基于無線異構通信的電機車遠程監測和控制系統

張立祥 王 鼎，2 靳華偉，2 牛乃平 閆宣宣，2 左瑞齡，2

（1.安徽理工大學機械工程學院；2.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室 安徽淮南 232001；3.山西科達自控股份有限公司 山西太原 030006）

煤礦井下輔助運輸系統擔負著運送物料、設備和人員的任務。傳統的輔助運輸采用電機車、絞車、單軌吊等形式[1]，其中電機車運輸作為輔助運輸的重要環節，必須靠電機車司機人工駕駛，但由于煤礦井下環境復雜，駕駛員常常因視線不清、疲勞駕駛等原因，發生碰撞造成人為交通事故，嚴重影響電機車的運輸效率[2]。除此之外，由于煤礦井下通信系統比較單一，網絡傳輸速率較低，網絡延遲較高，地面調度中心與井下電機車無法保證實時通信[3]。導致調度中心無法獲取電機車的精確位置和周圍的工作環境，導致發生井下交通事故后不能及時救援，影響整個礦井煤炭生產效率。為了解決上述存在的問題，保證電機安全、可靠和高效的運輸。在井下建立無線異構通信網絡、實現電機車實時的遠程監測和控制意義非常重大。

國外的電機車遠程測控研究最早起源于20世紀70年代，瑞典的基律納地下鐵礦研發無線遙控電機車和無線通訊技術，并成功實現了井下電機車的無線遙控駕駛系統[4]，其系統能夠實現地面主控室遠程遙控電機車工作，但智能化程度不高。國內無人駕駛起步較慢，中國恩菲是第一家研究并應用無人駕駛礦車的公司，從2011年開始研究并測試到2012年將銅陵有色冬瓜山銅礦作為試點[5]，再到2015年將無人駕駛礦車下井調試后投入使用，已實現在裝礦戰采用遙控方式移動編組完成裝礦工作[6]，只是投入使用的無人駕駛礦車還不能完全達到理想的無人駕駛，包括環境感知、自動避障和精準定位，只能按照規定程序進行運輸，這樣礦井下運輸的安全還是得不到保障[7-8]。

本文利用無線通信技術，結合井下光纖環網，構建寬帶無線網絡與窄帶無線網路相融合的無線異構通信網絡[9]。使煤礦井下組網方式更加靈活，可擴展性更強，實現井下網絡的全覆蓋，有利于煤礦信息共享、資源合理利用、提高煤炭生產效率。在無線異構通信網絡的基礎上設計了煤礦井下電機車遠程監測和控制系統，使電機車具有視頻監控、環境感知、自動避障、精確定位等智能化功能，讓電機車運輸過程更加安全、可靠。

一、無線通信技術

通信技術在煤礦井下的應用給煤礦生產方式帶來巨大變化。“高速率、低延遲、低功耗”成為礦井通信系統的發展趨勢。煤礦井下無線通信技術有透地通信、感應通信、漏泄通信、ZigBee通信、礦用WiFi無線通信、第三代礦井移動通信（簡稱3G）、第四代礦井移動通信（簡稱4G）[10]，以及最新的第五代礦井移動通信（簡稱5G）[11]。根據帶寬的不同，無線通信技術可以分為無線寬帶通信技術和無線窄帶通信技術。目前比較常用的礦用無線寬帶通信技術主要為4G移動通信技術和礦用WiFi無線通信技術，而比較常用的礦用無線窄帶通信技術主要為ZigBee通信技術。

（一）4G。4G是集3G與WLAN于一體,并能夠快速傳輸數據、高質量音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100Mbp以上的速度下載,比目前的家用寬帶ADSL(4兆)快25倍,并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求[12]。4G通信技術并沒有脫離以前的通信技術,而是以傳統通信技術為基礎,并利用了一些新的通信技術,來不斷提高無線通信的網絡效率和功能的。根據煤礦井下環境和巷道電磁波傳輸特性設計的礦井移動通信系統，4G通信技術為煤礦安全生產管理提供更加穩定可靠的語音、數據傳輸解決方案。

（二）WiFi。WiFi是一種傳輸速率高，覆蓋范圍廣，信號較為穩定無線通信技術[13]。礦用WiFi無線通信系統相對于地面場景的應用相對滯后，WiFi產品技術性能相對較低，系統以光纖環網為骨干網絡，在井下設立多個WiFi通信分站，實現對巷道的無線WiFi網絡覆蓋，通常雙向基站覆蓋距離約為300m，采用礦用本質安全型手機能夠接入無線網絡，實現井下的語音調度通話。

