孟祥忠 張志剛 李宗明

（1.青島科技大學自動化與電子工程學院，山東省青島市，266042；2.棗莊職業(yè)學院，山東省棗莊市，277800）

煤礦井下軌道線路擔負著物料、設備以及人員的運輸任務。由于長距離且錯綜復雜的運輸巷道中缺少配備運輸車輛定位跟蹤系統(tǒng)，這給煤礦井下軌道運輸帶來了安全隱患大、運輸效率低、礦車閑置及使用效率低等諸多問題，也給調(diào)度帶來了不知道幾號車在哪里、不清楚同一軌道行駛車輛的狀態(tài)以及無法指揮車輛安全錯車等許多困難。這種狀況往往會使調(diào)度部門產(chǎn)生調(diào)度的盲目性和隨意性，甚至會產(chǎn)生運輸車輛追尾及撞車的嚴重安全事故。因此，研究開發(fā)了一套基于RFID技術的礦井運輸車輛定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用RFID技術實現(xiàn)井下車輛定位跟蹤，可以將機車的具體位置、行駛速度以及行駛方向等信息實時地顯示在井下監(jiān)控調(diào)度中心，大大提高了礦井的智能化水平。

1 定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)由工控機、10個識別分站以及電子標簽組成，調(diào)度室配備工控機，識別分站分布在煤礦－410水平大巷中，電子標簽安裝在機車頭和各個車皮上。工控機與各個識別分站采用RS485總線的方式通信，識別分站和電子標簽之間采用RFID技術的方式通信。監(jiān)控中心工控機在組態(tài)軟件MCGS支持下，通過數(shù)據(jù)傳輸接口和沿巷道鋪設的通訊電纜輪詢巷道上安裝的識別分站。識別分站對機車上電子標簽進行數(shù)據(jù)巡檢和信息采集，當識別分站收到工控機巡檢命令后，將自動采集有效識別距離內(nèi)的標識卡信息，并根據(jù)系統(tǒng)指令通過RS485總線將機車的號碼、機車去向、車皮所載貨物等相關數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控室工控機，工控機分析接收到的信息后，監(jiān)控畫面上很快就能顯示出當前運行機車的具體位置以及機車速度等機車信息。定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 識別分站與電子標簽硬件設計

識別分站和電子標簽之間的信息交換是在特殊而又復雜的巷道空間以無線傳輸數(shù)據(jù)完成的，數(shù)據(jù)無線傳輸品質(zhì)的好壞直接決定識別分站與電子標簽設計的優(yōu)劣，進而影響機車跟蹤定位系統(tǒng)的準確性。因此，在設計中充分考慮這些因素。

2.1 通信頻段的選擇

無線通信模塊采用433MHz頻段和10mW發(fā)射功率與識別分站相匹配。433MHz頻段與2.4 GHz等頻段相比具有頻段波長較長、繞射能力強以及通信可靠等特點，能實現(xiàn)在不停車、不減速以及大流量條件下進行車輛識別功能。采用433 MHz頻段可與礦井人員定位系統(tǒng)采用的2.4GHz頻段相避開，避免了它們之間的相互干擾。通過使用抗干擾的通信技術和高度集成的單片收發(fā)機來保證系統(tǒng)通信的可靠性和工作的穩(wěn)定性。與現(xiàn)有其他類型的有源RFID相比，通信距離由10～20m增加到了100m，該技術方案在使用中方便靈活，性能可靠。

圖2 射頻模塊電路原理圖

2.2 硬件電路設計

電子標簽主要包括遠程無線通信模塊、單片機、天線以及電池，識別分站主要包括無線通信模塊、AC－DC轉(zhuǎn)換模塊、RS232－RS485串口電平轉(zhuǎn)換模塊。識別分站與電子標簽主電路采用TI公司生產(chǎn)的低功耗單片機MSP430F2132、Chipcon公司生產(chǎn)的超低功耗無線射頻收發(fā)芯片CC1100以及外圍元器件構(gòu)建，射頻模塊電路原理圖如圖2所示。

