尹向宇

0 前言

目前，在煤礦檢測系統(tǒng)之中，有線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，在很大程度上確保了煤礦機(jī)電設(shè)備以及井下作業(yè)人員的安全性。不過，因?yàn)槊旱V開采過程中所面臨的環(huán)境較為復(fù)雜，而有線檢測系統(tǒng)因?yàn)槭艿礁鞣N因素的影響，很難全面對煤礦機(jī)電設(shè)備各種參數(shù)加以靈活檢測[1]。以往采用有線檢測系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，要求應(yīng)當(dāng)敷設(shè)大量線纜，而且對于這些通信設(shè)施也需要人工進(jìn)行定期檢查與維護(hù)，有線檢測系統(tǒng)的擴(kuò)展性相對較差，在實(shí)際使用過程中易發(fā)生損壞，而且在線路敷設(shè)過程中不僅要消耗大量資源，同時(shí)還要投入大量人力。因?yàn)橛芯€檢測系統(tǒng)是采用的電纜進(jìn)行連接，而井下作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，電纜極易出現(xiàn)腐蝕、磨損等破壞，而且長期使用也易發(fā)生老化問題，在使用過程中易出現(xiàn)信號中斷等問題，也易發(fā)生誤報(bào)問題，使得整個系統(tǒng)的性能會受到影響。而且，檢測設(shè)備電纜在設(shè)備長期運(yùn)行過程中，也易出現(xiàn)接觸不良的問題，從而對檢測工作的連續(xù)性造成不利影響?；诖?，提出了機(jī)電設(shè)備無線檢測系統(tǒng)，其利用各種傳感裝置節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)協(xié)作，更加準(zhǔn)確以及穩(wěn)定地對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行收集，并且在經(jīng)過一定的預(yù)處理之后，利用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輸送至井上，確保井下和井上的信息能夠保持一致[2]。隨著機(jī)電設(shè)備無線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，很多學(xué)者針對井下掘進(jìn)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備以及皮帶運(yùn)輸設(shè)備開展的大量研究，也取得了很多成果。但是，卻忽視了對機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測，使得無線檢測系統(tǒng)檢測范圍不夠全面。在此，以井下機(jī)車無線檢測系統(tǒng)為例，探討無線檢測的機(jī)車運(yùn)行檢測過程中具體應(yīng)用。

1 無線檢測系統(tǒng)簡介

井下機(jī)車設(shè)備主要是完成人員的接送以及貨物運(yùn)輸，機(jī)車運(yùn)行的安全性對于煤礦安全生產(chǎn)有很大影響。不過，由于以往人們不太重視對機(jī)車設(shè)備的檢測，導(dǎo)致煤礦中很多機(jī)車均未能安裝速度檢測以及報(bào)警裝置，調(diào)度中心同樣也不能及時(shí)獲取到井下機(jī)車實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。所以，在此提出基于無線通信技術(shù)以及RFID技術(shù)的機(jī)車檢測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的本地現(xiàn)實(shí)以及預(yù)警功能，滿足礦井遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)際要求[3]。

機(jī)車無線檢測系統(tǒng)包含有機(jī)車車載終端裝置、巷道基站裝置以及監(jiān)控中心，這三個部分采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信方式。機(jī)車車載終端設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)的檢測機(jī)車運(yùn)行速度，并且還能夠讀取巷道之中限速點(diǎn)標(biāo)簽數(shù)據(jù)，和目前機(jī)車運(yùn)行速率加以比較，若是存在超速問題則進(jìn)行聲光預(yù)警，并且機(jī)車車載裝置還可以將獲得實(shí)施信息傳輸?shù)交局?，再?jīng)由基站傳輸至地面監(jiān)控中心。

2 機(jī)車車載終端

2.1 車載終端的測速原理

機(jī)車之上安裝有霍爾傳感器裝置以及LED顯示屏，可以在線實(shí)時(shí)顯示機(jī)車實(shí)際運(yùn)行速率，在出現(xiàn)超速問題情況下還能夠?qū)崿F(xiàn)語音報(bào)警[4]。系統(tǒng)CPU型號為STM32F106，CUP裝置能夠在線實(shí)時(shí)獲取霍爾傳感裝置收集的信息，再利用計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到機(jī)車目前運(yùn)行速率，計(jì)算公式如下：

