基于精確定位的井下電機車監控系統研究

康俊亮

（陽煤集團三礦運輸部，山西 陽泉 045000）

引言

礦井運輸線路較多且范圍廣，設備流動性較大，很容易發生運輸事故問題。電機車屬于井下重要的運輸設備，機車開出后，司機與調度無法及時取得聯系，調度命令更改流程復雜，嚴重影響了機車的高效運行，甚至發生撞車事故。因此，應保證井下電機車的精確定位，為機車司機與調度建立高質量的語音通話系統，提高工作效率，保證安全生產。

1 電機車監控系統通訊網絡

1.1 選擇無線網絡

煤礦井下無線通訊環境比較復雜，為了有效監控電機車的運行狀態，應準確采集數據信息。通過比較可知，ZigBee 技術可以滿足節能與整個系統對數據的傳輸需求，保證電機車的精確定位。根據應用環境特點，制定ZigBee 方案，設定F8913 模塊，完成無線通訊工作。若有數據需要接收時，模塊系統會自動判斷地址是否與數據信息中地址一致，若一致則會中斷接收此信息。需要發送數據時，可以直接利用程序發送，具體流程見圖1。

圖1 F8913 工作流程圖

1.2 CAN 總線網絡

煤礦井下開采環境較為復雜，電機車監控系統通訊網絡只可以采用無線網絡，但此網絡無法保證系統的穩定運行，因此還應在已有無線技術的基礎上，采用穩定的現場總線技術。CNA 總線運行穩定，不會限制節點個數，數據傳輸靈活，因此設計模塊時引入CAN 總線技術，保證系統防腐蝕、防水、抗干擾等功能。

1.3 通信網絡協議研究

CAN 總線報文包括優先級、目的地址、源地址、無線信息變送器地址等方面。一是當存在多個通信節點機需要向主節點機發送數據時，系統自動根據優先級而發，保證數據發送的次序性。語音數據只在特殊情況下發送，定位數據實時發送，因此應優先發送語音數據。二是目的地址與源地址，系統運行中，CAN 總線通訊節點受硬件設施的限制。三是電機車無線信息變送器地址，向調度監控系統傳達數據來自于哪個電機車，并在調度監控系統上顯示點機車的定位數據。本系統需要傳輸語音數據與定位數據，且語音數據量較大，需要包含所有數據信息。因此應分成多組發送。報文將某個節點信息發送至多個節點，不必確定接收節點的地址，只需要濾波報文信息即可。

1.4 通信網絡拓撲結構

一是ZigBee 網絡拓撲研究，根據節點設備通信能力將節點分為全功能設備與精簡功能設備，保證彼此間互相通信，并采用樹形網絡結構。二是CAN總線拓撲結構，根據測試連接110 個通訊節點，通過CANH 和CANL 兩個接口傳輸信息，抑制共模干擾。為了保證通訊穩定性，還應將電阻設置于總線通訊網絡兩端。

2 電機車監控系統構成

2.1 總體結構

井下電機車監控系統包括無線信息變送器系統、節點機系統以及調度監控系統等，其中無線信息變送器系統包括加速度傳感器、主控制器模塊、語音模塊等。節點機系統包括通訊節點機與主節點，調度室內安裝調度監控系統，以實時顯示電機車的運行狀態。將加速度傳感器安裝至電機車無線信息變送器中，采集電機車加速度信息與方向信息，根據位移算法得出電機車運行速度與位移情況。同時，還將無線數字語音通訊模塊安裝至電機車監控系統中，增加數字語音模塊，將語音信息轉換為數字信號，壓縮語音數據，減少數據傳輸時間。電機車經常處于運動狀態，還應將通訊節點機與信息變送器集成無線通訊模塊，結合無線與有線方式精準計算定位信息，并將數據傳輸至調度監控系統。

調度節點可以將電機車相關信息傳輸至主節點機，也可以將主節點機的信息傳輸至電機車，保證系統運行的可靠性，重新設計CAN 總線系統。且電機車上安裝的無限信息變送器應實時向巷道中通訊節點機發送定位信息或語音信息，隨機獲取無線信息變送器中的通信節點機。在接收通訊節點機傳輸的數據后，還應根據優先權向主節點機發送數據，包括電機車的通訊節點機地址、電機車地址等。只有需要傳輸語音數據時，節點機才會優先向主節點機發送語音數據。