3 定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

當電子標簽進入識別分站的識別范圍之內(nèi)時，電子標簽將自己的信息傳送給識別分站后，識別分站以ID編碼的方式將信息傳動到上位機，上位機接收到這些編碼之后將調(diào)用自己的數(shù)據(jù)庫對編碼進行解析，最后以時間、機車號、司機、位置等的方式顯示出來。由此可見，實現(xiàn)定位跟蹤的關鍵之處在于系統(tǒng)中設備的相互通信。

圖3 電子標簽與識別分站通信流程圖

3.1 電子標簽與識別分站的通信實現(xiàn)

電子標簽與識別分站通信是一個相互的過程，電子標簽和識別分站都要相互接收和傳輸信息。電子標簽采用遠距離睡眠喚醒機制，識別分站接收到上位機的詢問命令之后，按照一定周期定時向外發(fā)射自身的標識信號數(shù)據(jù)，當載有電子標簽的車輛途經(jīng)識別分站射頻輻射覆蓋范圍時立刻被喚醒。電子標簽被喚醒之后會將自身的ID號編入通信數(shù)據(jù)包發(fā)出，識別分站收到數(shù)據(jù)包后會記錄此數(shù)據(jù)包中的ID號。電子標簽與識別分站通信流程圖如圖3所示。

3.2 識別分站與上位機的通信實現(xiàn)

識別分站采用MSP430單片機實現(xiàn)，工控機采用MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)。利用MCGS和MSP430都支持的modbus協(xié)議實現(xiàn)兩者之間的通信。modbus分為主站格式和從站格式，主站格式為設備地址、功能碼、寄存器地址、數(shù)據(jù)個數(shù)、CRC校驗碼，從站格式為設備地址、功能碼、數(shù)據(jù)個數(shù)、數(shù)據(jù)1……數(shù)據(jù)n、CRC校驗碼。上位機和各個識別分站是以主從通信的方式掛在一根RS485總線上，將上位機作為主站具體格式為［000400xx 28crc］，將識別分站作為從站具體格式為［020428xx…xx crc］。識別分站與上位機通信流程圖如圖4所示。

圖4 識別分站與工控機通信流程圖

要想實現(xiàn)在一主多從的情況下通信成功，必須要根據(jù)RS485總線的機制，避免多個識別分站在發(fā)送數(shù)據(jù)包過程中的信息碰撞問題。針對這種情況，采用工控機輪詢的方式分別訪問各個識別分站，同時識別分站采用MCU分時開關串口的方式來避免信息碰撞發(fā)生。一主多從通信時序圖如圖5所示。

圖6為定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)運行時主界面圖，它不僅反映了井下軌道交通運行線路，而且對各個車場和轉(zhuǎn)轍機方向進行了描述。圖中箭頭的指向反映了轉(zhuǎn)轍機當前的方向，為了操作方便，可以用鼠標單擊這些箭頭為機車人工分配進路，同時機車的實時位置在主界面上通過機車號的方式顯示出來，便于調(diào)度人員觀察。

圖5 一主多從通信時序圖

圖6 定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 結(jié)語

基于RFID技術的礦車運輸車輛定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)在山東能源淄礦集團岱莊煤礦井下－410水平軌道運輸系統(tǒng)實施運行以來，實現(xiàn)了井下機車的實時跟蹤監(jiān)測和定位，能隨時清楚地掌握每輛礦車的位置及活動軌跡，為井下礦車調(diào)度系統(tǒng)提供了科學依據(jù)。

［1］ 陳湘源.煤礦無線通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.工礦自動化，2009（1）

［2］ 張長深，徐景濤，董鵬勇.基于MSP430的礦井人員定位射頻讀寫系統(tǒng)的設計［J］.電子技術應用，2008（6）

［3］ 孫繼平.礦井無線傳輸?shù)奶攸c［J］.煤礦設計，1999（4）

［4］ 周曉光，王曉華.射頻識別（RFID）技術原理與應用實例［M］.北京：人民郵電出版社，2006

［5］ 黃智偉.射頻電路設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006