摘 要：采煤机在现代煤矿工业中起着至关重要的作用，为提高其安全生产效率，提出了一种基于STM32F103VCT6微处理器和CC1100无线收发芯片的采煤机无线遥控系统。系统采用433 MHz频段的RF信号实现了发送单元与接收单元间的无线通信，设计了硬件电路，给出了软件流程。实验结果表明，该无线遥控系统具有通信效果良好、功耗低、性能稳定等特点。
关键词： 采煤机；无线遥控；STM32F103VCT6；CC1100
0 引言
采煤机是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一。机械化采煤可以减轻体力劳动、提高安全性，达到高产量、高效率、低消耗的目的。由于采煤机的实际开采空间狭窄，工作环境恶劣，司机手工作业时存在着巨大的安全隐患。传统的采煤机控制多采用机组电缆线控制，操作十分不便，因此，设计一种高效灵活的采煤机远程无线遥控装置显得尤为重要[1]。
1 采煤机无线遥控系统工作原理及系统构成
1.1 工作原理
采煤机遥控系统的典型应用如图1所示。其两端各有一个滚筒，前滚筒在上割顶煤，后滚筒在下割底煤。两滚筒一般相背旋转，司机左侧滚筒用左螺旋，司机右侧滚筒用右螺旋。也可相向旋转，司机左侧滚筒用右螺旋，司机右侧滚筒用左螺旋。一般采用双向采煤，先进刀后移机头的斜切进刀方式；也可采用进刀同时移机头的正切进刀方式[2]。
针对以上应用，整套系统共有4台发送单元，2台接收单元。使用时，2台手持发送单元在矿上充电，其余2台手持发送单元和2台接收单元带到矿下配对使用。为实现收发单元的通用，发送单元和接收单元均可以设置方向（左/右）。设置后，左发送单元控制左接收单元；右发送单元控制右接收单元。
1.2 系统构成
系统分为手持发送单元和接收单元，两个单元均以STM32F103VCT6为控制核心，辅以按键采集模块、LED指示模块、基于CC1100的无线收发模块等辅助电路。配对使用的手持发送单元与接收单元需设置好相同的方向（即设备ID）和信道，手持发送单元采集按键信息，发送给接收单元，由接收单元转为CAN或RS485通信方式控制采煤机上的PLC控制箱[3-4]。为方便调试及使用，接收单元上设计与手持发送单元同样的按键输入，可以直接对采煤机进行控制。系统整体结构如图2所示。
2 硬件设计
采煤机无线遥控系统使用STM32F103VCT6作为主控芯片，该芯片具备高性能的ARM CortexM3 32位RISC内核，工作频率为72 MHz，内置128 KB Flash和 20 KB SRAM的高速存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，2个I2C接口和SPI接口、3个UART接口、1个USB接口和1个CAN接口。其良好的性能完全满足系统的应用要求。以下介绍以STM32F103VCT6为核心的外围电路设计。
2.1 按键采集模块
按键采集模块主要完成两部分功能：一是设置手持发送单元和接收单元的方向与信道，为了防止操作人员的误按，必须长按使能键才能对方向和信道进行设置；二是采集采集机当前需要的控制指令，如主停、左行、右行、截升、截降、加速、减速等功能。系统设置15路按键输入，3路作为设置键，其余12路作为功能键，为提高系统的通用性，除完成采煤机现有控制功能外，预留5路按键做备用。按键采集面板如图3所示。
2.2 LED指示模块
如图3所示，LED指示模块由11个LED指示灯组成，分别指示电源、方向（左/右）、通信、信道的当前状态。其中，电源指示灯由硬件点灯，电源正常为绿色，欠压为红色；左、右指示灯指示设备当前控制采煤机左侧或右侧滚轮，也表示设备的ID；通信灯指示设备的无线通信状态；信道灯指示设备当前配置的433 MHz频段的信道。
2.3 无线通信模块
无线通信模块采用CHIPCON公司的CC1100作为核心芯片。该芯片是0.35 m CMOS工艺生产的全集成收发芯片，功耗超低。它可工作在工业、科学和医疗（ISM）、SRD（Short rang device）频段，设计标准频段为315 MHz、433 MHz、868 MHz、915 MHz，同时它能够很好地通过简单的串行接口程序控制工作于300 MHz~1 000 MHz[5]。
芯片集成了一个高度可配置的调制解调器，这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500 kb/s。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，使性能得到提升。CC1100为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。其主要操作参数和64位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）可通过SPI接口控制[6-7]。针对以上优点，设计采用CC1100的433 MHz频段通信，用户可以通过按键配置芯片工作在6个信道之一，以达到多台设备同时使用互不干扰的目的。无线收发模块的电路如图4所示。
