基于LoRa的采煤机振动信号采集系统设计_郅富标.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0550引言采煤机是当前我国矿业能源行业的大型关键设备，煤矿开采的效率严重依赖于采煤机的工作状态，由于采煤机工作的现场环境复杂，其工作状态受到诸多因素干扰，通过对采煤机振动信号的分析能够诊断它的工作状态。因此，非常有必要研发一套采煤机振动信号采集系统。考虑到矿井现场设备、电气管线分布杂乱，通信干扰因素多等因素，本文设计了基于LoRa的采煤机振动信号采集系统，通过无线网络传输振动信号，提高现场数据传输的稳定性。1系统总体设计基于LoRa的采煤机振动信号采集系统能够采集多个分布在不同点位的振动信号，系统由加速度传感器、角度传感器、STM32单片机、LoRa通信模块和上位机等组成，系统总体设计如图1所示，传感器采集采煤机部件的振动信号，STM32单片机处理振动信号，LoRa通信模块实现无线通信功能，上位机主要实现振动信号在线监测。图1系统总体设计图2系统硬件设计2.1总体设计根据功能需求，系统的硬件总体设计如图2所示：STM32单片机作为主控芯片，外围电路主要包括CYT935型零加速度传感器电路、JY61型姿态角度传感器电路、LoRa通信模块电路、电源电路、晶振电路和复位电路。基于 LoRa 的采煤机振动信号采集系统设计*郅富标1，吕辉2，3（1.河南工业和信息化职业学院，河南 焦作454000；2.河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作454000；3.河南理工大学 光电传感与智能测控河南省工程实验室，河南 焦作454000）摘要：采煤机振动信号对判断采煤机运行状态具有重要意义，考虑到井下工作条件恶劣、通信干扰因素多等因素，设计了一种基于LoRa无线传输技术的采煤机振动信号采集系统，以STM32单片机作为主控制器，结合SX1278芯片设计了系统硬件，调用PYQT工具包设计了上位机软件。实验表明系统能够实现多点振动信号的精确采集，通信最大距离为152 m，能够满足工作面远程信号采集要求。关键词：LoRa；采煤机；振动信号；STM32中图分类号：TN919文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 268 03Design of Shearer Vibration Signal Acquisition System Based on LoRaZHI Fubiao1，LYU Hui2，3(1.Henan Vocational College of Industry and Information Technology,Jiaozuo 454000,China；2.School of ElectricalEngineering and Automation,Henan University of Technology,Jiaozuo 454000,China；3.Henan Engineering Laboratoryof Photoelectric Sensing and Intelligent Measurement and Control,Henan University of Technology,Jiaozuo 454000,China)Abstract:The vibration signal of shearer is of great significance to judge the operation state of shearer.Considering the poor underground working conditions and many communications interference factors,ashearer vibration signal acquisition system based on LoRa wireless transmission technology is designed.The system hardware is designed with STM32 single chip microcomputer as the main controller andSX1278 chip,and the host computer software is designed with PYQT toolkit.Experiments show thatthe system can realize the accurate acquisition of multi-point vibration signals,and the maximumcommunication distance is 152 m,which can meet the requirements of remote signal acquisition ofworking face.Key words:LoRa；shearer；vibration signal；STM32单片机传感器1传感器2传感器1传感器2传感器1传感器2单片机单片机*河南省工程实验室开放基金（HELPSIMC-2020-007）268图2系统硬件总体设计图硬件电路主要任务：（1）加速度信号采集，根据CYT9350模块的控制逻辑实现加速度信号的采集；（2）角度信号采集，根据JY61智能模块的控制逻辑实现角度信号的采集；（3）无线通信：单片机控制SX1278芯片逻辑，控制SX1278芯片建立无线网络，实现数据的收发；（4）电源供应：设计开关型降压电路，满足系统耗电需求。2.2电源电路设计由于STM32的供电电压和AD转换器的供电电压都是3.3 V，SX1278芯片的供电电压为5 V，因此设计了电源电路如图3所示。