韓忠利 傅陽

1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司工程師 陜西榆林 719300

2.深圳市翌日科技有限公司產(chǎn)品經(jīng)理 廣東深圳 518000

地下資源勘測技術(shù)越來越成熟，隨著開采深度和范圍都在逐步擴(kuò)大，所使用設(shè)備的種類和數(shù)量都在增多，尤其是可移動設(shè)備增多，給井下設(shè)備的管理和維護(hù)帶來了巨大的壓力[1-2]。經(jīng)常找不到移動設(shè)備而造成經(jīng)濟(jì)損失，人工審查物資耗時耗力且容易出現(xiàn)漏檢。部分礦井可通過帶有無線定位功能的設(shè)備識別目標(biāo)設(shè)備的位置信息，但是對于沒有信號覆蓋的盲區(qū)則不能有效獲取設(shè)備的信息[3-4]；同時，對于設(shè)備的異常出井的情況也會疏于監(jiān)控。

1 現(xiàn)有的設(shè)備管理手段

在現(xiàn)有的礦山環(huán)境中，井下資產(chǎn)采用人工管理方式通常存在設(shè)備管理混亂、設(shè)備遺失、人工盤檢效率低下、漏檢、無法跟蹤而長期擱置等問題[5-6]。部分采用物資管理平臺，將設(shè)備信息保存在二維碼或條碼中，但不能主動錄入設(shè)備信息且紙質(zhì)條碼容易丟失[7-9]。同種設(shè)備在礦井的不同階段，產(chǎn)品的廠商、型號也會不同，有基于射頻識別技術(shù)的方案來建立設(shè)備檔案的數(shù)據(jù)庫，但是其依然需要人員近距離讀取設(shè)備信息，射頻裝置耗電較大且不能主動上報設(shè)備信息，依然給設(shè)備檢修帶來了極大不便[10-12]。因此，缺乏物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，很難全面的實(shí)現(xiàn)對井下設(shè)備全生命周期的追蹤管理。

2 基站定位的生命周期管理系統(tǒng)

基站定位的生命周期管理系統(tǒng)由定位標(biāo)識卡、手持機(jī)、定位基站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、主機(jī)等設(shè)備以及軟件平臺系統(tǒng)組成[13-15]。標(biāo)識卡為礦工個人佩戴設(shè)備，通過無線個域網(wǎng)ZigBee/IEEE802．15．4通信協(xié)議與讀卡主站和讀卡輔站相連，獲得定位卡在礦井中的位置，可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備從入庫、使用、維護(hù)、修理、改造、更新直到報廢全生命周期的精準(zhǔn)定位和管理。

當(dāng)標(biāo)識卡經(jīng)過讀卡分基站時，分基站將接收到其ID碼，并將此編碼信息隨同分基站自身的地址碼一起通過信息傳輸接口傳送給主機(jī),從而使主機(jī)獲取該移動目標(biāo)的當(dāng)前位置信息；標(biāo)識卡能夠識別物品在井上井下，當(dāng)設(shè)備異常出井時報警，從而加強(qiáng)對設(shè)備的管理；對于信號盲區(qū)的標(biāo)識卡，使用手持機(jī)掃描到設(shè)備信息后，能夠離線存儲設(shè)備信息在手持機(jī)中，到有信號的地方再將設(shè)備信息上傳，解決信號盲區(qū)設(shè)備無法管理的問題；從而更好的實(shí)現(xiàn)對礦山的物資設(shè)備信息的采集與管理。系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)的拓?fù)鋱D

2.1 標(biāo)識卡

標(biāo)識卡采用卡片式設(shè)計，邊角采用大圓角設(shè)計，減少碰撞的可能性，整體輕便美觀，并且材料防火阻燃，結(jié)構(gòu)內(nèi)部澆膠密封防水防塵；與上層定位系統(tǒng)雙向通信，支持存儲和修改信息，支持磁鐵激勵和手持機(jī)讀寫功能。標(biāo)識卡的外部無按鍵，有低電和信號指示兩個燈。正常工作時信號指示燈每隔15秒以綠燈輕微閃爍一下，當(dāng)觸動“求救”信號時，指示燈以紅燈閃爍并伴有蜂鳴聲；標(biāo)識卡的電量正常時以3．7V的直流電壓工作時，指示燈以綠燈輕微閃爍，電量不足時低電燈以紅燈輕微閃爍。標(biāo)識卡的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 標(biāo)識卡的結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)識卡的天線采用IFA天線，無線信號覆蓋的范圍為400m，定位精度可達(dá)1-3米，接收靈敏度為-75dBm，發(fā)射功率小于20dBm。采用ZigBee無線通信技術(shù)具有低功耗、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，主芯片采用JN5168和RFX2401C，待機(jī)電流控制在20uA，電池容量為4000mAh，每15秒發(fā)出一次數(shù)據(jù)，可正常工作5年，具有8K存儲空間，可以存儲物品設(shè)備的相關(guān)文本信息。

標(biāo)識卡在接入電池后開始工作，MCU控制射頻芯片以觸發(fā)方式周期性地發(fā)射其標(biāo)識卡ID碼信號。具體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 標(biāo)識卡的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 手持設(shè)備

