煤礦井下電機車遠程監控及定位系統設計與研究

張俊仁

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

礦用電機車作為井下主要的運輸設備，主要負責煤炭、矸石、設備、材料及人員的運送工作，其行駛安全性及運輸效率對井下生產作業具有重要影響[1-5]。目前多數煤礦電機車運行面臨諸多問題：首先受井下巷道狹窄曲折、視野模糊、噪聲較大等因素影響，電車司機操控難度較大，僅靠人工駕駛極易發生撞車等嚴重事故；其次由于缺乏有效的監測定位及通訊手段，電機車遠程調度實時性較差，調度室無法準確獲取電機車的實時位置、車速等重要信息，調度指令也無法及時傳遞給司機，無法滿足當前煤礦電機車安全高效運行需求。因此設計一套具備車身精確定位、車速位姿等重要參數實時監測及高速可靠通訊網絡功能的電機車遠程實時定位監控系統十分必要。本文在傳統電機車監控系統的基礎上通過傳感器定位技術對電機車的行駛位置、位姿、車速進行實時精確采集，采用有線+無線組合通信網絡模式實現數據實時交互，最大限度提高了電機車運行監測的全面性及實時性，實現了電機車調度分配的動態調整，從而有效保證電機車的安全行駛及高效運輸，對于提高煤礦運輸系統自動化水平具有重要意義。

1 系統設計總體方案

1.1 監控定位系統功能需求分析

煤礦電機車長期行駛于井下巷道中，受環境及人為因素影響，井下電機車運行主要面臨以下幾點問題：電機車行駛環境差，受井下巷道空間及地形限制，電機車長期行駛于道路狹窄曲折、道路障礙物及分支較多、照明條件差的環境中，僅憑駕駛員人工駕駛不僅效率低下，而且很難及時對緊急情況做出反應，極易發生撞車事故。無法準確定位電機車行駛位置，目前多數采用RFID 定位的電機車監控系統僅能大致判斷機車行駛至某段巷道中，無法得到機車在巷道中的具體行進位置，定位精度差，對調度工作帶來極大不便。通信系統實時性差，目前大多數煤礦采用有線語音通信及較落后的無線數據傳輸方式，使得整個電機車監控系統的通信穩定性及實時性較差，無法實現機車運行參數的實時上傳及調度指令的及時下達。

綜上，本文所設計的電機車監控系統的關鍵技術指標可概括為電機車實時精確定位、穩定高效的通信網絡及智能化人機交互平臺三部分，系統具體功能如下：

1）電機車實時精確定位。系統采用慣性定位導航技術通過陀螺儀及加速度傳感器對行駛于巷道中的電機車位置、車速、姿態進行連續精確測量。

2）清晰穩定的語音通話功能。系統采用無線局域網對語音通信系統進行架構，有效提高語音通話質量及實時性[6-8]。

3）電機車運行狀態實時監控。系統通過以太網+無線局域網組合通信模式實現電機車運行位置、車速及報警信號等參數實時上傳及調度、控制指令的實時下達。

4）智能化人機交互功能。系統可通過上位機人機交互平臺直觀顯示電機車運行狀態及數字地圖，并具備數據存儲管理、報警時間記錄等功能。

1.2 系統總體架構

根據以上系統功能及技術指標分析，本文提出了電機車遠程監測定位系統的總體設計方案，系統總體結構如下頁圖1 所示。

圖1 電機車監控定位系統總體結構圖

系統地面調控中心由上位機、語音服務器、調度服務器、以太網交換機等設備組成，語音服務器用于提供系統語音通信及語音數據處理功能，調度服務器用于運行調度子系統軟件。地面調控中心與井下各無線節點通過以太網進行數據交互，井下各無線節點與安裝在電機車上的下位機模塊通過無線局域網進行通信。車載下位機模塊主要由主控器、電源模塊、運行監測單元、通信單元、報警單元組成，其作用是對電機車的行駛位置、姿態、車速等主要運行參數進行實時采集、處理與上傳，由通信單元提供了無線通信、語音通信及上位機服務器通信功能，同時還具備電機車超速、障礙物聲光報警及駕駛人員瞌睡喚醒功能，電源模塊采用不間斷電源UPS，以保證系統不間斷監測。車載下位機模塊總體結構如圖2 所示。