AC 220 V市电通过电源转换为AD 12 V，AD 12 V通过LM2576-5 V和LM2576-3.3 V降压成5 V和3.3 V，设计了二极管D2和D4，通过它能够判断电源电路是否正常工作。LM2576是一款开关型降压稳压芯片，具有纹波小、工作稳定等优点，适合作为本系统的电源芯片。图3电源电路图2.3主控芯片外围电路设计STM32单片机与外围电路连接图如图4所示。JY61型姿态角度传感器电路、加速度传感器电路、STM32F407单片机和SX1278扩频模块组成系统信号采集终端硬件电路。图4外围电路设计图JY61型姿态角度传感器内置了MPU6050模块，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减小了大量的封装空间。模块内置了卡尔曼滤波算法，模块通过串口与单片机连接，输出数字信号，能够输出加速度、陀螺仪和欧拉角3种数据，可以通过筛选输出数据包头选择3种数据中的1种或多种，本文通过包头0 x55得到X，Y，Z方向角度数据，模块默认波特率115 200 bps。具有分辨率高、稳定性好等优点。加速度信号由CYT9350型压电式振动速度传感器采集，内置PZT-5压电材料，测量范围020 m/s2，灵敏度为5%，输出024 V模拟信号。由于单片机AD采样最大电压为3.3 V，所以设计了以R1，R2，R3组成的分压电路，通过R1/R3的比值确定模拟信号的电压，最后通过模数转换得到加速度传感器测得的加速度实际值。SX1278扩频模块是一种LoRa无线技术硬件模块，主芯片为Semtech公司的SX1278芯片，集成了自动扩频计算和硬件检验处理，模块的I/O接口引脚与微控制器GFPIO引脚相连，单片机通过SPI接口实现与该模块的数据交互，SX1278扩频模块适合距离远、功耗低的场合应用。3系统软件设计系统软件主要由系统主程序流程、LoRa通信子程序流程和上位机软件组成，其中前2套流程通过C语言并调用硬件固件库设计，上位机软件通过调用PYQT工具包设计。3.1系统主程序流程系统上电后读取FLASH的参数，并进行各模块自检，完成系统初始化，之后角度传感器进行校准，各个LoRa通信模块进行组网，建立数据传输通道，单片机以0.02 s的周期读取传感器的信号，通过内部算法处理得到信号的实际值，并将数据打包为ASCII格式，上位机接收数据包后进行解码，并将数据在线显示。系统主程序流程如图5所示。图5系统主程序流程3.2LoRa通信子程序流程LoRa通信子程序流程如图6所示。为了降低SX1728扩频模块的功耗，模块在未接到发送/接收第42卷第03期Vol.42 No.03基于LoRa的采煤机振动信号采集系统设计郅富标，等8MHz_OUT8MHz_IN系统初始化CYT9350加速度传感器电路ADCUARTSPI电源电路晶振电路复位电路STM32F407JY61姿态角度传感器电路LoRa通信模块电路5 VU35148VCCVCCGNDGNDJY61RESET3.3 V+12 VU1C1LM2576-5 VVINVOUTFBGND+3.3 VTXRXSCLSDARXD1TXD1VCCGND3267R2SX1278扩频模块ANTU5RX1TX1VCCGNDOSC_INOSC_OUTBOOT0ADCVINU4STM32F407C5R1R3NRSTVREFMISOMOSISCKSSSDOPC93.3 VANTMOSIMISOSCKCSDIO0RSTGNDVCCDIO3GNDNCNCDIO2DIO1GND131514354256452324259916781011129ONL1D1C2+5 VD2R1U2+12 VVINFBVOUTGNDONL2C4D4R2D3C3LM2576-3.3 V开始传感器数据校准LoRa网络建立振动信号采集数据处理与打包上位机将数据包解码并显示上位机接收数据包结束269命令期间处于待机模式，在发送/接收完数据，并接收到相应的标志位后再度进入待机模式。为避免信号干扰，程序中均设计了校验串口数据，串口在确定收到完整有效的数据帧后，才会根据约定的通信协议执行对应的命令。图6LoRa通信子程序流程图3.3上位机程序基于LoRa的采煤机振动信号采集系统的上位机画面能够实时显示所有采集节点的数据。上位机程序的工作步骤为：首先将“系统主界面”打开，进行串口和波特率配置，上位机通过设置的波特率对下位机进行轮训，然后上位机接收到数据包，进行解码，将加速度、角度的实际值显示在画面的对应位置。系统上位机画面如图7所示。图7系统上位机画面4测试结果与分析为了测试采煤机振动信号采集系统的功能，使用新疆一处小型煤矿中的MWG-200/475型采煤机进行了实验，在采煤机的左摇臂上安装了系统的终端。（1）系统通信距离测试将单个系统信号采集节点固定在采煤机机身，上位机安装在笔记本电脑上，上位机通过插在USB口的接收模块接收无限信号，系统设置每250 ms接收1次数据。通过多次改变笔记本与采煤机的距离，记录不同距离范围内LoRa无线通信技术的丢包率，测试系统的通信距离。不同距离的丢包率如表1所示。表1不同距离LoRa无线通信技术的丢包率从表1中看出，上位机距离采集节点110 m以内，丢包率为0，信号传输稳定，110 m以后丢包现象开始出现，152 m以上的距离丢包率达到99%以上，上位机基本接收不到信号。因此系统有效通信距离小于152 m。（2）振动信号准确性测试煤矿井中环境复杂，机电设备种类多样，分布较为集中，电磁干扰严重，信号来源繁杂，导致采集到的振动信号与原始信号有误差，出现信号失真现象。为了保证通信的稳定，测试距离设定在100 m，将采煤机左摇臂加速度信号、角度信号的测量值与各自实际值作比较，得到了其准确性，如表2所示。表2振动信号准确性从表2中看出，系统采集加速度信号的准确率为95%左右，采集的角度信号的准确率都在92%以上，说明系统采集到的信号的失真很小，能够通过测量值反应采煤机的振动情况。5结语本文通过硬件和软件的分析设计了一套基于LoRa的采煤机振动信号采集系统，进行了现场测试实验，系统采集数据的准确性与无线通信距离都能够满足设计需求，能够为采煤机振动信