基于精確定位的井下電機車監(jiān)控系統(tǒng)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(shè)備流動性較大，很容易發(fā)生運輸事故問題。電機車屬于井下重要的運輸設(shè)備，機車開出后，司機與調(diào)度無法及時取得聯(lián)系，調(diào)度命令更改流程復(fù)雜，嚴重影響了機車的高效運行，甚至發(fā)生撞車事故。因此，應(yīng)保證井下電機車的精確定位，為機車司機與調(diào)度建立高質(zhì)量的語音通話系統(tǒng)，提高工作效率，保證安全生產(chǎn)。

1 電機車監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

1.1 選擇無線網(wǎng)絡(luò)

煤礦井下無線通訊環(huán)境比較復(fù)雜，為了有效監(jiān)控電機車的運行狀態(tài)，應(yīng)準確采集數(shù)據(jù)信息。通過比較可知，ZigBee 技術(shù)可以滿足節(jié)能與整個系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的傳輸需求，保證電機車的精確定位。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境特點，制定ZigBee 方案，設(shè)定F8913 模塊，完成無線通訊工作。若有數(shù)據(jù)需要接收時，模塊系統(tǒng)會自動判斷地址是否與數(shù)據(jù)信息中地址一致，若一致則會中斷接收此信息。需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以直接利用程序發(fā)送，具體流程見圖1。

圖1 F8913 工作流程圖

1.2 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)

煤礦井下開采環(huán)境較為復(fù)雜，電機車監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)只可以采用無線網(wǎng)絡(luò)，但此網(wǎng)絡(luò)無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，因此還應(yīng)在已有無線技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用穩(wěn)定的現(xiàn)場總線技術(shù)。CNA 總線運行穩(wěn)定，不會限制節(jié)點個數(shù)，數(shù)據(jù)傳輸靈活，因此設(shè)計模塊時引入CAN 總線技術(shù)，保證系統(tǒng)防腐蝕、防水、抗干擾等功能。

1.3 通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究

CAN 總線報文包括優(yōu)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(jié)點機需要向主節(jié)點機發(fā)送數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)自動根據(jù)優(yōu)先級而發(fā)，保證數(shù)據(jù)發(fā)送的次序性。語音數(shù)據(jù)只在特殊情況下發(fā)送，定位數(shù)據(jù)實時發(fā)送，因此應(yīng)優(yōu)先發(fā)送語音數(shù)據(jù)。二是目的地址與源地址，系統(tǒng)運行中，CAN 總線通訊節(jié)點受硬件設(shè)施的限制。三是電機車無線信息變送器地址，向調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)傳達數(shù)據(jù)來自于哪個電機車，并在調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)上顯示點機車的定位數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)需要傳輸語音數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)，且語音數(shù)據(jù)量較大，需要包含所有數(shù)據(jù)信息。因此應(yīng)分成多組發(fā)送。報文將某個節(jié)點信息發(fā)送至多個節(jié)點，不必確定接收節(jié)點的地址，只需要濾波報文信息即可。

1.4 通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

一是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓撲研究，根據(jù)節(jié)點設(shè)備通信能力將節(jié)點分為全功能設(shè)備與精簡功能設(shè)備，保證彼此間互相通信，并采用樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。二是CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)測試連接110 個通訊節(jié)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(wěn)定性，還應(yīng)將電阻設(shè)置于總線通訊網(wǎng)絡(luò)兩端。

2 電機車監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 總體結(jié)構(gòu)

井下電機車監(jiān)控系統(tǒng)包括無線信息變送器系統(tǒng)、節(jié)點機系統(tǒng)以及調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)等，其中無線信息變送器系統(tǒng)包括加速度傳感器、主控制器模塊、語音模塊等。節(jié)點機系統(tǒng)包括通訊節(jié)點機與主節(jié)點，調(diào)度室內(nèi)安裝調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，以實時顯示電機車的運行狀態(tài)。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(jù)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(shù)字語音通訊模塊安裝至電機車監(jiān)控系統(tǒng)中，增加數(shù)字語音模塊，將語音信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，壓縮語音數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)傳輸時間。電機車經(jīng)常處于運動狀態(tài)，還應(yīng)將通訊節(jié)點機與信息變送器集成無線通訊模塊，結(jié)合無線與有線方式精準計算定位信息，并將數(shù)據(jù)傳輸至調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)。

調(diào)度節(jié)點可以將電機車相關(guān)信息傳輸至主節(jié)點機，也可以將主節(jié)點機的信息傳輸至電機車，保證系統(tǒng)運行的可靠性，重新設(shè)計CAN 總線系統(tǒng)。且電機車上安裝的無限信息變送器應(yīng)實時向巷道中通訊節(jié)點機發(fā)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(jié)點機。在接收通訊節(jié)點機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，還應(yīng)根據(jù)優(yōu)先權(quán)向主節(jié)點機發(fā)送數(shù)據(jù)，包括電機車的通訊節(jié)點機地址、電機車地址等。只有需要傳輸語音數(shù)據(jù)時，節(jié)點機才會優(yōu)先向主節(jié)點機發(fā)送語音數(shù)據(jù)。

