基于DGPS技術的煤場智能裝運系統設計與實現

劉增寶　張紅巖　邊紅星　靳明　任賀賀

摘 要：由于煤場環境復雜，煤炭種類繁多，易發生裝載機錯裝、混裝，會給公司帶來不必要的損失，文章設計了一種基于DGPS（Differential Global Positioning System）技術的煤場智能裝運系統。以STM32為主處理器，利用差分定位技術設計差分定位信息采集模塊，以獲取裝載機車定位信息，利用GPRS（General Packet Radio Service）通信技術設計GPRS通信模塊為裝載機提供車輛調度，差分定位、稱重信息的上傳，煤種信息的獲取等服務，利用軟件設計技術，設計監控終端和數據處理服務器提供煤種區域劃分、地圖更新，裝載機差分定位位置實時分析，裝載機錯裝警告，裝載歷史數據查詢等功能，以提高工作效率。測試表明，該系統數據準確，信號轉發能力強，能夠滿足應用需求。

關鍵詞：裝載機；DGPS；GPRS；過程監控

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0001-04

Abstract： Due to the complex coal yard environment and the variety of coal， it is easy to misload and mix the loader， which will bring unnecessary losses to the company. This paper designs an intelligent loading system of coal yard based on DGPS （Differential Global Positioning System） technology. With STM32 as the main processor， the differential positioning information acquisition module is designed using differential positioning technology to obtain the positioning information of the loader， and by using the GPRS （General Packet Radio Service） communication technology， the GPRS communication module is designed to provide the vehicle scheduling for the loader. Differential positioning， weighing information upload， coal information acquisition and other services， using software design technology， design monitoring terminal and data processing server to provide coal classification， map update， loader differential positioning location real-time analysis， loader error loading warning， loading historical data query and other functions to improve work efficiency. The test results show that the system has accurate data， strong signal forwarding ability and can meet the application requirements.

Keywords： loader； DGPS； GPRS； process monitoring

目前，煤炭裝載過程中對煤種劃分不明確，在裝載運輸過程中對車輛定位信息的不精確，無法對裝載機進行實時監管，不利于提高煤礦裝運效率，影響煤礦產業發展[1]。如何能夠提供一套有效的煤場智能裝運機制是解決煤場監管問題的關鍵，技術的不斷進步與發展為煤場裝載流程的管理提供了新的方法。

高精度GPS差分定位技術（DGPS）[2]是指固定在某一地點的基站接收機和另一臺移動站接收機同時連續觀測相同的GPS衛星，根據已知的參考點定位信息，計算出參考點定位信息的修正系數，通過GPRS通信網絡發送給移動站接收機，改進移動站接收機的定位精度，經過測試定位精度可以達到20cm以內，可以滿足對裝載機實時位置的精確定位。RFID技術[3]可以實現對車輛信息的讀取，

GPRS通信技術實現數據的傳輸與接收，借助這些信息化技術，本文設計了一套基于DGPS技術的煤場智能裝運系統，可以實現對裝載機實時定位信息查看、裝載量的統計、裝載機合理調度、裝載過程的實時監管，防止發生司機故意錯裝，偷懶等不良的煤炭裝運現象，提高裝運效率。

1 系統總體設計

煤場智能裝運系統由裝載機智能裝運差分定位移動終端、差分定位服務基站、數據處理服務器和GIS定位服務器等幾個部分組成。系統可以通過差分定位移動終端、GIS定位服務器和數據處理服務器完成對儲煤場地圖的標定，也可以通過數據服務器對裝載機進行調度[4-5]。通過定位衛星差分定位服務基站獲取差分校準值，將校準值發送給數據處理服務器，數據服務器再將校準值信息通過GPRS通信發送給差分定位移動終端，從而精確地獲取裝載機實時定位信息；通過射頻識別模塊完成對IC卡車輛信息的讀取；通過GPRS通訊模塊實現實時接收與傳輸數據[6]。過磅系統通過儲煤場專網，將運煤車輛過磅信息傳輸給數據處理服務器，以實現聯動分析。系統可以完成車輛信息傳輸，定位信息、計量信息的上傳，調度信息的讀取等服務。系統網絡架構如圖1所示。

