礦井電機車精確定位監(jiān)控系統(tǒng)的設計

喬慧珍

（晉能控股煤業(yè)集團王村煤業(yè)公司， 山西 大同 037000）

引言

礦井中存在過多的運輸線路，且覆蓋范圍較廣，設備的流動性較大，極易出現(xiàn)運輸事故。在諸多運輸設備中，電機車是較為重要的運輸設備，一旦開出，司機就無法與調(diào)度員及時取得聯(lián)系，調(diào)度命令的更改程度繁雜，對機車運行的效率產(chǎn)生了嚴重的影響，甚至會發(fā)生撞車事故[1-2]。因此，礦井運輸應確保電機車的準確定位，為司機與調(diào)度員建立起高效的語音通話系統(tǒng)，從而提升運行效率，保證生產(chǎn)的安全性。

1 電機車監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡

1.1 選擇無線網(wǎng)絡

井下的無線網(wǎng)絡環(huán)境較為復雜，為了對電機車的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，應收集準確的數(shù)據(jù)信息。通過對比發(fā)現(xiàn)，ZigBee 技術能實現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)傳輸需求，從而對電機車進行精確定位。根據(jù)實際環(huán)境來設計ZigBee 方案，并設置F8913 模塊，實現(xiàn)無線通信。如果有需要接收的數(shù)據(jù)，模塊系統(tǒng)將會自行判斷信息之中的地址是否與地址一致，如果一致，則該信息的接收將會中斷。如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則需要運用程序來直接發(fā)送，流程如圖1 所示。

圖1 F8913 模塊工作流程圖

1.2 CAN 總線網(wǎng)絡

礦井下的環(huán)境過于復雜，電機車的監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡所能運用的網(wǎng)絡只有無線，但是該網(wǎng)絡不能保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，因此，還需基于現(xiàn)有的技術來選擇穩(wěn)定性更強的現(xiàn)場總線技術。CAN 總線的運行較為穩(wěn)定，對節(jié)點的個數(shù)不存在限制，數(shù)據(jù)傳輸較為便捷，因此，在對本模塊進行設計時引入了CAN 總線技術，確保系統(tǒng)具備抗干擾、防水等功能。

1.3 通信網(wǎng)絡協(xié)議研究

CAN 總線報文所涉及的內(nèi)容主要有目的地址、源地址、優(yōu)先級等。一是當有多個通信節(jié)點機同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞴?jié)點機，系統(tǒng)將會自動依據(jù)優(yōu)先級來進行發(fā)送，保證數(shù)據(jù)的發(fā)送次序。只有在特殊的情況下才可以發(fā)送語音數(shù)據(jù)，定位數(shù)據(jù)為實時發(fā)送，因此，語音數(shù)據(jù)會優(yōu)先發(fā)送。二是源地址與目的地址。在系統(tǒng)運行的過程中，CAN 總線通信節(jié)點會受到硬件的限制。三是電機車無線信息變送器的地址，明確是哪個機車向調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且可以在調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中顯示出機車的定位信息。本系統(tǒng)需要傳輸語音及定位數(shù)據(jù)，并且以語音數(shù)據(jù)居多，需要涵蓋所有的數(shù)據(jù)。因此，可以分為多個小組來發(fā)送。報文可以將某些節(jié)點信息傳輸?shù)蕉鄠€節(jié)點，不需要明確接收節(jié)點的地址，僅有濾波報文信息就行。

1.4 通信網(wǎng)絡拓撲結構

一是ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結構，依據(jù)節(jié)點設備具有的通信能力來對其進行劃分，主要為精簡功能與全功能兩種，確保彼此可以實現(xiàn)通信，并利用樹形網(wǎng)絡構造。二是CAN 總線拓撲結構，通過測試來與110 個通信節(jié)點進行連接，并借助CANL 和CANH 來完成信息的傳輸，避免共模干擾。為了實現(xiàn)穩(wěn)定通信，還需要將電阻運用到總線通信網(wǎng)絡的兩側。

