基于物聯網的礦山井下交通指揮系統的實踐

劉 武

（云南錫業股份有限公司大屯錫礦，云南紅河 661100）

0 引言

云錫大屯錫礦井下車輛交通指揮經歷了3 個階段。第一階段：使用開關信號階段，在局部單向路段，車輛運行的信號由駕駛員停車后手動供停信號燈。優點是安裝和維護簡單，成本低廉。缺點是司機操作比較麻煩，效率低；且無法滿足路況較為復雜的區域。第二階段：使用基于PLC 的繼電器控制信號階段。優點是系統可靠，操作簡單。能滿足車輛頻繁，岔路口多等較復雜路況的車輛調度。缺點是布線復雜，成本較高，維護不便。第三階段：基于物聯網的礦山井下交通指揮系統。優點是布線簡單，成本較低，運維方便，功能兼容性、可拓展性強，系統采用光纖工業環網通信技術、CAN 通信技術、ZigBee 無線定位和通信技術，為系統的成熟運用提供有力的保障。下面給出基于物聯網的礦山井下交通指揮系統的詳細設計方案及軟硬件措施。

1 系統的整體設計方案

系統利用光纖工業環網通信技術、CAN 通信技術、ZigBee無線定位和通信技術，實現對井下作業運行車輛的位置定位和紅綠燈的控制。在1360 無軌運輸平巷及主斜坡道鋪設光纜，大概每隔600 m 安裝1 臺礦用一般型無線基站，組建骨干工業環網。在1360 主斜坡道每隔30 m 安裝1 臺礦用一般型定位讀卡器，讀卡器之間通過CAN 總線連接，每20 個定位器通過CAN 總線匯集到1 臺礦用一般型分站，分站通過網絡網線接入無線基站。每輛車上都安裝1 臺電子車牌，電子車牌在井下運行時，會被最近的定位器識別，定位器通過CAN 總線將數據傳輸給分站，分站將數據傳輸給無線基站，無線基站通過光纖網絡傳輸到算法服務器和顯示服務器。系統整體結構如圖1 所示。

每個避讓口和中段口安裝紅綠燈，當前方路段有車輛駛來時，前方看到紅燈；當前方沒有車輛駛來時，前方看到綠色。電子車牌上也有紅綠指示燈和聲光報警器，當車輛前方路段可以通行時，電子車牌上的指示燈為綠色；當前方路段有車輛駛過來時，電子車牌上的指示燈為紅色。當車輛闖紅燈通過時，電子車牌會啟動聲光報警器。

2 系統的硬件設計

2.1 電子車牌的硬件設計

電子車牌是車輛被交通信號系統識別唯一的身份證。面板上包括禁止允許通行指示燈，電源指示燈，定位指示燈，通行指示燈和闖紅燈指示燈。其硬件設計包括7 個模塊：整流與保護電路模塊、聲光報警接口模塊、聲光報警驅動模塊、DC/DC 轉換模塊、LED 指示燈模塊、無線通信模塊、無線定位模塊。硬件原理如圖2 所示。

圖2 電子車牌硬件原理框圖

電子車牌工作電壓為DC 12 V，有1 個輸出接口：DC 12 V聲光報警器驅動接口。采用內置PCB 天線，無線頻率2.4 GHz，發送功率為4 dBm（（-30～4）dBm 自動可調），接收靈敏度為-97 dBm，無線標準采用ZigBee 協議，無線速率250 kbps，主芯片為CC2530。

2.2 定位讀卡器的硬件設計

定位讀卡器是定位系統的重要組成部分，安裝于井下固定的位置，主要完成對電子車牌的信息采集。定位讀卡器接收電子車牌和其他設備發送的各種命令并及時響應，完成對它們的加密、識別、鑒權等操作。并將采集到的信息經2.4 G ZigBee 無線組網通路將定位信息通過網關上傳至服務器。其通信接口包括CAN 接口和RS485 接口，CAN 通信距離單總線為5 km，485 通信距離為1 km。其硬件原理框圖如圖3 所示。

圖3 定位讀卡器硬件原理框圖

定位讀卡器工作電壓為AC 85～265 V，內置備用電池，電池容量3000 mAh，工作電流分三種：接收電流24 mA，一般發射電流26 mA，休眠電流15 μA。工作頻率范圍2.394～2.507 GHz。輸出功率為（-30～20）dBm。接收靈敏度為（-85～-97）dBm。收卡范圍理論距離為100 m。1 個讀卡器可同時識別200 張以上電子車牌標簽，并采用了頻段隔離技術，防止多個設備相互干擾，同時采用加密計算與安全認證，防止鏈路偵測。

2.3 一般型無線基站設計

無線基站是系統的核心設備。負責MOXA 服務器和井下設備的信息通信。采用DC 12 V 外接電源供電，包括4個千兆光口，用于組件系統主干道網絡，可靈活組建工業以太環網。每個節點都可以有冗余備份鏈路，使其具備網絡自愈功能。基站還包括2 個千兆網口和1 個RS485 工業接口。2 個WiFi 模塊以及1 個ZigBee 定位模塊。其硬件結構如圖4 所示。

