孟 軍 沈永良

(黑龍江大學電子工程學院)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下機車進站預報系統(tǒng)設計

孟 軍 沈永良

(黑龍江大學電子工程學院)

針對目前煤礦井下機車報站系統(tǒng)存在數(shù)字化程度低、主要依賴人員現(xiàn)場操作、布線復雜等缺點，采用ZigBee技術，設計了煤礦井下機車進站預報系統(tǒng)，準確監(jiān)測井下機車運行狀態(tài)參數(shù)，通過信號站防爆顯示屏及時了解機車位置及到站時間，為煤礦運輸安全管理提供強有力的技術保障。

井下機車 監(jiān)控系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng) ZigBee

目前國有大型煤礦的機車監(jiān)控系統(tǒng)一般采用“信集閉”系統(tǒng)，但大多數(shù)礦井機車運輸調度都未能有效監(jiān)測監(jiān)控[1]。由于井下環(huán)境復雜，機車位置主要依靠信號員與司機通過井下電話聯(lián)系，無法及時、有效反映機車運行狀態(tài)，因此，傳統(tǒng)的運輸管理方式存在很大的弊端，如監(jiān)控效果不佳、安全性較差造成礦工滯留井下，延誤升井時間造成人力資源浪費等問題。隨著數(shù)字化礦井的不斷完善，采用ZigBee協(xié)議、無線傳輸網(wǎng)路來定位機車的位置，可以很好地改善存在的問題。

1 總體設計

根據(jù)井下實際情況，將無線傳感節(jié)點布設于各信號站及運輸大巷，通過傳感器感知機車行駛情況，信號站可以實時采集經(jīng)停信號站的數(shù)據(jù)，經(jīng)協(xié)調器處理后，將數(shù)據(jù)通過井下以太環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)骄媳O(jiān)控主機。其他各個信號站可以從網(wǎng)絡上即時獲取機車位置信息，并顯示在LED屏幕上，在傳輸過程中，為避免數(shù)據(jù)冗余，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中進行了預處理，有效降低了數(shù)據(jù)的傳輸量。機車進站預報系統(tǒng)功能見圖1。

2 硬件設計

本設計主要由終端節(jié)點、參考節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點組成。根據(jù)井下運輸實際，選用TI公司的CC2530/CC2531模塊進行無線通信，采用STM32103芯片作為核心控制器。

圖1 機車進站預報系統(tǒng)功能

2.1 協(xié)調器節(jié)點

協(xié)調器節(jié)點是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的控制中心，負責終端節(jié)點的加入、刪除網(wǎng)絡成員，處理采集數(shù)據(jù)并傳給服務器。協(xié)調節(jié)點的穩(wěn)定性將影響整個機車進站預報系統(tǒng)，因此，采用性能良好的5 V穩(wěn)壓電源供電，并采用工業(yè)級3.3 V穩(wěn)壓芯片將其轉換為3.3 V CC2530工作電壓。

協(xié)調器節(jié)點結構如圖2所示，包括CC2530無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳漕l模塊、STM32103核心控制器模塊、以太網(wǎng)模塊、電源模塊、串口模塊、鍵盤模塊、調試模塊、時鐘模塊。

圖2 協(xié)調器節(jié)點硬件結構

協(xié)調器節(jié)點選用CC2591射頻功率放大電路和高增益天線，在保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定接收的前提下，提高了數(shù)據(jù)的傳輸距離。

以太網(wǎng)模塊選用DP83848C，當協(xié)調器組網(wǎng)成功后，通過串口與主控芯片STM32103通信。協(xié)調器不斷向子節(jié)點查詢，當子節(jié)點通信異常則向上位機發(fā)送標志，并刪除該節(jié)點，重新組建無線傳感網(wǎng)絡[2]。