手持機(jī)的激勵方式為對標(biāo)識卡的霍爾元件激勵，激勵距離為10厘米，可對標(biāo)識卡的無線發(fā)射頻率進(jìn)行實(shí)時修改。手持機(jī)標(biāo)識卡管理軟件的功能包括基礎(chǔ)信息管理、信息查詢、維修記錄管理、修改RSSI頻道。可對標(biāo)識卡號、名稱、電壓、狀態(tài)、周期等基礎(chǔ)信息進(jìn)行增刪改查，可按篩選條件進(jìn)行讀取和顯示，可對維修記錄進(jìn)行增刪改查，可修改標(biāo)識卡的RSSI頻道，并將這些信息反饋至服務(wù)器。

2.3 定位基站

定位基站為礦用本質(zhì)安全型基站，用于實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)卡的定位和數(shù)據(jù)采集，并上報到服務(wù)器，也可將服務(wù)器的指令下發(fā)給終端。輸入電壓為9-36V，單個基站覆蓋距離要不小于400米，配有三個百兆光口、五個電口，可接入井下環(huán)網(wǎng)，最多可同時接收最多40張標(biāo)識卡的定位信息。

2.4 資產(chǎn)管理軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)分為4大功能模塊，共12個子功能。功能模塊包括資產(chǎn)信息登記、設(shè)備盤點(diǎn)、軌跡查看、實(shí)時報警、推送同步服務(wù)。可實(shí)現(xiàn)綁定標(biāo)識卡卡號后可實(shí)時顯示卡的位置信息，可增刪改查設(shè)備信息；查看指定區(qū)域內(nèi)的所有設(shè)備及實(shí)時位置；特定設(shè)備在井下軌跡的查看并支持導(dǎo)出；當(dāng)未申請設(shè)備出井的情況下，若設(shè)備非法出井，則會發(fā)出報警；當(dāng)標(biāo)識卡的電量低于3V的閾值時，發(fā)出低電報警，當(dāng)標(biāo)識卡未按設(shè)定的周期進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)發(fā)送，則發(fā)出工作異常警報；當(dāng)設(shè)備離開登記時的工作區(qū)域時，發(fā)出區(qū)域報警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心部分，保證有限的帶寬下系統(tǒng)的效率依然高、異常情況能迅速的恢復(fù)正常、特定領(lǐng)域的特定要求亦能滿足。

軟件包括入網(wǎng)模塊，定位模塊，求救模塊，撤離模塊，其工作流程圖如圖4所示。其中，重點(diǎn)論述入網(wǎng)模塊和定位模塊。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖

3.1 入網(wǎng)模塊

標(biāo)識卡需要加入讀卡主站的網(wǎng)絡(luò)，才能開始進(jìn)行定位。其工作流程為：

（1）定位主站廣播AVAILABLE幀，表明自己有接收標(biāo)識卡入網(wǎng)的能力。

（2）標(biāo)識卡發(fā)送REQUEST，向定位主站申請入網(wǎng)。

（3）定位主站回復(fù)ACCEPT，接受標(biāo)識卡入網(wǎng)。

3.2 定位模塊

當(dāng)標(biāo)識卡加入網(wǎng)絡(luò)后，即周期性進(jìn)行定位操作，定位周期為5秒鐘。為進(jìn)行省電操作標(biāo)識卡在非定位時間內(nèi)進(jìn)行休眠。讀卡主站、讀卡輔站分別和標(biāo)識卡做TOF測距，根據(jù)兩者測距的結(jié)果D1和D2，由定位主站計算出標(biāo)識卡的實(shí)時位置。在一次定位中，定位主站或定位輔站為Master端，標(biāo)識卡為Slave端。定位測距拓?fù)淙鐖D5所示。具體的流程如下：

（1）標(biāo)識卡休眠。

（2）定位時刻到來，標(biāo)識卡醒來。

（3）讀卡主站與標(biāo)識卡進(jìn)行TOF測距，標(biāo)識卡為被動回應(yīng)。

（4）讀卡輔站與標(biāo)識卡進(jìn)行TOF測距。

（5）讀卡輔站向讀卡主站發(fā)送TOF_LOCATOR_FINISH，上報自己與標(biāo)識卡的測距結(jié)果。

（6）讀卡主站向標(biāo)識卡發(fā)TOF_STATION_FINISH，代表一次定位結(jié)束。

（7）標(biāo)識卡再次休眠。

（8）讀卡主站根據(jù)兩次測距結(jié)果計算定位，將定位結(jié)果向信息傳輸分站上報。

圖5 定位測距拓?fù)鋱D

4 結(jié)語

基站定位的設(shè)備生命周期管理中，標(biāo)識卡體積小、易安裝，手持機(jī)支持離線上傳定位，上層軟件支持報警、監(jiān)控、信息管理功能?？蓾M足設(shè)備入井后的移動軌跡監(jiān)控，設(shè)備的入井時間、出廠日期、品牌型號等特征信息的查詢，設(shè)備異常出井時的報警，信號盲區(qū)用手持設(shè)備離線上傳數(shù)據(jù)的設(shè)備管理等功能，達(dá)到提高設(shè)備的利用率和安全性的目的。同時，在檢修換件時，通過生命周期軟件精準(zhǔn)定位目標(biāo)設(shè)備，節(jié)約大量核查和檢修時間，大大提高檢修效率。