儲煤場裝載過程追溯與反饋系統設計

閆欽運,　白麥營,　張紅巖,　阮洪新,　王磊

(1.兗州煤業公司 興隆莊煤礦, 山東 濟寧　273500； 2.兗礦科技有限公司， 山東 濟寧　273500)

?

儲煤場裝載過程追溯與反饋系統設計

閆欽運1,白麥營2,張紅巖2,阮洪新1,王磊1

(1.兗州煤業公司 興隆莊煤礦, 山東 濟寧273500； 2.兗礦科技有限公司， 山東 濟寧273500)

摘要：針對目前儲煤場作業監管效率低的問題，設計了一種基于GPS的儲煤場裝載過程追溯與反饋系統，闡述了基于STM32F103VET6的裝載機裝運定位終端設計方案。該系統采用GPS技術，在存儲區域設定屯煤區電子圍欄，根據煤炭種類的分布將屯煤區劃分為多個煤種存儲區域；定位終端通過GPRS網絡將裝載機的GPS定位信息等實時上傳到服務器，實現裝載過程實時記錄、分析和有效監管；系統可與煤礦現有過磅系統連接，將過磅數據實時反饋到定位終端，以提高裝載效率。

關鍵詞：儲煤場； 裝載機； 裝載過程追溯； GPS； GPRS

0引言

煤炭是煤礦主要產品，儲煤場的管理是煤炭企業管理的重要環節。煤炭的倉儲和裝運環節過程復雜，集散地內車輛多、設備多、人員關系復雜，并且在管理手段和規范上存在嚴重不足，導致當前儲煤場作業監管效率低下，阻礙煤礦現代化和智能化發展進程[1-2]。解決儲煤場管理問題的關鍵在于建立一套有效的煤炭裝運過程監管和追溯機制。信息技術的發展為儲煤場作業流程管理提供了新的手段和思路。GPS定位技術可以實現裝載位置(煤種)的確定，RFID技術[3]可以實現運單信息的自動獲取，移動通信和網絡技術可以實現數據和指令的傳輸和聯動。借助這些信息化技術，本文設計并實現了一套儲煤場裝載過程追溯與反饋系統，一方面使裝載過程信息獲取和傳遞更加及時、可靠，另一方面減少了監管過程中人的參與以及不確定因素的影響，提高了儲煤場生產過程的監管效率。

1系統總體設計

儲煤場裝載過程追溯與反饋系統由裝載機裝運定位終端、電子圍欄標定終端、數據處理服務器、GIS定位服務器等組成，如圖1所示。系統可通過數據處理服務器、GIS定位服務器和標定終端完成對屯煤區電子圍欄的設定，也可以直接通過GIS定位服務器對煤種區域進行修訂。定位終端通過GPS定位芯片實現裝載機的實時定位，通過RFID模塊完成對提煤IC卡信息的讀取，通過GPRS通信模塊實現實時車載數據的傳輸。數據處理服務器可通過地銷煤專網獲取過磅系統中運煤車輛進出儲煤場的信息，以實現聯動分析。系統可以完成裝載機實時位置和裝載量的跟蹤，實現裝載任務的智能分配、裝載過程的智能監管等；引入了差分GPS系統，通過增加差分GPS基站來提高定位精度。

圖1　系統組成

系統設計方案如圖2所示。數據處理服務器通過過磅系統獲取進入儲煤場的車輛信息(車牌號、購買的煤種、噸數等)，通過智能調度算法，自動選擇1臺或多臺處于空閑狀態的裝載機，通過定位終端將裝載任務數據發送給裝載機司機。在作業過程中，定位終端通過GPRS網絡將裝載機的實時GPS信息上傳至數據處理服務器，數據處理服務器將裝載機的實時GPS信息轉發給GIS定位服務器，GIS定位服務器完成GPS數據解析，將裝載機所在的煤種區域信息返回給數據處理服務器。數據處理服務器根據裝載任務信息和所在區域信息分析裝載機的行進路線和工作流程，并將獲取的裝載機所在煤種區域信息與從過磅系統中讀取的實際需要裝載的煤種信息進行對比，實現裝載過程監管，一旦發現違規操作，立即向相關人員發出報警信息。