2.4 供电模块
手持发送单元与接收单元的供电模块不同，前者采用DC3.3 V充电锂电池供电，后者采用采煤机上的DC24 V供电。供电电路如图5~图7所示。手持发送单元配以充电管理电路，采用红绿两个指示灯，充电状态亮红灯，充满后亮绿灯。
2.5 智能输出接口模块
无线通信模块包括接收单元的CAN通信模块和RS485通信模块。STM32F103VCT6有内置的CAN控制器，因此只连接一个CAN收发器PCA82C250即可组成CAN通信电路。RS485通信模块采用MAX485作为电平转换芯片，与CPU的UART引脚相连作为RS485输出接口。为了提高信号的传输质量并保护核心电路，两部分电路都采用了光耦6N137做抗干扰和保护设计。CAN和RS485的接口电路如图8和图9所示。
3 软件设计
在软件设计上采用时间片轮转法，极大地减小了CPU的等待时间，提高了CPU的利用率。
设计中TIMER中断时间规定为1 ms；UART0传输率规定为9 600 b/s，作为接收单元的RS485输出口；CAN传输率规定为100 kb/s，作为接收单元的智能输出接口；CC1100芯片与CPU通过SPI收发命令，通信速率为9 600 b/s。
3.1 软件通信协议
系统在433 MHz频段上做无线通信，为了避免无线信号包的干扰，除了设置信道外，还制定了通信协议，协议解析正确的包才能被有效处理。本系统的设备间无线通信协议如表1所示。协议定义了起始字符、包长度、设备ID、命令状态和校验和。
RS485和CAN智能接口的通信协议的数据区发送内容除了修改源设备ID和目的设备ID外，其余部分与该协议一致。
3.2 发送单元软件设计
手持发送单元软件设计上包括设置模块、读取和保存配置模块、功能采集模块、LED显示模块以及无线发送模块5部分，在这5个子模块的基础上，建立定时时间句柄，每100 ms执行一次该定时任务。具体的流程如图10所示。
3.3 接收单元软件设计
接收单元包括设置模块、读取和保存配置模块、功能采集模块、LED显示模块、无线接收模块、RS485发送模块以及CAN发送模块7个部分。与发送单元一样，建立轮循任务，但是接收单元要建立两个轮循任务，一个专门处理SPI接口收到的数据包，每2 ms执行一次；另一个处理配置和按键采集等任务，每100 ms执行一次。接收单元具体流程如图11所示。
4 系统性能测试
为了使设备满足矿下的远距离可靠运行，必须进行无线通信距离的测试。远距离室外测试可以通过通信灯判断丢包率。手持遥控单元每按一次按键，该按键值的数据包成功发送后，通信灯会闪一下；接收单元每收到一个解析正确的包，通信灯会闪一下，表示收包正确。可以通过计算手持发送设备和接收设备通信灯的亮灭次数计算丢包率。不同距离下丢包率的测试结果如表2所示。
测试结果表明，该系统可以满足室外空旷环境120 m内5%以内的丢包率，通信效果良好，完全可以满足矿下采煤机应用。
5 结论
采用嵌入式微处理器STM32F103VCT6和433 MHz无线收发芯片CC1100的采煤机无线遥控系统，具有成本低、结构简单、功耗低、通信距离远及性能稳定等特点，可保证采煤机安全可靠运行，具有很大的应用空间。
参考文献
[1] 谢锡纯，李晓豁.矿山机械与设备[M].北京：中国矿业大学出版社，2000.
[2] 胡爱国，李威，许少毅．基于S3C2440与nRF905的采煤机无线遥控系统设计[J]．矿山机械，2011（2）：28-29.
[3] 江帆，李伟，张传书．基于C8051F021的采煤机遥控系统设计和研究[J]．矿山机械，2011（2）：30-33.
[4] 徐恳，朱屹生，朱敏．液压牵引采煤机的无线遥控装置设计[J]．煤炭科学技术，2010（8）：107-110.
[5] 潘旭兵，林中．基于CC1100的无线手持终端的设计[J]．电子技术应用，2007，33（10）：29-33.
[6] 杨承恩，林永生，杜佳璐．RF无线射频电路设计中的常见问题及设计原则[J]．国外电子元器件，2006（4）：69-70，74.
[7] Yang Guangxiang， Liang Hua， Wu Chao， et al. Construction hoist security application for tall building construction in wireless networks[J]. Automation in Construction， 2012，27：147-154.