張海鵬

（山西陽城陽泰集團竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105）

引言

架空人車作為煤礦井下重要的輔助運輸設備，承擔著輸送曠工的重任，工作可靠性要求較高[1]。架空人車工程具有安裝簡便、環(huán)境適應性強、適合大傾角遠距離輸送、人員容易上下、成本低廉、能源消耗少等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已在煤炭行業(yè)得到了廣泛的應用[2-3]。當前運行過程中的架空人車依然存在較多的安全隱患，出現(xiàn)制動失靈、鋼絲繩脫落等安全事故，事故發(fā)生時的首要反應就是停車[4]。但是架空人車通常是僅在機頭設置司機，事故發(fā)生時司機不能接收到機頭之外的停車信號，只能是事故當事人探出轎廂拉動巷道預設的緊急停車控制線進行停車處理，不能保證架空人車及時停車甚至導致事故擴大[5-6]。為了提高架空人車運行過程的安全性能，以型號為RIKY75的架空人車為研究對象，設計基于無線語音通信技術的架空人車監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)架空人車司機與乘客之間的信息溝通具有重要的意義。

1 架空人車概況

型號為RIKY75的架空人車應用較為廣泛，其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)如下：電動機型號為YBBP-315S-6，功率為75 kW；減速器型號為B311VHC-71-HX，減速比為71；驅(qū)動輪和迂回輪的直徑尺寸為1 500 mm；軌道布置為井上108 mm，井下160 mm；鋼絲繩的型號為22NAT6×31WS+FC-1670ZZ，其距離軌道的高度尺寸為2 460 mm，鋼絲繩間距為1 000 mm；吊椅間隔為14 000 mm，托繩輪間隔為8 000 mm；高速軸制動器型號為BYWZ4B-400/80，制動扭矩為1 460N·m，驅(qū)動輪輪邊制動器型號為YQP120-C208A，制動力54 kN；架空人車運行時的繩速為1.06 m/s。根據(jù)煤礦企業(yè)對于架空人車控制設計需求，需要對其設計一套監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機頭司機、轎廂和監(jiān)控室之間的語音信息溝通。

2 系統(tǒng)總體設計

基于無線語音通信技術的架空人車監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案如圖1 所示，其組成包括監(jiān)控終端和監(jiān)控中心，前者設置在煤礦井下架空人車的轎廂內(nèi)，后者布置于井上的監(jiān)控室內(nèi)。監(jiān)控終端采用型號為S3C2440A的嵌入式處理器、配置語音芯片和TP-LINK 無線網(wǎng)卡，能夠完成音頻信號的采集與編解碼、信號數(shù)據(jù)的無線傳輸、乘坐人數(shù)檢測等功能。監(jiān)控中心配置普通PC 機1 臺，能夠連接局域網(wǎng)，完成整個監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制，包括與井下轎廂的語音通信、乘坐人數(shù)查詢、轎廂報警處理等功能。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

局域網(wǎng)搭建關系如下：井上PC 機與煤礦井下主路由器之間由網(wǎng)線連接，主路由器與巷道內(nèi)部的無線路由器之間由網(wǎng)線連接，無線路由與轎廂之間為無線連接方式。架空人車在井下巷道內(nèi)輸送長度約為1 000 m，無線路由器信號發(fā)射半徑范圍為室外300 m，室內(nèi)100 m，以80 m的發(fā)射半徑計算，整個架空人車線路上需要布置13 個無線路由器即可滿足監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由S3C2440A 處理器模塊、電源時鐘模塊、存儲模塊、無線網(wǎng)絡模塊等組成。

圖2 硬件總體結(jié)構(gòu)

3.1 S3C2440A 處理器模塊

S3C2440A 處理器模塊由三星公司開發(fā)，采用高性能的ARM920T 內(nèi)核，在電壓為1.3 V 時，工作頻率高達533 MHz；支撐Linux、Windows 等多種操作系統(tǒng)；采用獨立的16 kB 指令和數(shù)據(jù)Cache；內(nèi)部配置較高，設由60 個中斷源，24 個外部中斷源，130 個復用I/O，可擴展性好；4 通道16 位定時器，具有PWM功能，時鐘控制準確。

3.2 電源時鐘模塊

電源作為監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵電力來源，是保證系統(tǒng)正?？煽抗ぷ鞯那疤釛l件，關系著監(jiān)控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，還與礦工的安全息息相關。監(jiān)控終端系統(tǒng)需要置于井下架空人車的轎廂內(nèi)部，不具備獲取生活用電或者工業(yè)用電的條件，確定采用7.2 V 2 000 mAh的鎳鎘電池供電。系統(tǒng)各個模塊所需的電壓伏值大小包括3.3 V、1.8 V、1.25 V，首先由LM2596 電壓調(diào)節(jié)器將7.2 V 電源調(diào)節(jié)至5 V，然后經(jīng)ASM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片獲得3.3 V 和1.8 V的電壓電源，1.25 V 電壓由MAX8860 供給。S3C2440A 內(nèi)部集成了PLL 片上時鐘發(fā)生器，具有USB Hose 和USBDevise的時鐘，最大可達到400 MHz的CPU 工作時鐘。

