基于数据电力猫的通风机风速风量无线测试系统的设计_汤中于.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0340引言在矿山生产中，通风系统担负着向井下输送新鲜的空气和排出井下有害气体的工作，是高效安全生产的重要保障，因此需要定期对通风机性能进行测定，以保障通风系统高效安全运行。在通风机性能测试中，风量是个十分重要的指标，风量测定的方法有很多，其中通过测试测风断面的平均风速，然后乘以测风断面的面积计算出风量的方法最为普遍。在测试风速时，一般根据测风断面的大小安排测风的点数，最少9个点，最多可测试32个点。目前在实际测试过程中必须逐个点进行，1条风机曲线要测8个工况点，也就是测试人员至少要完成72个点风速测定。由于测试环境一般都比较恶劣，对于测试人员是个极大的负担，而且由于测量1个工况点的风速是分别测出，非同步测量，从而导致计算的出风量十分的不准确，无法很好地对通风机风速性能进行评价。“基于数据电力猫的通风机风速风量无线测试系统”严格遵照国家“AQ 10112005”对煤矿在用通风机有关检测检验规范及煤矿安全规程要求设计，较好地减轻了检测人员的工作强度，解决了数据采集不同步和无线通信不稳定问题。1系统的组成及工作原理系统由以10英寸平板专用电脑为核心的主机系统、带有风杯的从机测速装置、无线数据电力猫收发器1#和无线数据电力猫收发器2#这4个部分组成，其系统结构框图如图1所示。图1系统结构框图基于数据电力猫的通风机风速风量无线测试系统的设计汤中于1，刘晓庆2（1.中国矿业大学 信息与控制学院，江苏 徐州221116；2.山西潞安检测检验中心有限责任公司，山西 潞安046204）摘要：以数据电力猫为基础设计了通风机风速风量无线测试系统，系统由无线数据电力猫收发器、便携平板电脑、从机风速测试装置组成。系统运用无线通信技术和数据电力载波通信技术解决了测试风洞截面风速异步性和无线信号穿墙问题，减轻了测试强度，提高了系统测试精度和稳定性。关键词：电力猫；平板计算机；风速测试异步性；无线通信中图分类号：TD653；TD441文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 147 03Design of Wireless Testing System for Ventilation Fan Wind Speed andAir Volume Based on Data Dower CatTANG Zhongyu1，LIU Xiaoqing2（1.School of Information and Control Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China；2.Shanxi Luan Testing Center Co.,Ltd.,Luan 046204，China）Abstract:A wireless testing system for ventilation fan wind speed and air volume is designed based onthe datapower cat.The system consists of a data power cat transceiver,a portable tablet PC,and a windspeed test device of the turbine.The system uses wireless communication technology and data powercarrier communication technology to solve the problems of test wind speed asynchrony of wind tunneland wireless signal through the wall,andreduces the testing intensity and improves the testing accuracyand stability of the system.Key words:power cat；cattablet；wind speed testing asynchronous；wireless communication无线通信模块风速查询模块电源欠电模块主机数据处理系统平板电脑风速校验模块平均风量计算锂电池模块电力线无线数据电力锚收发器1#从机装置1#无线数据电力锚收发器2#从机装置2#从机装置3#从机装置4#从机装置5#从机装置n#147系统工作时，主机发出读取风速命令，命令以无线方式传输给无线数据电力猫收发器1#，无线数据电力猫收发器1#则通过电力线把命令传输给无线数据电力猫收发器2#，数据电力猫接收器2#则把命令再发送给从机测速装置，从机接收命令后就把当前所测实时风速以无线方式传输给主机系统，从而完成1路风速的实时测试，依次类推，系统可在1 s中以内完成多达32路所有风速的测试，基本实现了同步测试的风速目标，提高了测试效率、测试进度和自动化测试水平，减轻了测试强度。2系统关键电路设计2.1从机测速装置的设计从机测速装置的功能就是完成1个区域面积风速的测定，并在接到上传命令后，及时把实时风速上传给主机系统。风速测试装置设计必须考虑整个装置体积尽可能地小，这样就可以减少装置对风流的流速的影响。为此，首先定制了1款叶轮直径小于60 cm迷你型材质为炭纤维风杯。其次采用了内含高精度10位8路AD的仅仅16个引脚的STC8G1K08单片机，该单片机还具有1路串口通信，这样仅需运用单片机内部硬件资源，就可实现装置的所有功能，有效地减小整机的体积，具体原理图如图2所示。图2从机风速测试装置原理图该装置主要由电源模块、电源欠电模块、风速测试模块、无线透传模块、锂电池充电模块组成。