□□ 鄭俊華，李棟慶

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西科達自控股份有限公司，山西 太原 030006)

引言

目前世界上固體礦產(chǎn)采集技術(shù)的2/3采用露天開采技術(shù)。露天開采技術(shù)能夠?qū)ΦV山資源進行充分的利用，非常適合大型機械施工，但從20世紀(jì)90年代以來，隨著機械設(shè)備自動化程度的提高和露天礦規(guī)模的擴大，煤炭的采運成本越來越高，其中運輸成本為采運成本的主要因素，因運輸過程中容易發(fā)生事故[1-3]。當(dāng)前露天煤礦車輛包括大型礦車和外委工程車輛。運輸車輛中60%以上的車輛為外委車輛，采場內(nèi)交通條件較差、車輛較多、人員相對復(fù)雜；采場內(nèi)道路使用周期短、采礦路徑轉(zhuǎn)彎多且半徑小，容易造成交通事故[4-7]。無車輛定位、實時定位、車輛時速、車輛軌跡等無法查看，駕駛員長時間工作易疲勞，無法對駕駛員疲勞駕駛、打電話、遮擋攝像頭等行為進行監(jiān)控，車輛存在盲區(qū)，無防碰撞提醒，容易發(fā)生交通事故。因此，露天礦中外委車輛運輸?shù)陌踩珕栴}占據(jù)著重要地位[8-9]，急需開發(fā)車載監(jiān)控系統(tǒng)，對上述情況進行監(jiān)控、預(yù)警，從而減少交通事故，進一步為露天礦的開采節(jié)約人力和便于管理。

為了對露天礦的車輛實現(xiàn)實時監(jiān)控，提高工作效率，以大型礦用自卸卡車為監(jiān)控對象，對傳統(tǒng)的人工調(diào)度系統(tǒng)進行改造，設(shè)計了露天礦用車載監(jiān)控系統(tǒng)，采用車輛定位、防碰撞提醒、Zigbee自組網(wǎng)技術(shù)、駕駛員行為分析等技術(shù)對車輛進行實時監(jiān)控，提高外委車輛的運輸安全。進一步對大型礦用自卸卡車的調(diào)度進行了優(yōu)化，提高了礦區(qū)的生產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)組成

車載監(jiān)控系統(tǒng)主要由車載監(jiān)控終端和軟件平臺構(gòu)成。主要實現(xiàn)車載防碰撞預(yù)警、預(yù)警分析、電子圍欄、違章報警的功能。車輛碰撞預(yù)警：車輛即將發(fā)生碰撞時，通過聲音提示駕駛者；預(yù)警分析：統(tǒng)計駕駛行為、分析違章數(shù)據(jù)、提供安全策略；電子圍欄：規(guī)定各類車輛的行駛區(qū)域、區(qū)域內(nèi)的測速；違章報警：主要對超速、越界、非法斷電、駕駛行為等違章行為進行報警。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

2 硬件設(shè)計

車載監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。車載終端安裝于車輛的內(nèi)部，基于ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)防碰撞功能，當(dāng)碰撞半徑<100 m時，及時播報來車方位及距離；基于交通部808協(xié)議，精確定時上傳GPS定位數(shù)據(jù)至平臺服務(wù)器，平臺可對終端功能進行設(shè)置及數(shù)據(jù)查詢；支持短信參數(shù)修改功能，防止意外情況下參數(shù)設(shè)置錯誤；支持超速預(yù)警和報警、高低壓報警等功能，結(jié)合電子圍欄技術(shù)，實現(xiàn)分區(qū)域報警；內(nèi)置電池，車輛熄火后仍可定時上傳車輛狀態(tài)信息；支持平臺廣播信息的語音下發(fā)；支持一鍵緊急呼救功能；9～36 V寬電壓范圍設(shè)計，適用于大部分車輛、全網(wǎng)通低功耗設(shè)計。

圖2 硬件電路

2.1 電源電路

穩(wěn)定可靠的電源是任何電子產(chǎn)品可靠運行的基礎(chǔ)，車載終端要面對不同礦用車輛復(fù)雜的電磁環(huán)境和強烈的振動考驗，同時還應(yīng)滿足寬范圍輸入要求，同時設(shè)計防接反功能，車載終端設(shè)計及實際功耗≯6 W。基于以上選擇開關(guān)電源芯片TPS54340，最大為42 V輸入，后級降壓功率為10 W，5 V/2 A輸出。