2 差分定位終端硬件設計

差分定位終端由薄膜按鍵、蜂鳴器、指示燈、射頻模塊、差分定位模塊、液晶顯示、GPRS模塊、主處理器等幾個部分組成。差分定位終端的硬件框架如圖2所示，終端選用芯片型號為STM32F103VET6作為主處理器[7-8]，是一款基于ARM Cortex-M3 32位的微處理器，CPU最高速度達72MHz，內置大容量存儲器，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設，具有價格低廉，外設豐富，性能優異等優點。計量終端通過RS232電路將計量信息通過串口發送給處理器，同時，處理器接收差分定位模塊所獲取的定位信息并通過GPRS模塊實時地將差分定位等相關信息上傳到服務器[9]。當網絡無法連接時，電源控制開關能夠控制GPRS模塊進行重啟，也可以處理刷卡信息，并在液晶屏上進行顯示。系統發生異常時，蜂鳴器會發送警報。薄膜按鍵負責錄入按鍵數據，指示燈顯示系統當前工作狀態。

2.1 電源管理模塊設計

電源管理部分采用LM2596S芯片，它是一款降壓開關調整器，具有3A負載能力，LM2596S能夠輸出固定電壓，也可以輸出小于37V的各種電壓。LM2596S工作頻率為159KHz，效率最大達90%，帶有限流、過熱、短路保護功能。LM2596S工作范圍支持-40℃-125℃，最大支持40V電壓輸入，最小支持4.5V電壓輸入[10-11]，圖3為電源管理模塊設計原理圖。電路中使用0歐電阻1個，100uF/50V電容1個，100uH電感1個，型號為SS34二極管1個，0.1uf電容1個，330uF/25V電容一個，LM2594S-5.0降壓芯片1個。電源管理模塊是將電源電壓轉換成各個模塊的工作電壓，使整個系統進入穩定工作狀態。

2.2 差分定位信息采集設計

差分定位信息采集模塊采用Hemisphere系列P201全新一代高性能的三星七頻RTK定位接收機，支持BDS B1，B2，B3；GPS L1，L2；GLONASSG1，G2[12]。P201支持單精度差分和高精度差分模式，當無校準值信息時，進入單精度差分模式，定位精度大5m以內，當接收到校準值信息，進入高精度差分模式，定位精度達20cm以內。它具有372個數據通道，三個全雙工串口，1個外部DGPS差分專用端口，1個USB接口，支持ROX，RTCM2，RTCM3.0，RTCM3.2，CMR，CMR+等多種差分數據格式。圖4是差分定位信息采集模塊部分的原理圖。電路中使用10K電阻2個，1K電阻1個，SS8050三極管1個，型號為AO3401mos管1個，0歐電阻1個。該部分電路主要實現差分定位信息的獲取及轉發。當模塊無法工作時可以控制GPS_C引腳對模塊進行重啟。

2.3 GPRS數據輸出設計

GPRS數據輸出模塊采用有人物聯網系列USR_GPRS232_7S3無線數據透傳模塊，通過AT指令設置，實現串口到網絡的雙向數據透明傳輸[13]。該模塊支持四頻通信，全球通用，使用2G網絡，支持4路網絡連接同時在線，具有短信透傳模式、網絡透傳模式、HTTPD模式、UDC模式四種工作模式，可以使用擴展指令集建立、維持及關閉網絡連接。圖5是GPRS模塊的原理圖。電路中使用1K電阻5個，LED二極管2個，SS8050三極管3個，10K電阻2個，型號為AO3401mos管1個，0歐電阻1個，0.1uf電容1個，100uF/16V電容1個。該部分電路主要實現網絡數據的傳輸與接收。當模塊無法工作時可以控制GPRS_C引腳對模塊進行重啟，模塊正常工作時D12指示燈常亮，當模塊與網絡通信時，D13指示燈點亮。

2.4 射頻信號處理及液晶顯示部分

射頻信號部分采用MFRC522模塊，MFRC522是一款高度集成射頻芯片，發送模塊利用調制和解調的原理[3]，將它們完全集成到各種非接觸式通信方法和協議中（13.56MHz），支持多種工作模式，其內部集成電路，可直接與IC卡進行通信。在讀寫模式中通信距離高達50mm，支持SPI接口，串口UART接口和I2C接口，本次設計采用標準的SPI數據接口，最大傳輸速率為10Mbit/s，擁有64bit的發送和接收緩存區，具有硬復位功能。

液晶顯示部分采用武漢中顯科技有限公司旗下SDWe系列VGUS4.3高亮串口屏。該液晶屏分辨率為480*272，擁有1000亮度流明，128K變量存儲空間和256字節寄存器空間，以及128M字節Flash存儲器空間，可擴展到1G字節。單頁最大支持128個顯示變量，集成實時時鐘RTC，支持背光亮度調節，自動待機屏保功能，可外接矩陣鍵盤，同時采用了JPG數據壓縮算法和連續存儲模式[14]，極大地提高了存儲效率和存儲圖片的數量。