电源欠电模块由单片机内涵AD模块直接完成，当电池电压低于3.0 V（电池保护电压）时发出报警，欠电红色指示灯亮起。风速测试模块由抗干扰强的光耦电路和单片机内部计数器构成，完成实时风速的测定和计算，无线模块则完成响应主机命令，把风速的实时上传。2.2电源电路设计本系统无论是主机系统还是从机系统都采用锂电池供电，为保证系统能正常工作8 h以上，采用1款2 800 mAh软包高温聚合物锂电池为系统供电，并精心设计了电源电路，保证了系统的小巧化，其电路如图3所示。图3系统电源电路图从图3中看整个电路核心是PL2628。PL2628是1款以恒定频率低静态功耗工作电流型DC-DC升压电源管理芯片，只需配以少量的外围元件，即可实现把输入224 V电压升压到28 V输出，电流输出峰值可达2 A以上，特别适合电池供电系统、机顶盒、LCD液晶显示和移动设备。电路作用是把3.7 V升压到5 V，为系统供电。2.3无线数据电力猫收发器设计无线数据电力猫收发器由带串口无线透传模块和电力载波通信模块组成，完成数据穿墙传输。由于通风机通风风洞一般都是大量的钢筋混凝土的建筑物，无线通信传输信号很不稳定，为了解决无线通信信号穿墙问题，设计了无线透传模块和电力载波通信模块组合，实际使用证明较好地解决了这个问题。电力载波通信模块采用电力线载波芯片SSC1667设计，该芯片内部集成32位处理器，采用OFDM数字调制解调方式传输，具有通信速率快、灵敏度高、抗干扰能力强等特点，特别适于环境恶劣的通信，同时还带有串口通信，可以很方便与无线透传模块进行接口通信。数据电力猫接收器工作时，首先通过无线通信模块接收无线信号转化成数字信号，接着通过串口把数据传送给电力通信模块，电力载波模块则把数字信号调制成高频信号耦合到电力线上，通过电力线把高频数字信号传输给远端电力猫收发器，远端的数据电力猫通信模块通过滤波器分离出数字信号，同时再把数字信号通过无线通信模块转化成无线信号传输到从机测试装置，实现了数据“无线+有线+有线+无线”的传输模式，提高系统通信稳定性和抗干扰能力，具体电路原理图如图4所示。第42卷第02期基于数据电力猫的通风机风速风量无线测试系统的设计汤中于，等Vol.42 No.02VCC锂电池3 k风杯脉冲STC8G1K08161514131211109无线透传模块LVCC-锂电池4156SWGNDFB2NCINENPL2628VCCVCC3 k1 k1 k12345678ADC0/P1.0ADC1/P1.1ADC6/P1.6ADC7/P1.7RST/P5.4VCC/ADC_VRef+P5.5GNDP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1/TXDP3.0/RXD1 k1 k2 k5 V10 F1 F5 k10 k1 F47 F3+148图4无线电力猫接收器原理图2.4主机系统的设计主机系统在系统中功能主要有通信参数设置、风速采集、风速计算、风速的校验、风速的存储、历史数据查询和风量的计算等功能，硬件上由三防的平板电脑和无线接收装置组成，软件则采用C+语言设计，其运行界面和详细功能如图5所示。图5主机系统运行界面示意图在这些功能中，风速的校验模块是系统的核心模块，是整个系统精度的保障，也是系统设计成功的关键。为了使系统能在较为恶劣的运行环境具有较强的抗干扰和稳定性，选择了经过光电隔离电路处理输出为脉冲信号型的叶轮式风速传感器，它的测试风速原理为一定风速以一定的频率脉冲输出，由于机械结构上原因，在030 m/s大量程上风速很难是线性输出，离散性强，表现为图6非线性输出。图6风速传感器输出特性图为了达到系统设计的绝对误差精度，把整个量程上分5段进行校验，每段校验采用了最小二乘法多项式曲线拟合算法。在实际系统中，在实验室风洞上经过反复测试研究，实际采用了四次多项式进行拟合，拟合后所测试的部分数据如表1所示。表1标准风速和拟合后实际风速对照表从表1数据看，拟合效果较好。表1中列出了2段风速，分别采用了式（1）、式（2）这2个四次多项式。实际风速y1=-0.000 100 74x4+0.000 469x3-0.070 01x2+0.608 77x+0.745 5（1）y2=0.000 382 91x4-0.055 02x3+2.929 79x2-68.231 7x+593.33（2）式中x风速传感器输出脉冲频率，Hz。其余段效验依次类推，不再一一表述。3结语（1）系统运用无线通信技术设计了通风机风速测量系统，实现了对风洞截面风速的同步测量，从而提高了平均风速和风量测试精度，为通风系统优化和通风机性能测试提供准确科学依据。（2）系统运用了数据电力载波通信技术，解决了无线通信信号在混泥土建筑通信传输困难和不稳定的问题，提高整个系统稳定性和可靠性。（3）通过国内数家检测检验机构实际使用，系统具有良好的测试精度和稳定性，因此系统可广泛用于专业测试机构、检测检验公司和实验室风速风量的测试，具有一定的实际应用价值。参考文献：1杨海军，阳辉，宋健.电力线可见光双向语音通信系统工程应用J.实验技术与管理,2021,38(11):1-4.2杨勇.电力线载波技术下船舶突出障碍物视频监控系统设计J.舰船科学技术,2018,40(10):85-87.3梁波，周生伟，韩云.电力载波技术在用电信息采集系统中的应用J.电力系统通信,2013,34(244):78-81.4张传伟，蔡志泉.基于RSSI算法的井下定位方法的改进J.煤炭工程,2018,50(9):15-17.5宁志强，刘家祥，吴越，等.基于改进迭代多项式拟合的红外光谱基线校正方法J.激光与光电子学进展,2020,57(3):255261.6徐志钮，胡宇航，赵丽娟，等.基于改进二次多项式拟合的布里渊频移快速高精度提取算法J.光谱学与光谱分析,2020,40(3):842-848.7张军，刘百祥，吴燕清，等.基于最小二乘多项式分段拟合的全区时间域电磁视电阻率直接计算J.煤炭学报，2019,44(S1)：214-219.作者简介：汤中于（1966-），江苏常州