V=N·2πR/(N0·S)

上式之中：V代表的是機(jī)車速率，m/s;

N代表的是傳感裝置計(jì)數(shù)信號；

N0代表的是一圈之中所安裝的傳感裝置數(shù)量；

R代表的是機(jī)車車輪半徑值，m；

S代表的是時(shí)間，s。

2.2 終端設(shè)備具體功能

終端設(shè)備能夠?qū)⑹占臄?shù)據(jù)信息經(jīng)過一定處理之后輸送到顯示裝置之中，并且還可以借助于ZigBee無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，信息傳輸流程示意圖如圖1所示。

在機(jī)車運(yùn)行階段，利用非接觸式讀卡裝置對巷道之中設(shè)置的無線電子標(biāo)簽信息進(jìn)行讀取，并且將所讀取信息和儲存在Flash之中信息加以比較分析，若是出現(xiàn)超速問題則進(jìn)行聲光報(bào)警，確保機(jī)車駕駛?cè)藛T能夠及時(shí)的將速率減小至安全速率范圍之中，以確保機(jī)車中乘客安全性。

圖1 信息傳輸流程示意圖

2.3 終端設(shè)備硬件選型

在進(jìn)行速度測量過程中，選用的裝置是型號為GUC120本安型接近開關(guān)，此種元件多是應(yīng)用在一些運(yùn)動目標(biāo)位置檢測之中，若是運(yùn)動裝置上磁鋼由某一方向通過情況下，則接近開關(guān)輸出觸電會出現(xiàn)閉合動作，也會一直保持閉合狀態(tài)[5]。接近開關(guān)和磁鋼配合應(yīng)用，磁鋼則安裝于被檢測物體之上，在磁鋼往返經(jīng)過接近開關(guān)時(shí)，便能夠驅(qū)動開關(guān)進(jìn)行工作，在相同運(yùn)動軌跡之中，不同檢測位置開關(guān)僅僅需要一個磁鋼便可。

3 巷道基站

以調(diào)度中心作為中心，向兩邊方向逐漸延伸，間隔200m距離設(shè)置ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)基站，級聯(lián)傳輸數(shù)據(jù)。一些要求要限速地點(diǎn)，則懸掛上無線電子標(biāo)簽。工作流程如圖2所示。

圖2 巷道基站級聯(lián)示意圖

（1）供電裝置。巷道之中所設(shè)置的基站供電電壓為24 V，就地取127V電壓利用開關(guān)電源將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?4 V，以直流形式完成輸出，用于巷道之中機(jī)電的供電。

（2）限速點(diǎn)設(shè)置。在限速點(diǎn)位置懸掛上無線電子標(biāo)簽，若是機(jī)車設(shè)備途徑限速位置，機(jī)車上安裝的讀卡裝置便能夠讀取無線電子標(biāo)簽中限速信息。

4 監(jiān)控中心

在監(jiān)控中心之中，能夠?qū)崟r(shí)地顯示出井下機(jī)車真實(shí)運(yùn)行速率，若是出現(xiàn)超速現(xiàn)象，還能夠及時(shí)報(bào)警，并且，可以在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)查詢機(jī)車超速信息。

（1）無線檢測系統(tǒng)能夠把機(jī)車速率信息及時(shí)的傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，便于管理人員及時(shí)了解井下機(jī)車具體運(yùn)行速率以及所處位置。同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)顯示車號，能夠讓監(jiān)控中心的人員更為直觀掌握機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)。

（2）在調(diào)度中心上位機(jī)之中能夠同時(shí)顯示井下機(jī)車超速速率值、機(jī)車具體位置、超速事件發(fā)生具體位置、超速事件具體時(shí)間等多個信息。若是井下機(jī)車設(shè)備發(fā)生超速問題，將會出現(xiàn)語音報(bào)警，要是井下機(jī)車超速時(shí)間超出6s，則超速信息會別傳輸?shù)秸{(diào)度中心上位機(jī)中，在顯示設(shè)備上這些信息均能夠直觀觀察到，更加有利于管理人員了解機(jī)車運(yùn)行情況[6]。