3.3 存儲模塊

S3C2440A 處理器不具備存儲功能，需外部配置存儲器，要求支持支持大/小端；總線訪問寬度范圍涉及8/16/32/位；配置8 個大小為128 MB 存儲器，其中之一為可編程設置開始地址，支持掉電和自刷新功能。外部存儲器包括ROM和RAM兩種。ROM在系統(tǒng)掉電時不會丟失數(shù)據(jù)，RAM可讀可寫，但在掉電時數(shù)據(jù)丟失，多用于存儲過程數(shù)據(jù)。ROM選擇Flash Memory（閃速存儲器），具有很好的數(shù)據(jù)存儲和保存功能，嵌入式Nand Flash 具有很好的單元密度，非線性存儲，擦除/寫入時間約為4 ms，擦寫次數(shù)為100 萬次。通過S3C2440A 引腳發(fā)出的控制指令實現(xiàn)語音等數(shù)據(jù)的存儲。

3.4 無線網(wǎng)絡模塊

監(jiān)控系統(tǒng)無線網(wǎng)絡選擇Wifi 技術，配置無線路由和無線網(wǎng)卡，搭建煤礦井下架空人車的有線/無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)與控制信息的雙向傳輸。設置300 M無線路由為基站，發(fā)射范圍室外可達300 m，室內(nèi)可達100 m；無線網(wǎng)卡選擇54MUSB，單個無線基站準許接入約100 個用戶，各個基站之間采用橋接模式，網(wǎng)絡覆蓋范圍可達幾十公里。

4 軟件設計

4.1 程序設計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，包括硬件層、設備驅(qū)動層和應用程序?qū)樱浖O計是指驅(qū)動層和應用程序?qū)拥脑O計，主要包括聲卡驅(qū)動、無線網(wǎng)卡驅(qū)動、音頻采集/播放設計等模塊。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4.2 聲卡驅(qū)動

監(jiān)控系統(tǒng)聲卡驅(qū)動采用Wavedev2 模式，通過IOControl 帶 入IOCTL_WAV_MESSAGE 與waveapi子系統(tǒng)配合使用控制硬件。Wavedev2 模式來自于微軟公司，設計過程中繼承了傳統(tǒng)的MMD/PDD 分層結(jié)構(gòu)，能夠可靠控制相關聲音的操控，如喇叭、耳機、麥克、聽筒等。與此同時，設置了完備的API 接口函數(shù)，可在C++等編譯環(huán)境下直接使用，API 函數(shù)中的參數(shù)會傳入驅(qū)動，以實現(xiàn)語音功能。

4.3 無線網(wǎng)卡驅(qū)動

系統(tǒng)選擇型號為TP-LINKWN321G的無線網(wǎng)卡，可直接插接USB 口實現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)幀和控制信息的傳輸，其遵循了802.11g 協(xié)議，運行過程中數(shù)據(jù)傳輸速率接近55 Mbps，具有很好的穿墻性能，室內(nèi)應用覆蓋范圍可達100 m。無線網(wǎng)卡由設計人員向運營商直接索要，采用的是USBwifi.dll 驅(qū)動，直接加載至WINCE 系統(tǒng)中使用。

4.4 音頻采集/播放設計

音頻數(shù)據(jù)的采集和播放程序編制時采用了RecordO 和DisplayO 函數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)運行時音頻循環(huán)采集與播放功能由DMA 實現(xiàn)，減少CPU 處理時間，音頻的編碼和解碼由CPU 實現(xiàn)，提高處理效率，將解碼和編碼分開執(zhí)行。系統(tǒng)涉及兩種語音通信，第一是煤礦井上井下礦工之間的溝通通信，對于語音效果要求較低，選取8 kHz 采樣頻率；第二是煤礦井上井下之間的廣播通信，架空人車轎廂僅需播放功能，設計全雙工音頻通信功能，具體控制流程如圖4所示。

圖4 語音通信流程

4.5 人機交互界面

人機交互界面實現(xiàn)用戶與監(jiān)控系統(tǒng)的對話，界面的設計采用Visual C++軟件中的MFC 應用程序。開啟監(jiān)控系統(tǒng)的第一步是用戶登錄，包括用戶名和密碼，允許本地和遠程通過用戶名密碼進行訪問。登錄完成之后即可進入監(jiān)控系統(tǒng)的主控界面，可以實現(xiàn)監(jiān)控中心與各個轎廂之間的語音通信。監(jiān)控系統(tǒng)語音通信模塊具備以下3 個功能：第一是對指定的轎廂進行語音通信，確保井下礦工出現(xiàn)為難時可及時與監(jiān)控中心求助；第二是對所有轎廂進行廣播，確保監(jiān)控中心人員可以及時傳達相關指令或者通知；第三是對所有轎廂進行語音播報，包括輕音樂、安全知識等，確實做到轎廂與監(jiān)控中心之間的實時信息溝通。

5 應用效果評價

為了驗證架空人車監(jiān)控系統(tǒng)的設計效果，將其應用于型號為RIKY75的架空人車中進行測試，進行了為期半年的跟蹤記錄。應用結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控中心與各個轎廂之間的實時語音通信功能。相關專業(yè)人士統(tǒng)計得出，相較于普通控制系統(tǒng)，基于無線語音通信技術的架空人車監(jiān)控系統(tǒng)的應用提高了智能化和安全程度，故障應急反應時間降低近60%，降低了架空人車故障停機時間約10%，預計為企業(yè)新增經(jīng)濟效益100 萬元/年，取得了很好的應用效果。