圖4 基站各模塊示意圖

2.4 信號燈的硬件設計

信號燈有熄滅、紅色、綠色、紅閃、綠閃5 種狀態，信號燈通過定位器與網關、算法服務器通信，根據接收到的指令顯示對應的狀態。當連續8 s 接收不到指令時，信號燈自動熄滅。信號燈每隔3 s 將實際的狀態通過無線發送給定位器。

信號燈的工作電壓為DC 12 V，工作電流＜300 m A，無線頻率2.4 GHz，發送功率4 dBm，接收靈敏度：-97 dBm，有2個內置PCB 天線，主芯片型號為CC2530，無線標準：ZigBee，無線速率：250 kbps，調制方式：QPSK。無線距離：＞100 m。信號燈的電氣原理如圖5 所示。

圖5 信號燈硬件原理框圖

3 系統的軟件設計

系統基于B/S 和C/S 混合架構，將整個礦山人員定位、監測監控、生產自動化、交通信號系統等數據全部集成在三維立體的虛擬現實系統中，礦山管理人員可隨時登錄系統，在一個三維系統上了解礦山人員、生產、設備、安全等所有信息。

系統設計采用物聯網云計算技術，可為用戶提供多級查看及操作，實現礦山、集團、主管部門的多級網絡結構。用戶在取得授權的情況下，可在外部網絡訪問系統，讓礦山實現數字化、虛擬化。真正實現物網相連、感知礦山的系統架構。系統的整體設計框架如圖6 所示。

系統的服務器包括軟件服務器和控燈算法服務器，其中軟件服務器端的功能包括：

（1）實時顯示井下交通信號燈狀態，照明路燈狀態，作業車輛運行狀態。

（2）對井下違章闖紅燈、超速的車輛在頁面上實時告警提示，并生成車輛違章報表，記錄車輛違章的位置、時間、車輛編號、運行狀態燈、所屬部門的信息。違章記錄報表可查詢，可以導出EXCEL 文件。

（3）車輛歷史軌跡的查詢，在軟件上可以以車輛編號和時間查詢車輛運行的歷史軌跡。

（4）緊急封燈功能，當遇到緊急情況時，可以對井下信號燈的狀態進行手動控制，保證車輛能夠快速出坑或者入坑進行緊急救援。

（5）設備網管告警功能。對井下的出現故障的設備在頁面提示，并生成設備故障的報表。報表包含設備的名稱型號、設備ID、設備安裝位置、出現故障的時間。

（6）基礎數據的管理。對網關、定位器、照明控制器、信號燈、電子車牌的基礎信息管理，包括設備的安裝位置、編號、網絡連接關系等，針對電子車牌還包含電子車牌安裝的車輛編號、車輛所屬部門、車輛類型的信息。

算法服務器硬件采用MOXA 公司的IA240 嵌入式工業計算機。算法服務器是交通信號系統的核心，服務器下行控制給定都通過算法服務器發送給井下設備，井下設備的狀態都通過算法服務器發送給服務器做顯示和記錄，井下所有信號燈的狀態、照明控制器的狀態、車輛闖紅燈告警提示、超速告警提示都是由算法服務器進行計算，即控燈規則都在算法服務器里面實現。

4 系統的運行調試

將所設計的整套系統在云錫松礦1360 平坑進行測試。現場使用數據表明，各個子系統的監測數據能實時穩定地上傳至遠程服務器，并通過瀏覽器以圖形化界面展示，用戶通過瀏覽器能有效的監控坑內車輛的情況，并可實現對車輛各種信息的管理和修改，達到了預期的功能需求，并驗證了所設計系統的可行性和穩定性。

但在運行了一段時間之后，發現系統存在車輛調度能力有限的缺陷，對于極端車況依然無法實現有效調度與車輛疏通。根據現場觀察和對規則的分析，對系統進行一定程度的修改。修改內容包括：

（1）對電子車牌進行改造，增減紅綠指示燈和外接報警器。

（2）增加區間測速功能，加強對車輛違章情況的監控。

（3）取消部分短距離路段的紅綠燈，改善定位算法，從算法上提高系統定位精度。

（4）在各避讓口安裝監控攝像頭。加強違章監控能力。

（5）修改系統規則及算法服務器程序，如增加車輛限流功能，車輛行駛優先級等。

（6）改變服務器的分布結構，使得系統局部故障時，對系統的影響范圍明顯縮小。

圖6 信號系統的整體設計框架圖

經過修改后的系統進行再次測試，系統的車輛調度能力得到明顯的加強，坑內車輛運行更加有序。性能更加優越。

5 結語

綜合來看，物聯網在礦山井下的運用，有效地促進了礦山信息化的建設。除了為智能化交通管理提供技術支持，有效減少道路擁堵、交通事故等問題以外。這套系統的可拓展性也極強，比如礦山自動化控制，環境監控，特種設備在線監控等，都可與本系統得到很好的兼容合并，有力推進礦山信息化，自動化。特別是隨著現代信息技術的不斷發展，以及礦山自動化的深入推進，物聯網技術發揮的作用越來越大，對礦山減耗增效將起到很大的促進作用。