圖2　系統設計方案

2定位終端設計

2.1硬件設計

定位終端由主處理器、電源管理、GPS信息采集與傳輸、射頻信號處理等模塊組成，如圖3所示。選用STM32F103VET6作為主處理器[4-6]。傳感器前端采集的射頻信號經過處理，轉換為STM32F103VET6可以采集的模擬或數字信號。同時，STM32F103VET6周期性地接收GPS信息采集與傳輸模塊(SIM908)獲取的經緯度信息，并通過SIM908本身的無線網絡將位置等相關信息實時上傳到服務器[7]。當網絡發生異常時，電路控制開關控制系統重啟無線網絡，也可以響應外部中斷事件，處理射頻信號，并進行本地顯示。

圖3　定位終端硬件組成

電源管理模塊采用LM2576降壓型開關穩壓電源控制器，其具有非常小的電壓調整率和電流調整率，具有3 A的負載驅動能力，可輸出3.3，5，12，15 V固定電壓，具有電壓可調節輸出方式。電源管理模塊可將外部輸入電壓轉換成各模塊額定工作電壓并穩定輸出，供各模塊使用。

GPS信息采集與傳輸模塊以SIM908為主要芯片。SIM908是一款集成GPS技術的四頻GSM/GPRS模塊，具有2路模擬音頻接口、1個SPI 接口、1個GSM/GPRS串口和1個調試接口、1個GPS 數據輸出調試口、2個分開的天線連接器。GPS信息采集與傳輸模塊主要實現運煤車位置信息的獲取與轉發功能[8]。

射頻信號處理模塊以ATS522為主處理器，讀卡距離約為5 cm；采用標準的UART數據接口，傳輸速率最大為10 Mbit/s，讀ID速率達7次/s，讀塊數據速率為3次/s，符合ISO14443A協議標準，支持Mifare1 S50，Mifare1 S70通信協議。

2.2軟件設計

終端節點軟件流程如圖4所示。首先執行硬件初始化，實現電路控制開關、定時器、SIM908等的初始化，尋找無線網絡，執行相關入口函數及硬件配置函數，從而加入到現有的GPRS網絡，執行裝載機位置和狀態信息采集程序，并將采集信息實時轉發到服務器。

圖4　終端節點軟件流程

3系統軟件設計

系統以Visual Studio 2012為軟件開發平臺，以SQL Server 2010為數據庫，保證了系統的開發效率和數據的高可靠性。Visual Studio可以實現C，C++，C#，Visual Basic等語言的編程開發，可提高系統的整合度。SQL Server可以提供更安全、可靠的存儲功能，尤其在關系型數據和結構化數據方面最為突出。為提供效果更好的定位服務，GIS定位服務器基于ArcGIS Engine[9]定位引擎完成對地圖及定位功能的設計，結合Web Service技術[10]，完成對監控對象實時位置的跟蹤。

3.1數據處理服務器

數據處理服務器是整個系統的數據核心，其業務流程如圖5所示，主要功能：系統信息(裝煤區信息、裝載機信息、服務器參數等)管理，系統數據備份和存儲；與定位終端之間進行信息交互，接收定位終端上傳的裝載機信息、實時位置信息、定位終端參數等，向定位終端發送分析結果及相關指令；與GIS定位服務器通信，向GIS定位服務器發送裝載機GPS經緯度信息、設定參數，從GIS定位服務器獲取定位結果、邊界狀況、歷史軌跡、異常狀況等信息；與過磅系統交互，獲取提煤信息，分析運煤車輛作業情況，實現裝載過程監控；系統數據統計分析，分時段統計煤炭裝載信息，為各種報表查詢提供服務，為制定生產方案提供數據依據。

圖5　數據處理服務器業務流程

3.2GIS定位服務器

GIS定位服務器主要實現裝煤區地圖導入功能，提供地圖設計工具以及地圖修改、標定及邊界可視化設置等服務；裝載機實時定位功能，完成定位算法和修正算法設計，為數據處理服務器提供裝載機實時位置信息；裝載機行進路線跟蹤及軌跡分析功能，對邊界區域進行自動識別，對裝載機的異常位置報警；基于客戶端顯示界面的實時位置、軌跡數據、異常位置等信息的查詢功能。