2 電機車監(jiān)控系統(tǒng)構成

2.1 總體結構

電機車監(jiān)控系統(tǒng)的構成主要有調(diào)度監(jiān)控、節(jié)點機等多個系統(tǒng)，其中無線信息變送器系統(tǒng)所涉及的版塊主要有語音、主控器、加速度傳感器等。節(jié)點機系統(tǒng)包含了主節(jié)點與通信節(jié)點機，調(diào)度室之內(nèi)可以安裝監(jiān)控系統(tǒng)，從而可以對電機車的運行狀態(tài)進行實施監(jiān)測。在無線信息變送器之中安裝加速度傳感器，可以收集機車的方向及加速度信息，通過位移算法可以得到機車運行的速度及位移狀況。同時，在監(jiān)控系統(tǒng)之中還需要配置無線數(shù)字語音通信模塊，將數(shù)字信號進行及時轉換，使其成為語音信息，還需要在監(jiān)控系統(tǒng)中安裝無線數(shù)字語音通信版塊，將語音信息及時轉換成為數(shù)字信號，并將語音數(shù)據(jù)進行壓縮，盡可能縮短數(shù)據(jù)的傳輸時間。電機車在大部分時間都處于運行狀態(tài)，還需要通過無線與有線相結合的方式來精準定位，并及時傳輸數(shù)據(jù)。

調(diào)度節(jié)點可以將機車的一系列信息傳輸?shù)街鞴?jié)點機，也可以將主節(jié)點機的信息傳輸?shù)诫姍C車，確保系統(tǒng)可以正常運行，對CAN 總線進行再次設計。且電機車上端配置的無線信息變送器可以定位及語音信息及時傳輸?shù)酵ㄓ嵐?jié)點機，隨機取得無線信息變送器之中的通信節(jié)點機。在接受了該節(jié)點機的數(shù)據(jù)之后，可以依據(jù)相應的次序來將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞴?jié)點機，其中包含了機車、通信節(jié)點機等設備地址。只有語音數(shù)據(jù)需要傳輸時，節(jié)點機才可以優(yōu)先傳輸語音數(shù)據(jù)。

2.2 無線信息變送器

該設備是精準定位的關鍵部位，通過對加速度傳感器的輸出值來明確設備的定位信息，間隔一個采集周期，加速傳感器會將中斷程序的數(shù)值進行集中采集，之后在將這些數(shù)據(jù)信息進行濾波，通過對積分進行運算來獲取電機車的位移、速度等信息，并利用無限版塊來完成數(shù)據(jù)傳輸。該設備同時還具有語音通信功能，促使司機可以與調(diào)度員正常溝通，對司機的語音信息進行編碼，對調(diào)度員的語音信息進行解碼。該設備的核心控制芯片為單機片，以此來完成語音及無線版塊，在其內(nèi)部實現(xiàn)CAN 控制器的集成，并與CAN收發(fā)器相連接，形成一個CAN 通信網(wǎng)絡。然后再針對加速度傳感器來設計一個電路，將硬件設計電路加以簡化，從而對機車進行精確定位。將無線語音通信系統(tǒng)引入到設計的語音功能電路中，同時對其轉換電路、語音編碼/解碼電路進行設計，在芯片內(nèi)部實現(xiàn)語音的傳輸工作，不需要在外部連接存儲器。芯片對語音數(shù)據(jù)的傳輸主要是利用串口、并口兩種方式來實現(xiàn)的，提高了語音的傳輸速度。此外，該設備在運行之前需要對各個結構進行初始化，在讀出了加速度傳感器的輸出值會后才可以進入變送器的主程序，明確機車的運行方向是否發(fā)生變化，通過積分計算可以得出機車的速度及位移等信息，完成精確定位。