圖2 車載下位機模塊總體結構圖

2 硬件方案設計

井下電機車遠程監控定位系統的硬件可主要為車載下位機模塊、無線節點模塊及上位機監控模塊三部分，其中車載下位機模塊的硬件設計內容主要包括主控芯片、運行監測單元及通信單元等部分的選型設計，無線節點模塊的硬件設計內容主要包括主控芯片及無線通信模塊等。

2.1 車載下位機模塊設計

車載下位機主控芯片的主要作用是對運行監測單元所采集到的機車位置、車速及位姿等參數進行分析處理，并通過控制無線通信單元實現數據無線傳輸及語音通信等功能。本文選用STM32F103C8T6型32 位MCU 作為車載下位機主控芯片，其內部集成有10×12b A/D 轉換器及37 個I/O 接口，具備64 KB 閃存容量，支持2×USART、USB、CAN、SPI及I2C 串行通信，可滿足本模塊的數據處理及通信需求。

本文采用慣性導航定位技術實現對車體實時位置及位姿等主要參數的精準采集，具體硬件主要包括陀螺儀和加速度傳感器兩部分。本文選用TDK-MPU-9250 型慣性測量模塊對電機車角速度及加速度等參數進行采集，其內部集成傳感器類型為加速計、陀螺儀及磁力計等，其中陀螺儀測量范圍為+/-2000dps，分辨率為10 bit，測量靈敏度可達0.67 mV/deg/s，輸出信號可通過UART 通信方式進行傳輸。加速計采用X、Y、Z 三軸式加速傳感器，其動/靜態加速度測量范圍為0～350 Hz 及±6 g，其靈敏度可達9 mV/deg/s，輸出量為模擬電壓信號，便于主控芯片采集，可對車體的振動及傾斜角度等位姿量進行實時采集。

無線通信模塊主要用于井下各類采集數據及控制指令的無線遠距離傳輸，本文所選用無線通信模塊型號為DP1101，其數據傳輸速率可達500 kbit/s，最高可設置發射功率為+10 dBm，模塊支持OOK、ASK、GFSK 等多種調制模式，可通過4 線SPI 接口與主控MCU 相連，同時提供兩個可預設功能的通用DO 引腳，可滿足本系統的無線通信需求。

2.2 無線節點模塊設計

無線節點模塊的主要用于完成井下各個車載下位機間的無線信號傳輸以及和上位機交換機相連完成與遠程調控中心的總線通信。其工作流程主要包括接收來自車載下位機的各類運行參數，并通過以太網實時上傳至上位機；其次將遠程調控中心下達的控制指令及語音信號通過無線通信的形式傳輸至各個車載下位機模塊，實現井上與井下的數據交互及實時通信。

無線節點模塊的主要組成部分為主控芯片、無線通信模塊、電平轉換芯片、以太網芯片等，其核心器件除外圍電路與運行程序采用獨立設計外，硬件選型與車載下位機配置基本相同。

3 軟件方案設計

本文所設計的井下電機車遠程監控定位系統主要實現功能包括電機車實時位置精確定位、位姿及車速監測、超速及障礙物報警提示、無線節點工作狀態動態顯示等。在此基礎上本文采用組態網對人機交互界面進行設計，通過PC 機主畫面可以對以上功能進行實時顯示和操作，同時還具備數據管理、查詢及存儲打印功能，監控系統具體軟件功能如下頁圖3 所示。

圖3 電機車遠程監控定位系統軟件功能圖

4 結語

本文將慣性定位導航技術及無線通信技術引入到電機車遠程監控及定位系統的設計中，實現了井下電機車行走位置的精確實時定位，有效解決了調度無法獲取井下機車精確位置的問題。同時系統具備機車位姿及車速監測功能，并采用工業以太網+無線網絡組合通信方式保證了系統通信的靈活性及可靠性。