2.2 處理器

處理器是車載終端的核心，控制所有外設(shè)動作及數(shù)據(jù)處理，車載終端處理業(yè)務(wù)較多，為了保證實時性，同時增加設(shè)備使用壽命，選擇A20核心板作為控制器，基于linux系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用軟件，核心板自帶電池充電功能。

2.3 語音電路

車載終端需要播放的語音較多，考慮后期可能會有其他新的語音播放需求，選擇國產(chǎn)語音芯片SYN6288，處理器通過UART接口控制其語音合成，功放選擇3WD類數(shù)字功放，喇叭為8 Ω/2 W，配合結(jié)構(gòu)音腔，發(fā)出的音量足以應(yīng)對車輛嘈雜的環(huán)境。

2.4 電池切換電路

電池切換電路可實現(xiàn)外部電源與電池供電之間的無縫切換，當(dāng)外部主電源工作時，車載終端電源由外部電源供電，同時給電池充電；當(dāng)外部電源掉電時，自動切換為電池供電，電池為2 000 mA鋰電池，可滿足車載終端滿負載工作0.5 h以上。

2.5 AD采集電路

AD采集電路通過分壓與電壓跟隨器獲取外部電源電壓到處理器，實時監(jiān)測外部電源是否正常，高壓或欠壓狀況下終端通過語音發(fā)出警報，提醒司機及時排查車輛故障。

2.6 4G驅(qū)動電路

4G模塊是數(shù)據(jù)通信的核心，驅(qū)動電路的穩(wěn)定性關(guān)系著整個電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，采用上海移遠通信EC20系列數(shù)據(jù)模塊，該模塊為全網(wǎng)通，其瞬間峰值電流最大可達到2.0 A，為防止電壓跌落到3.3 V，選用開關(guān)降壓芯片SY8009，并在濾波退藕上做了優(yōu)化。

2.7 其他

RF模塊采用德瑞紫蜂ZigBee模塊，定時將車輛自身位置信息以廣播方式發(fā)送給周圍車輛，以此來獲取相互間的位置信息。GPS模塊采用U-blox M8Q系列模塊，定位精度較高，可滿足性能要求。按鍵主要用于緊急求救功能，長按可獲取車輛編號，指示燈用于指示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和定位狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計

軟件主要功能模塊如圖3所示。

圖3 軟件功能

主線程負責(zé)所有功能模塊的創(chuàng)建，所有外設(shè)的初始化，定時上報定位信息、車輛狀態(tài)到平臺服務(wù)器，控制指示燈狀態(tài)，車輛熄火后定時關(guān)機等。

ZigBee處理模塊在準(zhǔn)確定位后，定時向外廣播自身的坐標(biāo)信息與方位信息，一旦收到其他車輛的廣播信息，立即與自身的位置信息比較計算，計算出相對距離與相對方向，如有必要，通過語音給出相應(yīng)的提示。

GPS處理模塊用于從GPS模塊獲取車輛自身的坐標(biāo)信息、速度信息等。

短信模塊用于通過短信對終端參數(shù)進行設(shè)置，主要包括IP地址、端口、超速值、數(shù)據(jù)上報間隔的設(shè)置。

808協(xié)議模塊用于終端與平臺的通信，在遵循標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議大框架的同時做了輕微的改動，實時獲取平臺的請求信息，并給出相應(yīng)的反饋信息。

撥號模塊監(jiān)測終端網(wǎng)絡(luò)狀況，在異常斷網(wǎng)的情況下迅速撥號，盡可能保證終端在線。

語音處理模塊根據(jù)不同的播報需求，不同緊急情況播報必要的語音信息。

4 測試結(jié)果

該車載監(jiān)控系統(tǒng)在陜西西灣露天煤礦、內(nèi)蒙勝利露天煤礦等地大量裝機使用，故障率低，使用方便，反饋效果良好。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛信息的實時監(jiān)控，并能通過上位機界面進行顯示。測量結(jié)果如圖4所示。

圖4 測試結(jié)果

5 結(jié)語

該車載監(jiān)控系統(tǒng)在硬件上采用了ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)、GPS與北斗組合定位技術(shù)、4G無線通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、嵌入式開發(fā)等技術(shù)。在軟件上采用了嵌入式開發(fā)技術(shù)，通過采用交通部的808協(xié)議實現(xiàn)硬件終端與軟件平臺的通信，實現(xiàn)了露天礦用生產(chǎn)指揮監(jiān)控所需的車載防碰撞預(yù)警、預(yù)警分析、電子圍欄、違章報警功能。通過軟件平臺使用，可以使調(diào)度室的人員對車輛及駕駛員行為進行實時監(jiān)控。