SR300單車可識別軌道電子稱系統設計

羅國平

（樂山師范學院計算機科學系，四川 樂山614000）

0 引言

在煤炭生產領域中，如何有效保護煤炭資源，隨時監測煤礦公司煤炭產量，減少煤礦公司偷稅漏稅違法事件，增加煤礦公司合伙人隨時了解公司煤炭產量的透明度，在稱重過程中如何有效識別煤矸石等技術是目前煤礦公司亟待解決的問題。為了解決以上問題，近年來在一些煤礦公司安裝了不少軌道稱，市面上電子軌道稱產品很多，其中比較有代表的是重慶大唐測控有限公司研究的電子軌道稱，這種軌道稱采用動態稱重技術，因此，只需要串車以正常工作速度開過裝有軌道稱的軌道，電子軌道稱以高速A/D轉換(一般要求采樣速度≥200sps)，高速采集數據重量數據，通過相應的算法，就可以獲得串車重量數據，即可以監測到數據，即可計算出該單車的重量。這種軌道電子稱，最大的優點是數據采集速度快，采用動態稱重技術，不需要串車停下來，既然不影響稱重的精度也不影響生產工作，價格低廉，具有方向識別功能，使用方便，因此得到廣泛應用。

雖然該軌道稱具有以上優點，但是隨著物聯網技術的發展，四川安監局及相關稅務部門提出了一些新要求如何做到單車可識別，單車重量可以詳細記錄，煤矸石可識別，在稱重過程中自動減除煤矸石重量，各個煤礦產量數據實時聯網等。目前，大多數煤礦產量監測僅限于各個孤立的煤礦點，未能有效地形成一個產量檢測網絡，因此，如何將煤礦的產量監測起來，并將產量數據實時聯網，數據實時傳到各個縣監控中心，市監控中心，省監控中心，方便稅務部門隨時監測產量數據，減少偷稅漏稅違法事件，是本項目的根本目的。在重慶大唐和四川物聯恒安有限公司一致努力下，重慶大唐和四川物聯有限公司聯合開發了這套具有單車識別功能的SR300軌道電子稱。

1 電子軌道稱的基本構成

電子軌道稱主要由軟件和硬件兩個部分構成，硬件部分主要包括DTK2000電子軌道稱,主控電路板、識別卡讀卡器、有源識別卡等。軟件部分主要包括上位機程序、主控板程序、讀卡器程序和識別卡程序等。系統基本構成以大唐DTK2000系列軌道稱為基礎,在該系統上集成RFID，通過FRID有效識別單車。將單車采集的重量數據與RFID的識別ID相結合，從而達到一一識別的目的。

2 技術問題的關鍵

RFID目前主要分兩種，一種是有源RFID，另一種是無源RFID，有源RFID信號傳輸較遠，一般采用射頻模塊以一定的時間間隔發送ID號，如普遍采用nRF24L01射頻模塊，一般在無障礙物遮擋的情況下可以達到80米左右；無源RFID一般通過外部天線激勵供電，因此距離很近，一般能達到4cm左右。在本項目中，顯然只能采用有源RFID。在系統開發設計過程中，面臨著幾個技術難題。有源RFID技術實際上是通過無線通信模塊如nRF24L01發送識別ID數據，這種數據需要nRF24L01在一定的時間間隔內發送數據包，接收方收到該識別包，就可以判斷對應的標簽從而達到識別物體的目的。這種技術最大的優點就是信號感應距離較遠，距離問題即是優點也是技術難點。有兩點難度：一、有源RFID最大的優點就是信號傳輸距離較遠，但是這項技術用在1.8米左右的車廂上，反而成了缺點，如何解決將RFID識別卡識別距離有效控制在1.8米左右，串車在行進過程中，是否能做到識別卡卡號順序與串車單車順序一致，這就是技術難題，如何能解決單車一對一識別。二、電池供電問題，有源RFID識別卡最大的問題是這種識別卡需要外部供電，因此，使用壽命非常有限，一般能達到1年左右就不錯了。

如何解決以上兩個技術難點就這一般采用高聚能電池，我們目前采用的是1400mAH柱式電池供電。 這兩個技術難題如果能得到解決，項目就很好解決了。

在解決上述問題，我們通過在大唐軌道稱實驗平臺上做了大量的實驗發現，可以通過調整識別卡天線的長度控制RFID識別卡信號感應的距離，通過反復實驗，可以控制在1.8米到3米左右，但是如何解決識別卡信號順序問題，這就成了難題。在實際工程實施中，我們將讀卡器安裝在軌道中央，蓋上一個塑料封罩予以保護。當串車過讀卡器時，串車一個個通過識別卡讀卡器，依次讀出識別卡數據，就知道這串車的順序了。軌道電子稱一般安裝在煤礦距離出井口20米左右的水平空曠地帶，由于大唐在設計上做得非常科學，在軌道壓力傳感器上做了兩個壓力傳感器，一個用于稱重，一個用于檢測方向，所以很好配合我們解決這項技術難題。當檢測到軌道稱是出井方向時，讀卡器將讀到的數據傳給軌道稱重控制器，軌道稱重控制器，將讀到的重量數據和對應的識別卡打包，最后傳給上位機，解析就得到了，該車的重量數據。減去每個串車自身的重量，就得到煤炭的重量數據。現在的問題是，在很多時候，煤炭出井并不是全是煤炭，可能還有煤矸石，如何識別煤炭和煤矸石，這就是個技術難題。目前有很多技術來解決這個難題，如通過灰度識別技術解決，但是處理起來很麻煩，有待于進一步研究解決。