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(shù)值，之后濾波這些采集數(shù)據(jù)，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(fā)送至通訊節(jié)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(diào)度員有效溝通，編碼司機的語音信息，解碼調(diào)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(nèi)部集成CAN 控制器，并接入CAN 收發(fā)器，組成CAN 通訊網(wǎng)絡(luò)。之后設(shè)計加速度傳感器電路，簡化硬件設(shè)計電路，保證機車定位的精準性。設(shè)計語音功能電路，引入無線語音通信系統(tǒng)，設(shè)計語音信號轉(zhuǎn)換電路與語音編/解碼電路設(shè)，在芯片內(nèi)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(shù)據(jù)，提高語音傳輸速度。除此之外，還應(yīng)設(shè)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(chǔ)上，為主控制器提供負脈沖信號，以復(fù)位語音芯片，之后設(shè)置采樣頻率與幀同步頻率，利用查詢方式完成數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，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(fā)生改變，積分計算得出電機車位移、速度等信息，實現(xiàn)精準定位。

2.3 節(jié)點機

通訊節(jié)點機包括無線收發(fā)模塊、CAN 收發(fā)器模塊、主控器、電源模塊等，其屬于數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹薪椋梢詫㈦姍C車無線信息變送器發(fā)送的定位數(shù)據(jù)或語音數(shù)據(jù)通過CAN 總線發(fā)送至主節(jié)點機，或?qū)⒅鞴?jié)點機下發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送至電機車無線信息變送器，保證司機與調(diào)度員的溝通。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議相互轉(zhuǎn)換為各自可以處理的數(shù)據(jù)格式，并初始化各個運行模塊，判斷數(shù)據(jù)來源，確定運行任務(wù)。ZigBee 數(shù)據(jù)幀與CAN的數(shù)據(jù)幀中最大荷載數(shù)據(jù)位長度不同，承載容量存在區(qū)別，通訊節(jié)點機傳輸至主節(jié)點機的數(shù)據(jù)很容易丟失，因此應(yīng)將數(shù)據(jù)分塊打包，之后向上發(fā)送。或者將接收來自于CAN 總線的數(shù)據(jù)幀打包，封裝為ZigBee的數(shù)據(jù)幀，向下發(fā)送，避免丟失問題。

主節(jié)點機與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)均屬于井下網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分，可以協(xié)調(diào)判斷來自于調(diào)度室的數(shù)據(jù)信息，并傳輸至井下通訊節(jié)點，或?qū)⒕戮W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)送至調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，完成語音播放。

2.4 調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)

調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)利用組態(tài)軟件，通過串口與下位機完成通訊工作，調(diào)度監(jiān)控畫面監(jiān)控井下電機車的運行情況，幫助調(diào)度員實時了解電機車的運行模式。監(jiān)控畫面中軌道紅色部分為電機車所在區(qū)段，黃色部分表示電機車將要進入?yún)^(qū)段，黑色表示無車。調(diào)度監(jiān)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(qū)間、位移等信息。

受井下照明設(shè)備的影響，巷道中光線較暗，很容易發(fā)生電機車追尾或撞車問題，當電機車監(jiān)控系統(tǒng)中兩臺機車距離較近時，應(yīng)設(shè)置報警提示系統(tǒng)，幫助調(diào)度員及時調(diào)度。

3 試驗效果分析

在完成構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、搭建硬件平臺以及設(shè)計軟件功能等操作后，建立基于精準定位的井下電機車監(jiān)控試驗平臺，分析數(shù)據(jù)找出薄弱環(huán)節(jié)并改進，之后測試整體系統(tǒng)，循環(huán)重復(fù)，以保證系統(tǒng)達到最佳的運行狀態(tài)。

3.1 模擬系統(tǒng)

為了測試電機車監(jiān)控系統(tǒng)運行的可行性，煤礦企業(yè)自制模擬系統(tǒng)與巷道，設(shè)置通訊節(jié)點，在軌道原點放置自制模擬電機車，通過控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸至調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)記錄，重復(fù)對比實驗，比較調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)顯示畫面與軌道真實位置。結(jié)果可知，此系統(tǒng)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(fù)測試以保證穩(wěn)定性。期間人為制造障礙，驗證道岔信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。分析可知，可以百分百保證在400 m 內(nèi)道岔信息的準確性。

進行電機車行車方向改變測試，設(shè)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(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)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(jié)果，得出應(yīng)將電機車無線信息變送器中語音模塊遠離無線模塊，設(shè)置屏蔽措施，保證語音質(zhì)量。

進行防撞測試，多次試驗均提示報警，功能有效。

4 結(jié)語

結(jié)合煤礦井下運輸環(huán)境及電機車監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)，設(shè)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(fā)現(xiàn)，設(shè)計的電機車監(jiān)控系統(tǒng)具備數(shù)字語音與可視化功能，可以大幅度降低運輸事故的發(fā)生率，保證安全生產(chǎn)，提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟與社會效益。