（三）ZigBee。ZigBee是一種根據IEEE802.15.4協議開發的、應用于近距離數據傳輸的無線網絡技術[14]。ZigBee技術具有網絡容量大、功耗低、可靠性高等特點，用于傳輸速率較低、網上節點較多、數據量較小的傳感器等設備數據傳輸，可減少人員維護成本。

二、無線異構通信網絡

隨著4G移動通信技術、WiFi無線通信技術的發展，以光纜、電纜為傳輸介質的傳輸方式雖較為穩定，但隨著掘進工作面的推進和巷道的拓展，導致后期維護成本及難度較高，且接入部署難度大，無法實現網絡的快速接入和靈活接入。新型礦井網絡是在有線光纖環網的基礎上，采用無線寬帶通信網絡與無線窄帶通信網絡相融合的異構通信網絡，其創新點為采用“萬兆寬帶環網+無線寬帶（4G/WiFi）+低功率窄帶”異構通信的組網方式，對井下工業自動化信息、視頻監控圖像、無線電話通信、人員及車輛定位、語音廣播、安全監測等系統實現統一接入承載，對礦山各個領域全方位、深度感知，并提取相關信息，安全、穩定、高效、實時地進行數據傳輸。異構通信網絡架構如圖1所示。

圖1 異構通信網絡架構圖

無線異構網絡主要由調度中心顯示大屏、礦用隔爆兼本安型交換機、礦用本安型無線通信基站、礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源、礦用本安型手機等設備組成。

（一）調度中心顯示大屏（簡稱調度顯示屏）。調度顯示屏通過簡單易用的圖形化界面將應急廣播、有線通信、無線通信和人員定位、視頻監控結合到一起，實時顯示系統設備狀態、綜合調度通訊、視頻調度顯示，將通信調度和視頻信息更直觀的顯示在調度員面前，觸摸屏設計讓調度人員實現廣播、有線、無線通信和人員的應急調度指揮更方便，更快捷。

（二）礦用本安型無線通信基站。主要融合有4G模塊、WiFi模塊、射頻模塊、供電模塊、定向天線等組成，可實現4G/WiFi語音視頻、精確定位及各類數據的接入與交換。基站采用本安型設計，通過以太網傳輸數據，具有體積小、重量輕、安裝維護方便等特點。

（三）礦用隔爆兼本安型交換機。交換機接入井上工業以太網，通過光纜與礦用本安型無線通信基站進行連接，完成數據傳輸過程。

（四）礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源。是一種允許在瓦斯、煤塵爆炸危險環境中使用的通用隔爆兼本安型不間斷電源，支持電源管理功能，液晶顯示，CAN協議，備用電池工作時間不得小于4小時。

（五）礦用本安型手機。是為煤礦設計的本安型智能移動終端，具有通話質量高、待機時間長等特點。在基站服務區覆蓋范圍內，用戶可以在移動過程中進行呼叫、短信、彩信、視頻、專用數據業務。

（六）支持ZigBee協議各類傳感器設備。支持各種氣體、溫度等傳感器的接入，增加煤礦井下環境參數監控點，提高煤礦井下安全。

（七）支持WiFi協議的設備。比如電機車車載路由器，用于電機車和巷道內基站之間的無線通信。

在異構通信網絡系統中，具備多種通信接口，可將調度中心收集的數據進行有機的整合，打破“礦山信息孤島”的僵局，實現相關數據的綜合分析。在此系統中具備多種通信接口，如，RS-485接口、CAN總線接口、ZigBee接口、WiFi信號接口。此系統兼容了各類標準通信接口，可以實現不同子系統之間的信息共享，有利于資源合理利用，減少人力物力的投入，提高煤炭生產效率。

三、電機車監測和控制系統

（一）系統硬件組成。煤礦井下有軌電機車監測和控制系統由車載控制器、定位裝置、環境檢測裝置、障礙物檢測裝置、車載路由器、車載攝像頭、巷道內無線基站以及上位機軟件系統組成。定位檢測裝置由電機車上定位節點和巷道內參考節點組成，障礙物檢測裝置分布在車身左右兩側和車頭，環境檢測裝置布置在電機車兩側，上位機與電機車之間通過無線連接。