2.2 終端節(jié)點與參考節(jié)點

終端節(jié)點結構如圖3所示，相比較協(xié)調器節(jié)點增加了傳感器模塊，便于實時采集終端節(jié)點各種信號。終端節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)進行預處理，避免數(shù)據(jù)冗余，調高了整個網(wǎng)絡的工作效率。

圖3 終端節(jié)點硬件結構

終端節(jié)點具有喚醒模式和睡眠模式。當機車處于工作狀態(tài)，啟動喚醒模式，而當機車檢修時，終端節(jié)點處于睡眠模式，進一步降低了節(jié)點功耗。

該系統(tǒng)中，由于終端節(jié)點隨著機車運動，需要帶有定位引擎的CC2531芯片接收參考節(jié)點的RSSI值[3]，最終得到自己的位置坐標，而其他與參考節(jié)點配置相同，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時降低了開發(fā)時間和成本。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 協(xié)調器節(jié)點

協(xié)調器節(jié)點通過CC2530無線射頻部分與終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，將處理后的數(shù)據(jù)送入井下以太環(huán)網(wǎng)，上傳至地面監(jiān)控主機。服務器根據(jù)ID查詢數(shù)據(jù)庫并運用算法將機車數(shù)據(jù)信息發(fā)送至各個信號站，在信號站產(chǎn)生LED聲光預報機車進站信息。協(xié)調器節(jié)點工作流程見圖4。

3.2 參考節(jié)點

參考節(jié)點布設在運輸大巷的指定位置，可以與終端節(jié)點有效通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡的連續(xù)性[4]。參考節(jié)點一方面可以為終端節(jié)點提供參考數(shù)據(jù)包，包括RSSI值和參考節(jié)點本身的位置信息，另一方面可以加入網(wǎng)絡并傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)參考節(jié)點工作流程見圖5。

3.3 終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點安裝在井下運輸機車頭部，以ZigBee協(xié)議的方式將采集到的機車速度[5]、機車ID、機車坐標等信息傳輸給協(xié)調器節(jié)點。各參考節(jié)點之間可以相互通信，有效傳輸機車信息，當終端節(jié)點加入網(wǎng)絡后便不斷與各個節(jié)點通信，實時將預處理信息送至參考節(jié)點。參考節(jié)點之間可以傳輸數(shù)據(jù)，有效保證無線網(wǎng)絡的可靠性，終端節(jié)點工作流程見圖6。

圖4 協(xié)調器節(jié)點工作流程

圖5 參考節(jié)點軟件流程

圖6 終端節(jié)點工作流程

4 結 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，推動了煤礦現(xiàn)代化、數(shù)字化進程?；谖锫?lián)網(wǎng)的井下機車預報站系統(tǒng)將無線網(wǎng)絡與井下以太環(huán)網(wǎng)有機結合，實現(xiàn)了機車定位與預報，提高了井下機車運輸管理水平。該系統(tǒng)具有成本低、精度高、功耗低的特點，并且很大程度上滿足了礦工掌握乘車時間的需要，極大地提高了運輸系統(tǒng)安全管理能力。

[1] 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)[M]．北京:北京航空航天大學出版社，2007．

[2] 徐盛龍，王偉波.基于ZigBee的工業(yè)無線數(shù)據(jù)采集器設計[J].工礦自動化，2013，39(7):88-90.

[3] 李金峰，丁同禹，劉翠翠，等.基于RFID+ZigBee技術的無線跟蹤系統(tǒng)[J].礦冶技術，2011，22(11):5400-5402.

[4] 劉廣亞.基于ARM9和ZigBee的礦井機車運輸監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].礦山機械，2012，40(1)：28-31.

[5] 趙玉榮.基于ZigBee的井下機車監(jiān)控系統(tǒng)研究計[D].淮南：安徽理工大學，2013.

沈永良(1964—)，男，教授，150080 黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)學府路74號A8實驗樓509。

2016-08-31)

孟 軍(1987—)，男，碩士研究生，150080 黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)學府路74號A8實驗樓509。