2.2 無線信息變送器

精準定位的核心部位為無線信息變送器，通過計算加速度傳感器的輸出值得出定位信息，間隔一個采集周期，加速度傳感器則會采集中斷程序數值，之后濾波這些采集數據，通過積分運算得出電機車速度、位移等信息，并通過無線模塊將信息發送至通訊節點機。無線信息變送器還具備語音通訊功能，可以保證司機與調度員有效溝通，編碼司機的語音信息，解碼調度員的語音信息。利用單機片作為核心控制芯片，控制無線模塊與語音模塊，在內部集成CAN 控制器，并接入CAN 收發器，組成CAN 通訊網絡。之后設計加速度傳感器電路，簡化硬件設計電路，保證機車定位的精準性。設計語音功能電路，引入無線語音通信系統，設計語音信號轉換電路與語音編/解碼電路設，在芯片內部完成語音傳輸工作，不必外接存儲器。芯片通過串口傳輸與并口傳輸方式傳輸語音數據，提高語音傳輸速度。除此之外，還應設計語音通信軟件，無需在主控制器中進行語音解碼，在初始化芯片的基礎上，為主控制器提供負脈沖信號，以復位語音芯片，之后設置采樣頻率與幀同步頻率，利用查詢方式完成數據讀寫工作。每間隔20 m，語音模塊則會讀取一幀語音信息，傳輸至主控模塊中處理。電機車無線信息變送器需要初始化各運行結構，在進入變送器主體程序，利用讀取加速度傳感器得出輸出值，判斷電機車運行方向是否發生改變，積分計算得出電機車位移、速度等信息，實現精準定位。

2.3 節點機

通訊節點機包括無線收發模塊、CAN 收發器模塊、主控器、電源模塊等，其屬于數據傳輸的中介，可以將電機車無線信息變送器發送的定位數據或語音數據通過CAN 總線發送至主節點機，或將主節點機下發的數據發送至電機車無線信息變送器，保證司機與調度員的溝通。ZigBee 網絡與CAN 總線網絡的通信協議相互轉換為各自可以處理的數據格式，并初始化各個運行模塊，判斷數據來源，確定運行任務。ZigBee 數據幀與CAN的數據幀中最大荷載數據位長度不同，承載容量存在區別，通訊節點機傳輸至主節點機的數據很容易丟失，因此應將數據分塊打包，之后向上發送。或者將接收來自于CAN 總線的數據幀打包，封裝為ZigBee的數據幀，向下發送，避免丟失問題。

主節點機與調度監控系統均屬于井下網絡的核心組成部分，可以協調判斷來自于調度室的數據信息，并傳輸至井下通訊節點，或將井下網絡傳輸的數據發送至調度監控系統，完成語音播放。

2.4 調度監控系統

調度監控系統利用組態軟件，通過串口與下位機完成通訊工作，調度監控畫面監控井下電機車的運行情況，幫助調度員實時了解電機車的運行模式。監控畫面中軌道紅色部分為電機車所在區段，黃色部分表示電機車將要進入區段，黑色表示無車。調度監控畫面可以模擬井下巷道情況，觀測電機車實際位置，查詢電機車位置坐標、所在區間、位移等信息。

受井下照明設備的影響，巷道中光線較暗，很容易發生電機車追尾或撞車問題，當電機車監控系統中兩臺機車距離較近時，應設置報警提示系統，幫助調度員及時調度。

3 試驗效果分析

在完成構建網絡通訊系統、搭建硬件平臺以及設計軟件功能等操作后，建立基于精準定位的井下電機車監控試驗平臺，分析數據找出薄弱環節并改進，之后測試整體系統，循環重復，以保證系統達到最佳的運行狀態。

3.1 模擬系統

為了測試電機車監控系統運行的可行性，煤礦企業自制模擬系統與巷道，設置通訊節點，在軌道原點放置自制模擬電機車，通過控制系統控制電機車的前進與后退。

3.2 測試實驗效果

選取模擬軌道進行測試，讓電機車行駛100 m，計算位移情況，并將數據傳輸至調度監控系統記錄，重復對比實驗，比較調度監控系統顯示畫面與軌道真實位置。結果可知，此系統可以大幅度降低電機車的位移計算誤差。

進行道岔信息傳輸誤碼測驗，反復測試以保證穩定性。期間人為制造障礙，驗證道岔信息傳輸的穩定性。分析可知，可以百分百保證在400 m 內道岔信息的準確性。

進行電機車行車方向改變測試，設計電機車前進方向標志位為1，后退方向標志位為0，模擬電機車前進與后退情況，將標志位信息上傳至調度監控系統觀察。測試可知，加速度傳感器可以準確判別電機車方向的改變。

進行語音通訊功能測試，通過測試結果，得出應將電機車無線信息變送器中語音模塊遠離無線模塊，設置屏蔽措施，保證語音質量。

進行防撞測試，多次試驗均提示報警，功能有效。

4 結語

結合煤礦井下運輸環境及電機車監控系統特點，利用位移計算、加速度輸出以及道岔信息傳輸準確等精確定位技術，設計了加速度傳感器，保證了運行的可靠性與安全性。通過測驗發現，設計的電機車監控系統具備數字語音與可視化功能，可以大幅度降低運輸事故的發生率，保證安全生產，提高煤礦企業的經濟與社會效益。