在監(jiān)控中心之中包含有時(shí)鐘功能模塊、ZigBee功能模塊、語音功能模塊、顯示功能模塊以及數(shù)據(jù)儲存功能模塊等，具體工作流程如圖3所示。

在時(shí)鐘功能模塊之中能夠提供給系統(tǒng)具體時(shí)間，由于礦井生產(chǎn)過程中，每天均要開展拉閘測試工作，所以，常常發(fā)生開電以及關(guān)電操作，因此，便要求無線檢測系統(tǒng)之中應(yīng)當(dāng)另外設(shè)置一組紐扣電池，這樣才能保證在斷電階段時(shí)鐘功能模塊不會受到影響，從而確保系統(tǒng)獲取的時(shí)間信息更為精準(zhǔn)與可靠。

ZigBee無線模塊能夠接收由機(jī)車車載設(shè)備所傳輸?shù)臋z測信息，其中包含有車載終端檢測到的超速信號以及速度信息，這些信號均會被輸送至LED屏幕之中顯示出來。若是出現(xiàn)了超速問題，此時(shí)語言功能模塊則會發(fā)出語音警報(bào)[7]。

Flash儲存裝置則可以將機(jī)車車載裝置所檢測到的超速信息儲存起來，其所儲存的超速信息包含有機(jī)車超速事件具體發(fā)生時(shí)間、超速事件發(fā)生地點(diǎn)以及速率值等。另外，系統(tǒng)之中還設(shè)置有USB數(shù)據(jù)接口，通過此接口能夠讓外部設(shè)備下載相關(guān)數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還能夠利用這一接口完成系統(tǒng)軟件的更新。

圖3 監(jiān)控中心工作流程示意圖

圖4 終端軟件工作流程圖

5 軟件設(shè)計(jì)

無線檢測系統(tǒng)的軟件包含有機(jī)車車載終端軟件以及監(jiān)控中心軟件。在軟件設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用的是Micrium公司開發(fā)的μC/OSⅡ嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)屬于基于優(yōu)先級別的搶占式、多任務(wù)以及實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，其具備實(shí)時(shí)內(nèi)核功能、任務(wù)管理功能、時(shí)間管理功能、任務(wù)間通信同步功能和內(nèi)存管理功能等等，確保了實(shí)時(shí)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)工作更為簡單。

（1）終端軟件的設(shè)計(jì)。在終端軟件之中需要完成初始化工作以及任務(wù)創(chuàng)建工作。在對機(jī)車運(yùn)行速率進(jìn)行計(jì)算的工程中，其是以單位時(shí)間之中計(jì)數(shù)個數(shù)值，與機(jī)車輪軌的周長值相乘，然后得出機(jī)車實(shí)時(shí)運(yùn)行速率，并完成本地現(xiàn)實(shí)任務(wù)，還會將檢測到的數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心之中[8]。終端軟件工作流程如圖4所示。

(2)監(jiān)控中心軟件的設(shè)計(jì)。監(jiān)控中心主要是工作時(shí)接收來自ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)所傳輸?shù)拇跀?shù)據(jù)信息，將所接收的數(shù)據(jù)信息依照相關(guān)協(xié)議加以解析之后，和時(shí)鐘數(shù)據(jù)依據(jù)特定方式進(jìn)行組合處理，最后這些處理后的信息被輸送至LED顯示設(shè)備之中。

6 結(jié)語

井下機(jī)車是井下運(yùn)輸系統(tǒng)中重要的組成，其肩負(fù)著運(yùn)輸井下作業(yè)人員以及物質(zhì)的重要任務(wù)，同時(shí)也是保障煤礦安全開采工作的重要內(nèi)容。無線檢測系統(tǒng)在井下機(jī)車設(shè)備之中的應(yīng)用，為保障機(jī)車設(shè)備安全、高效運(yùn)行提供了有利條件。煤礦管理人員應(yīng)當(dāng)重視對井下機(jī)電設(shè)備的無線檢測系統(tǒng)構(gòu)建，也不能忽視了井下機(jī)車無線檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，這樣才能確保煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)的安全性，為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠保障。