圖2 系統硬件組成圖

（二）系統軟件組成。電機車監測和控制系統軟件功能模塊組成如圖所示。軟件功能模塊包括登錄模塊、監測模塊和運動控制模塊3個模塊。其功能分別為：登錄模塊設置初始賬號密碼，用戶點擊相應圖標，系統進入登錄界面，用戶根據界面的功能按鈕，完成相應的操作；監測模塊主要包括環境檢測、視頻監控、障礙物檢測、電機車定位，通過這些檢測模塊可以得到電機車周圍的環境信息、監控視頻、障礙物信息、定位信息；運動控制模塊依據運動指令控制電機驅動，從而實現電機車的前進后退、加減速，達到遠程控制電機車運動的目的。

圖3 軟件功能模塊組成圖

四、實驗

對上述設計的電機車測控系統進行驗證實驗。本文設計的煤礦井下電機車測控系統因為涉及煤礦井下環境和電機車，出于實驗環境和實驗設備考慮，本次實驗使用STM32智能小車模擬電機車進行環境檢測測試、電機車監控視頻無線傳輸測試。

實驗采用低功耗、安全可靠的STM32F103RCT6單片機為控制核心，智能小車其它硬件部分采用模塊化設計，配以電機驅動模塊、電源模塊、無線通信模塊、環境檢測模塊、蜂鳴器報警模塊、紅外避障模塊、超聲波避障模塊等。整個系統需要一個穩定可靠的構架，在此構架下STM32核心控制器協調控制各個子模塊完成各項功能。電源系統給整個測控系統硬件部分正常供電；通過紅外避障模塊、超聲波避障模塊獲取車輛周圍的障礙物信息，控制器接受反饋的信息后，通過綜合分析完成避障功能；定位模塊可以通過定位節點和參考節點的相對位置得到車輛定位信息，通過無線通信將定位信息上傳至PC端；無線通信模塊可以將車載攝像頭模塊拍攝到的監控畫面實時傳輸到PC端；環境檢測模塊可以檢測電機車通過巷道周圍的一氧化碳、甲烷等氣體濃度，如檢測達到一定濃度，則反饋給控制器，控制器發信號給蜂鳴器，蜂鳴器就會自動報警，以保證電機車運行的安全性。

為了測試電機車環境檢測模塊，利用實驗室現有的實驗設備器材，如圖4所示，氣體傳感器、溫濕度傳感器、ZigBee節點。環境檢測模塊主要是為了檢測煤礦井下環境，保證電機車安全運行，檢測模塊包括檢測煤礦井下一氧化碳和甲烷等有害氣體，煤礦井下電機車周圍的運輸環境溫度和濕度。本文采用MH-440D可燃氣體傳感器，該傳感器是基于非色散紅外原理對環境中存在的碳氫類可燃氣體進行檢測，有很好的選擇性，無氧氣依懶性，且性能穩定。本文采用DHT11溫濕度傳感器檢測電機車周圍環境的溫度和濕度，該傳感器的溫度測量范圍為0°～50°，溫度測量誤差為±2°，濕度測量范圍為20%～95%，濕度測量誤差為±5%。該傳感器具有體積小、功耗低、響應快、抗干擾能力強等優點，完全符合檢測需求[15]。通過以上實驗設備搭建測試平臺對檢測模塊進行功能測試，各節點通電后運行，連接上位機，上位機可實現氣體濃度、溫度、濕度等參數的實時數據的接收，并對環境參數異常數據進行報警處理，滿足實際檢測需求。

圖4 環境監測實驗設備圖

接著測試電機車無線傳輸模塊，利用實驗室現有的實驗設備器材，如圖5所示，高清攝像儀、WiFi節點。視頻無線傳輸模塊主要是為了實現車載攝像頭拍攝到的監控畫面實時傳輸到上位機中，滿足監控的需求。高清攝像頭通過USB串口連接在WiFi節點上，通過WiFi節點實時傳輸高清攝像頭拍攝的監控畫面，將實驗智能小車放置在模擬巷道的環境中，讓其在運行過程中傳輸監控畫面。實驗結果顯示，畫面質量為720p，延遲較低，滿足遠程監控實時傳輸的功能需求。

圖5 視頻無線傳輸實驗設備圖

五、結論

從煤礦井下電機車運行環境特殊性及實際需求出發，設計了基于無線異構通信網絡的電機車遠程監測和控制系統。通過無線通信技術：ZigBee技術和WiFi技術，實現了對礦井電機車運行周圍環境數據的采集和傳輸。采用模塊化思想構建了電機車測控系統架構，利用嵌入式智能小車對電機車進行模擬實驗，測試結果表明，該系統環境檢測模塊檢測數據準確、成本較低、組網靈活，該系統電機車車載攝像頭監控視頻無線傳輸畫面穩定、延遲低。因此，此系統為電機車安全可靠的運輸提供了保證。