节点。利用智能监测软件平台，实时监测开关柜内关键节点温度和开关柜内局部放
电情况，实现了对开关柜设备状态监测、故障诊断和
智能分析等功能。
参考文献：
[1]王琳.煤矿电网安全与可靠性研究[J].工程技术研究，
2017(1)：142-147.
[2]蔡智超.高压开关柜局触头温度在线监测的研究[J].
电气工程，2019(5): 153-155.
[3]蔡智超.高压开关柜局部放电检测技术应用的相关探
讨[J].科技创新与应用，2018(5): 143-144.
[4]武以立，邓盛刚，王永德.声表面波原理及其在电子技
术中的应用[M].北京：国防工业出版社，1983:209.
果壳箱设计[JL煤矿机械,2015,36(4): 20-22.
[2]吴作栋.浅析雷达测距技术在煤矿自动化中的应用
[J].电子制作,2013(9):228.
[3]王大千.高频雷达物位计在料位测量中的应用[J].水
泥技术,2012(4): 106-108.
[4]王琦，陈彬.基于雷达料位计的煤仓煤位监控系统的
设计及应用[J].煤矿机械，2015,36(8):301-303.
[5 ]史登跃，薛梅花.雷达料位计的原理及应用[J].计量技
术，2004(9) :57-58.
[6]石琳.基于W ave Mesh的无线传感器网络应用研究
[D].保定：河北农业大学，2014.
[7]王永响，王晓荣，储震宇，等.基于ST M32和酶生物传
感器的数据采集系统设计[J].电子器件，2019,42
(6)：1-5.
[8]冯启高，侯建雷，王亚星.基于S T M32的词料制粒机
故障检测系统[J].河南科技学院学报,2019(6): 54. [9]徐洋，段双双，王贞宝，等.基于窄带物联网的罐道间
距测量仪[J].煤矿安全，2018,49(9): 163-166.
[10]蔚庆高.基于W a v e M e s h和G P R S的无线远传燃气
抄表系统的设计[D].杭州：浙江工业大学,2013.
作者简介：杨雪（1989 —），女，山东临沂人，在读硕士 研究生，从事矿用传感器与智能仪器等方面的研究。
(收稿日期：2020-02-27；责任编辑：李力欣）
[5]韩鹏.声表面波远程温度传感系统在变电站中的应用
[J].山东电力技术，2012(6) :44-46.
[6]龚贻文，谭冰，刘文.声表面波无线无源温度传感系统
[J].电气技术，2010(11): 101-104.
[7]郭永凯，董建玲，闫福录，等.高压开关柜局部放电带
电检测技术应用的相关探讨[J].电力系统装备,2018
(12)：33-34.
[8]方佑军，陈秋銮，曾德志.探讨高压开关柜局部放电检
测技术[J].电力系统装备,2019(11 ):45-46.
[9]韩捷，孙奇珍，党卫军.一种新型的开关柜局放在线监
测系统研究[J].机电信息，2018(36): 39-42.
[10]黄友.开关柜局部放电带电检测技术研究[J].机电信
息，2014(27): 93-95.
作者简介：付文俊（1970—），黑龙江哈尔滨人，研究员，博士，2010年毕业于辽宁工程技术大学，中国矿业大学（北京）博士后出站，从事煤矿安全智能化产品开发和工程设 计方面的技术和管理工作。
(收稿日期：2020-05-22；责任编辑：李力欣）
.119.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议