3 定位終端軟件設計

系統采用C語言編程，在Keil5環境下編譯、調試，基于DGPS技術的煤場智能裝運系統主程序流程圖如圖6所示。系統上電后對硬件進行初始化，實現各個模塊功能的初始化，接著差分定位模塊通過定位天線尋找定位信息，通過GPRS天線尋找無線網絡，連接網絡后，進行網絡初始化，連接服務器。接著初始化應用，開辟數據存儲區，執行裝載機裝運流程程序 [15]。主處理器持續采集裝載機差分定位信息，如果有其他任務要處理，先處理其他任務，然后通過GPRS網絡將定位信息轉發到服務器，如果沒有其他任務要處理，直接轉發信息到服務器，最后等待新的差分定位信息到來。

4 系統運行效果

如圖7所示，差分定位移動終端實物圖。在實驗環境中分別測試差分定位模塊定位精度、服務器的數據收包率。

首先對差分定位終端差分定位精度進行測試，測試人員攜帶一個差分移動終端，差分定位終端STM32處理器會采集差分定位信息，通過串口向測試軟件發送差分定位信息，測試軟件顯示效果如圖8所示，同時根據經緯度坐標，我們在地圖上找到該位置，顯示與測試人員位置一致，經過反復測試，結果顯示本系統所采用的差分定位模塊定位精確，定位精度在20cm以內。

接著對服務器的數據收包率進行測試，通過調整定位終端的程序，人為規定定位終端1分鐘內30個數據包，通過服務器的觀察發現，每分鐘內收包個數都在29-30之間，且都是正確數據。

在長時間的測試下，系統穩定運行，由此可見，本文設計的基于DGPS技術的煤場智能裝運系統具有定位精確，數據準確，數據轉發能力強，穩定性高等優點。

基于DGPS技術的煤場智能裝運系統，結合DGPS定位，重量測算，安全預警技術、數據采集、數據傳輸、數據處理等技術，完成了煤場裝運系統的智能化，可以減少煤礦企業由于分類不清導致的損失，提升裝載機設備，監測和優化煤炭裝置流程，提高工作效率，為企業提供跨平臺服務。

參考文獻：

[1]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（01）：1-4.

[2]張銳，周 ，李庚基，等.GPS差分定位方法研究及其應用[J].山西電子技術，2017（01）：56-57+77.

[3]曹偉，江平宇，江開勇，等.基于RFID技術的離散制造車間實時數據采集與可視化監控方法[J].計算機集成制造系統，2017，23

（02）：273-284.

[4]Wen Jing Li，Jin Hua Ding，De Quan Wang，Teng Gao，Fan Zhang Yan. Design of Household Conveying Robot Control System Based on STM32[J].Applied Mechanics and Materials，2013，2601（385）.

[5]徐文文.基于STM32的無線網絡數據采集系統設計及應用[J].機電信息，2015（33）：130-131.

[6]Xing Zhe Piao，Yu Shan Xue，Cheng Gao，Ying Shun Li. Intelligent Heat Meter of Monitoring and Controlling System for Heating Supply Based on GPRS Network[J]. Advanced Materials Research，2013，2116（614）.

[7]陳鑫，秦宏偉，陳春雨，等.基于Cortex-M3內核的STM32微控制器研究與電路設計[J].大慶師范學院學報，2013，33（06）：44-47.

[8]管立偉，盧宇，吳進營，等.基于STM32的嵌入式網絡通信終端設計與實現[J].陜西理工學院學報（自然科學版），2016，32（04）：23-28+38.

[9]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，2015，09：84-86.

[10]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，2015，07：226-228.

[11]王豪博.基于物聯網的基站電源管理系統軟件設計與應用[J].福建電腦，2017，33（05）：127-128+133.

[12]羅成，陳淑榮，劇季.基于GPRS傳輸的車輛遠程監控及行駛軌跡優化[J].微型機與應用，2017，36（11）：60-63.

[13]邵俊杰，曾獻輝.基于GPRS/GSM和ARM的數據完整性傳輸終端設計與實現[J].微型機與應用，2014，33（17）：62-65.

[14]Zheng Hua Xin，Qi Xiang Song，Liang Yi Hu，Xiao Xiao Shao，Gang Wu. Study on Mechanical Mechanics with the Testing Pressure System Based on the Multi-CPU Platform and the LCD Screen[J]. Advanced Materials Research，2013，2417（703）.

[15]戴啟航，于本成，張圣杰.裝載機實時定位及工作流程在線監測系統的設計[J].信息與電腦（理論版），2016（16）：122-123.