基于物聯網的煤礦井下機車進站預報系統設計

孟 軍 沈永良

(黑龍江大學電子工程學院)

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基于物聯網的煤礦井下機車進站預報系統設計

孟 軍 沈永良

(黑龍江大學電子工程學院)

針對目前煤礦井下機車報站系統存在數字化程度低、主要依賴人員現場操作、布線復雜等缺點，采用ZigBee技術，設計了煤礦井下機車進站預報系統，準確監測井下機車運行狀態參數，通過信號站防爆顯示屏及時了解機車位置及到站時間，為煤礦運輸安全管理提供強有力的技術保障。

井下機車 監控系統 物聯網 ZigBee

目前國有大型煤礦的機車監控系統一般采用“信集閉”系統，但大多數礦井機車運輸調度都未能有效監測監控[1]。由于井下環境復雜，機車位置主要依靠信號員與司機通過井下電話聯系，無法及時、有效反映機車運行狀態，因此，傳統的運輸管理方式存在很大的弊端，如監控效果不佳、安全性較差造成礦工滯留井下，延誤升井時間造成人力資源浪費等問題。隨著數字化礦井的不斷完善，采用ZigBee協議、無線傳輸網路來定位機車的位置，可以很好地改善存在的問題。

1 總體設計

根據井下實際情況，將無線傳感節點布設于各信號站及運輸大巷，通過傳感器感知機車行駛情況，信號站可以實時采集經停信號站的數據，經協調器處理后，將數據通過井下以太環網傳輸到井上監控主機。其他各個信號站可以從網絡上即時獲取機車位置信息，并顯示在LED屏幕上，在傳輸過程中，為避免數據冗余，該系統在數據傳輸過程中進行了預處理，有效降低了數據的傳輸量。機車進站預報系統功能見圖1。

2 硬件設計

本設計主要由終端節點、參考節點、協調器節點組成。根據井下運輸實際，選用TI公司的CC2530/CC2531模塊進行無線通信，采用STM32103芯片作為核心控制器。

圖1 機車進站預報系統功能

2.1 協調器節點

協調器節點是ZigBee無線傳感網絡的控制中心，負責終端節點的加入、刪除網絡成員，處理采集數據并傳給服務器。協調節點的穩定性將影響整個機車進站預報系統，因此，采用性能良好的5 V穩壓電源供電，并采用工業級3.3 V穩壓芯片將其轉換為3.3 V CC2530工作電壓。

協調器節點結構如圖2所示，包括CC2530無線數據傳輸的射頻模塊、STM32103核心控制器模塊、以太網模塊、電源模塊、串口模塊、鍵盤模塊、調試模塊、時鐘模塊。

圖2 協調器節點硬件結構

協調器節點選用CC2591射頻功率放大電路和高增益天線，在保證數據穩定接收的前提下，提高了數據的傳輸距離。

以太網模塊選用DP83848C，當協調器組網成功后，通過串口與主控芯片STM32103通信。協調器不斷向子節點查詢，當子節點通信異常則向上位機發送標志，并刪除該節點，重新組建無線傳感網絡[2]。

2.2 終端節點與參考節點

終端節點結構如圖3所示，相比較協調器節點增加了傳感器模塊，便于實時采集終端節點各種信號。終端節點將采集到的數據進行預處理，避免數據冗余，調高了整個網絡的工作效率。

圖3 終端節點硬件結構

終端節點具有喚醒模式和睡眠模式。當機車處于工作狀態，啟動喚醒模式，而當機車檢修時，終端節點處于睡眠模式，進一步降低了節點功耗。

該系統中，由于終端節點隨著機車運動，需要帶有定位引擎的CC2531芯片接收參考節點的RSSI值[3]，最終得到自己的位置坐標，而其他與參考節點配置相同，保證了系統的穩定性，同時降低了開發時間和成本。

3 系統軟件設計

3.1 協調器節點

協調器節點通過CC2530無線射頻部分與終端節點進行數據傳輸，將處理后的數據送入井下以太環網，上傳至地面監控主機。服務器根據ID查詢數據庫并運用算法將機車數據信息發送至各個信號站，在信號站產生LED聲光預報機車進站信息。協調器節點工作流程見圖4。

3.2 參考節點

參考節點布設在運輸大巷的指定位置，可以與終端節點有效通信，實現網絡的連續性[4]。參考節點一方面可以為終端節點提供參考數據包，包括RSSI值和參考節點本身的位置信息，另一方面可以加入網絡并傳輸數據。系統參考節點工作流程見圖5。

3.3 終端節點軟件設計

終端節點安裝在井下運輸機車頭部，以ZigBee協議的方式將采集到的機車速度[5]、機車ID、機車坐標等信息傳輸給協調器節點。各參考節點之間可以相互通信，有效傳輸機車信息，當終端節點加入網絡后便不斷與各個節點通信，實時將預處理信息送至參考節點。參考節點之間可以傳輸數據，有效保證無線網絡的可靠性，終端節點工作流程見圖6。

圖4 協調器節點工作流程

圖5 參考節點軟件流程

圖6 終端節點工作流程

4 結 語

隨著物聯網技術的不斷發展，推動了煤礦現代化、數字化進程。基于物聯網的井下機車預報站系統將無線網絡與井下以太環網有機結合，實現了機車定位與預報，提高了井下機車運輸管理水平。該系統具有成本低、精度高、功耗低的特點，并且很大程度上滿足了礦工掌握乘車時間的需要，極大地提高了運輸系統安全管理能力。

[1] 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M]．北京:北京航空航天大學出版社，2007．

[2] 徐盛龍，王偉波.基于ZigBee的工業無線數據采集器設計[J].工礦自動化，2013，39(7):88-90.

[3] 李金峰，丁同禹，劉翠翠，等.基于RFID+ZigBee技術的無線跟蹤系統[J].礦冶技術，2011，22(11):5400-5402.

[4] 劉廣亞.基于ARM9和ZigBee的礦井機車運輸監控系統的設計[J].礦山機械，2012，40(1)：28-31.

[5] 趙玉榮.基于ZigBee的井下機車監控系統研究計[D].淮南：安徽理工大學，2013.

沈永良(1964—)，男，教授，150080 黑龍江省哈爾濱市南崗區學府路74號A8實驗樓509。

2016-08-31)

孟 軍(1987—)，男，碩士研究生，150080 黑龍江省哈爾濱市南崗區學府路74號A8實驗樓509。