2.3 節(jié)點機

該設備的組成部分包含了主控器、電源模塊、無線收發(fā)單元等，在數(shù)據(jù)傳輸中起到中介作用，可以借助CAN 總線來將電機車無線信息變送器所發(fā)送的定位信息傳輸?shù)街鞴?jié)點機，或者將主節(jié)點機發(fā)送的數(shù)據(jù)信息及時傳輸?shù)诫姍C車的無線信息變送器中，確保司機可以與調(diào)度員順利溝通。ZigBee 網(wǎng)絡與CAN 總線的通信協(xié)議可以相互轉換為各自所需的數(shù)據(jù)格式，并將各個運行版塊進行初始化，明確數(shù)據(jù)來源及運行任務。ZigBee 與CAN 兩種數(shù)據(jù)幀的最大荷載數(shù)據(jù)位長度、承載容量存在一定的差別，通信節(jié)點機在向主節(jié)點機傳輸數(shù)據(jù)的過程極易造成數(shù)據(jù)的丟失，因此，需要將數(shù)據(jù)實施分塊打包，然后再進行發(fā)送。或者將從CAN 總線接收到的數(shù)據(jù)幀進行打包，并封裝為ZigBee的數(shù)據(jù)幀，向下發(fā)送，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。

在礦井網(wǎng)絡中，主節(jié)點機與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)均屬于核心構成，可以將調(diào)度室發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進行協(xié)調(diào)判斷，并及時傳輸?shù)酵ㄓ嵐?jié)點，或者將網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息及時傳輸?shù)秸{(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，完成語音播放。

2.4 調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)運用組態(tài)軟件，借助串口與下位機來實施通信，監(jiān)控畫面對電機車的運行狀況進行實施監(jiān)控，促使調(diào)度員可以及時了解電機車的運行模式。

根據(jù)監(jiān)控可知，電機車所在的區(qū)域，軌道為紅色；電機車即將要進入的區(qū)段，軌道為黃色；而如果為黑色，則表示無車。調(diào)度監(jiān)控畫面可以對井下的巷道狀況進行模擬，實施監(jiān)測電機車的位置，及時明確電機車的信息。

3 試驗效果分析

在結束了網(wǎng)絡通信系統(tǒng)、硬件平臺的搭建等一系列操作之后，以精確定位為基礎來構建電機車的監(jiān)控試驗平臺，對數(shù)據(jù)進行分析，并找出缺點，及時改善，之后對整體系統(tǒng)進行測試，反復操作，確保系統(tǒng)可以處于最佳的狀態(tài)。

3.1 模擬系統(tǒng)

為了判斷監(jiān)控系統(tǒng)運行的可靠性，礦井模擬設計了巷道和系統(tǒng)，配置通信節(jié)點，在模擬軌道之上模擬制作電機車，通過控制系統(tǒng)來對電機的運行狀態(tài)進行控制。

3.2 測試試驗效果

選擇模擬軌道來開展測試，讓電機車運行一定距離，對位移情況進行計算，并將數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)秸{(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)之中，做好記錄，反復測試，收集軌道內(nèi)的真實位置，并與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中的顯示畫面進行對比。結果，本系統(tǒng)可顯著減少電機車位移的誤差。

本文開展了岔道信息傳輸誤碼測試，經(jīng)過多次測試，確保其穩(wěn)定性。在測試期間，人為干預來制造障礙，以此來對岔道傳輸?shù)姆€(wěn)定性進行檢驗。通過分析發(fā)現(xiàn)，可以確保400 m 以內(nèi)岔道信息的準確性。

通過開展電機車的運行方向轉變測試，將電機車的前進和后退方向的標志位分別設計為1 和0，并對電機車前進與后退的狀況進行模擬，將標志位的信息上傳到調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)來進行觀察。根據(jù)測試可以發(fā)現(xiàn)，通過加速度傳感器有助于對電機車的方向進行精確判斷。

根據(jù)本文所開展測試發(fā)現(xiàn)，在電機車的無線信息變送器中將語音版塊與無線版塊相遠離，并且需要采取屏蔽措施，確保語音的質(zhì)量。開展防撞測試，經(jīng)過反復試驗均報警，功能正常。