4結語

儲煤場裝載過程追溯與反饋系統實現了煤種區域電子圍欄的劃分和管理、裝載機運行軌跡跟蹤、裝載任務智能分配管理、裝載結果信息實時反饋、裝運過程分析和監管等功能，一方面可以提高儲煤場生產過程的監管效率，減少裝載過程中違規行為的出現，減少煤礦的直接生產損失，另一方面可以提供有序的裝運管理和反饋機制，加速裝運各環節的轉換，減少運輸車輛在儲煤場的滯留，提高生產效率。

參考文獻：

[1]高振斌,吳金蘭,陳衛科,等.運動定位裝置遠程控制器的FPGA實現[J].河北工業大學學報,2014(5):27-32.

[2]劉賢鋒,喬宏哲.基于ARM的裝載機遠程監控系統設計[J].工礦自動化,2015,41(9):84-86.

[3]劉屹,石博強,譚章祿.基于物聯網的煤炭智能裝車系統設計[J].煤炭技術,2015,34(7):226-228.

[4]任守綱,徐煥良,黎安,等.基于RFID/GIS物聯網的肉品跟蹤及追溯系統設計與實現[J].農業工程學報,2010,26(10):229-235.

[5]張秀娟,程飛龍.基于STM32的便攜式生命體征監護儀設計[J].電子技術應用,2013,39(11):20-22.

[6]張河新,王曉輝,黃曉東.基于STM32和CAN總線的智能數據采集節點設計[J].化工自動化及儀表,2012,39(1):78-80.

[7]彭剛,袁兵.基于雙ARM Cortex架構的移動機器人控制器設計[J].華中科技大學學報：自然科學版,2013,41(增刊1):284-288.

[8]陳琦,丁天懷,李成,等.基于GPRS/GSM的低功耗無線遠程測控終端設計[J].清華大學學報：自然科學版,2009(2):223-225.

[9]金靖.基于ArcGIS Engine的地理信息系統二次開發原理和方法[J].測繪與空間地理信息,2012,35(3):46-49.

[10]梁庚,李文.基于分布式OPC、組件連接件和Web Service的電站遠程監控系統設計[J].電力自動化設備,2012,31(10):134-138.

科研成果

閆欽運,白麥營,張紅巖，等.儲煤場裝載過程追溯與反饋系統設計[J].工礦自動化，2016,42(1)：1-4.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20151231.1549.001.html

Design of loading process tracing and feedback system of coal storage yard

YAN Qinyun1,BAI Maiying2,ZHANG Hongyan2,RUAN Hongxin1,WANG Lei1

(1.Xinglongzhuang Coal Mine, Yanzhou Coal Mining Company, Jining 273500, China;

2.Yankuang Technology Co., Ltd., Jining 273500, China)

Abstract:For low supervision efficiency of coal storage yard working, a loading process tracing and feedback system of coal storage yard based on GPS was designed, and design scheme of positioning terminal of loader shipment based on STM32F103VET6 was expounded. In the system, electronic fence is set in coal storage area by use of GPS technology, thus multi coal type storage areas are divided according to distribution of coal types. GPS positioning information of the loaders is uploaded to server real-timely through GPRS network by the positioning terminal, so as to record, analyze and manage loading process data real-timely. The system can be connected to existing coal mine weighing system and weighing data can be forwarded to the positioning terminal real-timely for improving loading efficiency.

Key words:coal storage yard; loader; loading process tracing; GPS; GPRS

作者簡介：閆欽運(1963-)，男，山東曹縣人，研究員，碩士，主要從事選煤及控制工程方面的應用工作，E-mail：dmhyqy@163.com。 朱前偉(1979-)，男，江蘇徐州人，高級工程師，碩士，現主要從事防爆產品檢驗工作，E-mail：zhucongwei@126.com。

基金項目：江蘇省產學研聯合創新項目(BY2014033); 兗礦集團科技計劃項目(201501)。 中煤科工集團常州研究院有限公司科研項目(14SY006-03)。

收稿日期：2015-11-02；修回日期：2015-12-02；責任編輯：李明。 2015-11-02；修回日期：2015-12-02；責任編輯：李明。

中圖分類號：TD67

文獻標志碼：A網絡出版時間：2015-12-31 15:49

文章編號：1671-251X(2016)01-0001-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.01.001