關(guān)于無線通信技術(shù)在井下機車定位系統(tǒng)的應用研究

1 引言

隨著煤礦開采規(guī)模的不斷擴大，煤礦生產(chǎn)的高效性和可靠性需求也日益提高，我國政府目前已經(jīng)正式提出了礦產(chǎn)資源精準開采的理念，而這一目標的實現(xiàn)離不開實時性好、準確度高的井下定位系統(tǒng)的參與，這也使得眾多煤礦企業(yè)紛紛投入大量的人力物力，研發(fā)符合自身需求特點的井下監(jiān)控與定位系統(tǒng)，從而形成了一波技術(shù)改進的潮流，顯著提高了我國煤礦生產(chǎn)的自動化與信息化水平，煤礦企業(yè)也因此獲得了長足的進步，提高了自身的競爭力，為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化調(diào)整奠定過了良好的基礎。機車定位技術(shù)是一項多學科領域交叉的新興技術(shù)，其技術(shù)水平的高低直接決定了井下人員、物資的運輸效率和調(diào)度能力。本項目針對井下機車定位系統(tǒng)展開研究，提出將無線網(wǎng)絡通信技術(shù)ZigBee應用到定位系統(tǒng)當中，實現(xiàn)高效優(yōu)化的目的，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 ZigBee技術(shù)概述

無線通信技術(shù)品類多樣，各具特色，目前得到了廣泛的應用，而在工業(yè)控制領域內(nèi)，ZigBee技術(shù)無疑是應用最多，受歡迎程度，技術(shù)成熟度最好的一款。該技術(shù)使用IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡通信協(xié)議，通過通信節(jié)點構(gòu)建自組織網(wǎng)絡，具有成本低廉、通信質(zhì)量高、功耗低、帶寬小等特點，此外，ZigBee技術(shù)中的各個通信節(jié)點采用的供電方式為電池供電，在井下復雜環(huán)境中非常適合布設，且平常處于節(jié)能待機狀態(tài)，只有當需要傳輸數(shù)據(jù)是才被激活工作，極大的延長了節(jié)點的生命周期，降低了后期的維護工作量。該網(wǎng)絡抗干擾能力突出，也能夠很好的解決井下客觀存在的各種干擾源，保障數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。該技術(shù)也存在一些缺點，即傳輸距離較短，以及通信帶寬較低，因此不適用于需要大規(guī)模傳輸數(shù)據(jù)的場合，但在工業(yè)控制領域中，不論是采樣數(shù)據(jù)還是控制指令，都是相對簡單的，因此并不會成為ZigBee技術(shù)推廣的障礙。本項目根據(jù)井下機車定位工作的實際需求，也選定了該技術(shù)作為構(gòu)建定位系統(tǒng)的核心技術(shù)。表1給出了數(shù)種無線通信技術(shù)在性能參數(shù)方面的對比信息。

表1 無線技術(shù)特點比較

3 系統(tǒng)的設計與開發(fā)

3.1 系統(tǒng)功能分布

針對煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)的特殊性和要求,并結(jié)合ZigBee技術(shù)本身的限制和特點，本設計中的井下機車定位系統(tǒng)應當具有以下幾種功能：

3.1.1 定位功能。根據(jù)采樣統(tǒng)計的機車相關(guān)信息, 實時監(jiān)控車輛的具體位置并及時反饋給上位機，并在上位機中通過調(diào)度軟件來實現(xiàn)對井下機車的實時控制；

3.1.2 機車行進路線跟蹤功能。根據(jù)從井下反饋回的機車行進軌跡, 跟蹤車輛在井下活動的主區(qū)域并繪制路線圖；

3.1.3 報警功能。機車在井下工作時遇礦井人員自動識別并報警,減少意外事故的發(fā)生。

3.2 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)上可以分為上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)兩部分，上位機位于地面控制室，而下位機系統(tǒng)則位于井下機車設備及均勻分布于巷道內(nèi)。在地面監(jiān)控室內(nèi)，設置控制臺主機，由其對傳輸至此的數(shù)據(jù)進行分析和計算，并對異常狀況實行報警操作，因此需要根據(jù)不同煤礦井下的實際工作狀態(tài)進行靈活的軟件設置和報警閾值設定；在井下布設傳感器節(jié)點時，一般每隔100m設置一節(jié)點，同時針對巷道轉(zhuǎn)角、分支等復雜環(huán)境提高節(jié)點布設密度，保障機車通過各個位置時均能有效的采集到相關(guān)信息。此外還需設置一些固定的路由節(jié)點，負責對整個傳感器網(wǎng)絡的路由進行靈活的調(diào)節(jié)，對其中某些能量耗盡的節(jié)點進行有效的規(guī)避，最終實現(xiàn)全網(wǎng)絡范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的可靠傳輸；在機車上安裝智能射頻模塊，并根據(jù)不同的頻率識別每一臺機車，從而使得采樣節(jié)點及時獲取該機車的位置信息。

4 定位原理

首先在井下機車的合適位置上安裝無線射頻通信模塊，并且每一輛機車都分配有全范圍內(nèi)唯一的識別頻率，當機車移動時，射頻模塊即向四周發(fā)射固定頻率的電波信號，每一種頻率的信號與一個唯一的識別碼相對應，在車輛移動的過程中，該信號被附近的站點所接受并加以解析，取出識別碼后，與該站點內(nèi)存中存放的映射表相對照，如果該識別碼為本站點所轄，則將數(shù)據(jù)添加自身的地址后，通過以太網(wǎng)或CAN總線發(fā)送給下一跳基站,此過程反復執(zhí)行，數(shù)據(jù)即可在多個基站中不斷跳轉(zhuǎn)，并且在跳轉(zhuǎn)的過程中會記錄下所經(jīng)過的每一個基站地址，預防出現(xiàn)閉環(huán)路由的情況。當數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心后提交管理員，從而使得調(diào)度管理人員能方便的地觀察到井下工作車輛的即時位置。另一方面，對不同的機車設置不同的射頻頻率，就可實現(xiàn)對多臺機車的準確識別。系統(tǒng)還提供了井下機車定位搜索，查詢等便捷的功能，從而實現(xiàn)了對某機車的快速定位和快速查找，極大的增強了系統(tǒng)的調(diào)控能力。系統(tǒng)示例按圖1所示：

圖1 井下機車定位系統(tǒng)

5 結(jié)語

目前井下監(jiān)控技術(shù)發(fā)展飛快，各種智能化和自動化的最新研究成果紛紛應用到了該領域之中，極大的提高了監(jiān)控水平，且隨著互聯(lián)網(wǎng)的大發(fā)展，對于遠程實時化監(jiān)控的能力也在不斷提升之中。Zi gBee作為無線網(wǎng)絡中的杰出代表，在這一過程中得到了廣泛的重視。本設計在ZigBee網(wǎng)絡的基礎上，可靠的實現(xiàn)了對井下機車的實時定位和監(jiān)控，顯著提高了煤礦井下機車的調(diào)度能力，已經(jīng)具備了實用價值。