3 系統設計方案

3.1 系統特點

本套軌道電子稱重系統是在大唐軌道稱重系統和我公司的研制的KJ-129人員定位系統的基礎上設計的，本稱重系統與以往的軌道稱重系統不同的是：這種稱重系統能夠對串車車廂進行一一識別，通過我公司研發的配套上位機軟件，能準確地計算出每一輛串車車廂整體重量和車皮重量，并準確計算出該車廂承載的煤炭凈重量，系統能準確統計煤炭產煤量，完成煤炭產量監控功能,減少偷稅漏稅違法事件以及增加煤礦公司各個股東之間相互監督作用；如煤礦公司對本公司產量有異議，也可以通過系統詳細查詢該公司產煤清單，系統將準確無誤地列出詳細的數據清單。

3.2 系統工作原理

本系統由識別卡、識別卡讀卡器、稱重控制器、稱重傳感器等設備組成，每一列串車由若干輛單車組成，每一輛單車上都安裝一個具有唯一編號(ID號)的識別卡，當串車從井下運送煤炭以≤20KM/h速度到達地面時，經過軌道稱重系統在1～2米范圍內,首先被識別卡讀卡器檢測到車廂ID號，識別卡讀卡器將收到的車廂ID號按照一定的協議格式發送給稱重控制器，當串車單車車輪壓在稱重傳感器上時，稱重控制器通過高速A/D轉換，迅速獲取整個車軸的重量數據，每一輛單車由兩個軸構成，當連續獲取到兩個車軸重量數據時，表示該單車稱重完畢；識別卡具有檢測串車是否在電子稱附近的功能，在一定時間范圍內，稱重控制器讀取識別卡緩沖數據，當發現識別卡讀卡器緩沖為空時，表示整列串車已經稱重完畢，然后將數據按照一定的協議格式封包，上傳給上位機處理。

3.3 異常處理

當本系統在稱重過程中出現車軸數目與對應的識別卡個數不一致的情況，大唐稱重系統會自動查詢稱重識別卡讀卡器，識別卡讀卡器會自動按照一定的數據幀格式將收到的識別卡以收卡的順序為隊列的方式發送給大唐稱重控制器，大唐稱重控制器會自動校正稱重串車的序號，重新封包，確認無誤后上傳給上位機。

當出現工作異常的時候，如有人員定位識別卡干擾時，系統會在一定的時間范圍內檢測是否有車軸壓在稱重傳感器上，如果沒有軸壓在稱重傳感器上，會自動丟棄該ID數據。

當出現串車停在稱重軌道稱上時，識別卡讀卡器將保留收到的車廂ID號，稱重控制器將不會結束本次稱重。

當出現串車有一節或者多節留在電子秤后面等異常情況時，系統會自動先將稱重完畢的車廂稱重數據封包發送給上位機，如果后面的車廂接著依次壓在稱重傳感器上，仍然能夠準確將稱重數據獨立封包上傳。

3.4 工作狀態及報警信息處理

報警信息包括控制器非法開門報警、識別卡讀卡器故障報警、超限超重報警、車軸數目與識別卡數目不一致報警等，報警信息按位組合，封包發送給上位機；當報警解除后，發送正常工作狀態信息。

3.5 上位機稱重數據處理

上位機程序采用C/S工作模式，支持監控、維護、查詢等操作，當收到稱重數據后及時解析處理，并顯示對應的車號，對應的重量數據，產量統計數據等；當收到報警異常數據時，顯示報警信息，報警解除后正常顯示狀態信息。

4 實驗結果

本稱重通過栗子坪煤礦基地安裝H&D SR300型遠程單車識別軌道式稱重系統實地測試。經過現場仔細勘察后，選用栗子坪煤礦主礦井出口10米處的水平地面作為安裝本系統的場地，整個現場只安裝了一個軌道稱重系統，為測試方便，采用3輛礦車作為測試對象，每一輛礦車佩戴一個識別卡，為了方便讀卡器讀卡，現場采取電弧焊接的方式將識別卡安裝在車廂底部裸露處；讀卡器采用地面安裝加防水盒保護的方式，然后加水泥澆注加固底座。

圖1 串車識別卡安裝位置示意圖

現場采用一臺PC機作為稱重監控測試平臺，該平臺距稱重控制器僅20米左右，非常方便調試工作。經過現場大量的調試、測試工作，目前基本能完成單車稱重、除皮、單車識別、產量統計、詳細清單查詢等功能，從測試結果來看，基本符合預期要求，但遠程數據監控等功能需要外加網絡設備配合做進一步測試，整個系統安裝調試基本順利，項目最終結果等待驗收。串車單車識別卡佩戴機讀卡器安裝示意圖（參見圖1）。

5 結論

SR300軌道電子稱是重慶大唐與四川物聯恒安公司聯合開發的具有單車可識別軌道電子稱。是物聯網技術與傳統電子軌道稱相結合的產物。該軌道電子稱，目前在四川欪江基地調試通過，可實現遠程監控產量，稅收等。

［1］魯丹丹,王婕.基于灰度的煤矸石識別系統研究[M].北京礦業大學.