喬慧珍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王村煤業(yè)公司， 山西 大同 037000）

引言

礦井中存在過(guò)多的運(yùn)輸線(xiàn)路，且覆蓋范圍較廣，設(shè)備的流動(dòng)性較大，極易出現(xiàn)運(yùn)輸事故。在諸多運(yùn)輸設(shè)備中，電機(jī)車(chē)是較為重要的運(yùn)輸設(shè)備，一旦開(kāi)出，司機(jī)就無(wú)法與調(diào)度員及時(shí)取得聯(lián)系，調(diào)度命令的更改程度繁雜，對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行的效率產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，甚至?xí)l(fā)生撞車(chē)事故[1-2]。因此，礦井運(yùn)輸應(yīng)確保電機(jī)車(chē)的準(zhǔn)確定位，為司機(jī)與調(diào)度員建立起高效的語(yǔ)音通話(huà)系統(tǒng)，從而提升運(yùn)行效率，保證生產(chǎn)的安全性。

1 電機(jī)車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

1.1 選擇無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

井下的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜，為了對(duì)電機(jī)車(chē)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)收集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ZigBee 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)傳輸需求，從而對(duì)電機(jī)車(chē)進(jìn)行精確定位。根據(jù)實(shí)際環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)ZigBee 方案，并設(shè)置F8913 模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信。如果有需要接收的數(shù)據(jù)，模塊系統(tǒng)將會(huì)自行判斷信息之中的地址是否與地址一致，如果一致，則該信息的接收將會(huì)中斷。如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則需要運(yùn)用程序來(lái)直接發(fā)送，流程如圖1 所示。

圖1 F8913 模塊工作流程圖

1.2 CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

礦井下的環(huán)境過(guò)于復(fù)雜，電機(jī)車(chē)的監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)所能運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)只有無(wú)線(xiàn)，但是該網(wǎng)絡(luò)不能保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此，還需基于現(xiàn)有的技術(shù)來(lái)選擇穩(wěn)定性更強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。CAN 總線(xiàn)的運(yùn)行較為穩(wěn)定，對(duì)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)不存在限制，數(shù)據(jù)傳輸較為便捷，因此，在對(duì)本模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)引入了CAN 總線(xiàn)技術(shù)，確保系統(tǒng)具備抗干擾、防水等功能。

1.3 通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究

CAN 總線(xiàn)報(bào)文所涉及的內(nèi)容主要有目的地址、源地址、優(yōu)先級(jí)等。一是當(dāng)有多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)機(jī)同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)機(jī)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)依據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)進(jìn)行發(fā)送，保證數(shù)據(jù)的發(fā)送次序。只有在特殊的情況下才可以發(fā)送語(yǔ)音數(shù)據(jù)，定位數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)發(fā)送，因此，語(yǔ)音數(shù)據(jù)會(huì)優(yōu)先發(fā)送。二是源地址與目的地址。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，CAN 總線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)會(huì)受到硬件的限制。三是電機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)信息變送器的地址，明確是哪個(gè)機(jī)車(chē)向調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且可以在調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中顯示出機(jī)車(chē)的定位信息。本系統(tǒng)需要傳輸語(yǔ)音及定位數(shù)據(jù)，并且以語(yǔ)音數(shù)據(jù)居多，需要涵蓋所有的數(shù)據(jù)。因此，可以分為多個(gè)小組來(lái)發(fā)送。報(bào)文可以將某些節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)蕉鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)，不需要明確接收節(jié)點(diǎn)的地址，僅有濾波報(bào)文信息就行。

1.4 通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)備具有的通信能力來(lái)對(duì)其進(jìn)行劃分，主要為精簡(jiǎn)功能與全功能兩種，確保彼此可以實(shí)現(xiàn)通信，并利用樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。二是CAN 總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)試來(lái)與110 個(gè)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并借助CANL 和CANH 來(lái)完成信息的傳輸，避免共模干擾。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信，還需要將電阻運(yùn)用到總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的兩側(cè)。

2 電機(jī)車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 總體結(jié)構(gòu)

電機(jī)車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成主要有調(diào)度監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)機(jī)等多個(gè)系統(tǒng)，其中無(wú)線(xiàn)信息變送器系統(tǒng)所涉及的版塊主要有語(yǔ)音、主控器、加速度傳感器等。節(jié)點(diǎn)機(jī)系統(tǒng)包含了主節(jié)點(diǎn)與通信節(jié)點(diǎn)機(jī)，調(diào)度室之內(nèi)可以安裝監(jiān)控系統(tǒng)，從而可以對(duì)電機(jī)車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)。在無(wú)線(xiàn)信息變送器之中安裝加速度傳感器，可以收集機(jī)車(chē)的方向及加速度信息，通過(guò)位移算法可以得到機(jī)車(chē)運(yùn)行的速度及位移狀況。同時(shí)，在監(jiān)控系統(tǒng)之中還需要配置無(wú)線(xiàn)數(shù)字語(yǔ)音通信模塊，將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行及時(shí)轉(zhuǎn)換，使其成為語(yǔ)音信息，還需要在監(jiān)控系統(tǒng)中安裝無(wú)線(xiàn)數(shù)字語(yǔ)音通信版塊，將語(yǔ)音信息及時(shí)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，并將語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，盡可能縮短數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。電機(jī)車(chē)在大部分時(shí)間都處于運(yùn)行狀態(tài)，還需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)相結(jié)合的方式來(lái)精準(zhǔn)定位，并及時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

調(diào)度節(jié)點(diǎn)可以將機(jī)車(chē)的一系列信息傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)機(jī)，也可以將主節(jié)點(diǎn)機(jī)的信息傳輸?shù)诫姍C(jī)車(chē)，確保系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，對(duì)CAN 總線(xiàn)進(jìn)行再次設(shè)計(jì)。且電機(jī)車(chē)上端配置的無(wú)線(xiàn)信息變送器可以定位及語(yǔ)音信息及時(shí)傳輸?shù)酵ㄓ嵐?jié)點(diǎn)機(jī)，隨機(jī)取得無(wú)線(xiàn)信息變送器之中的通信節(jié)點(diǎn)機(jī)。在接受了該節(jié)點(diǎn)機(jī)的數(shù)據(jù)之后，可以依據(jù)相應(yīng)的次序來(lái)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)機(jī)，其中包含了機(jī)車(chē)、通信節(jié)點(diǎn)機(jī)等設(shè)備地址。只有語(yǔ)音數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)機(jī)才可以?xún)?yōu)先傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

2.2 無(wú)線(xiàn)信息變送器

該設(shè)備是精準(zhǔn)定位的關(guān)鍵部位，通過(guò)對(duì)加速度傳感器的輸出值來(lái)明確設(shè)備的定位信息，間隔一個(gè)采集周期，加速傳感器會(huì)將中斷程序的數(shù)值進(jìn)行集中采集，之后在將這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行濾波，通過(guò)對(duì)積分進(jìn)行運(yùn)算來(lái)獲取電機(jī)車(chē)的位移、速度等信息，并利用無(wú)限版塊來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸。該設(shè)備同時(shí)還具有語(yǔ)音通信功能，促使司機(jī)可以與調(diào)度員正常溝通，對(duì)司機(jī)的語(yǔ)音信息進(jìn)行編碼，對(duì)調(diào)度員的語(yǔ)音信息進(jìn)行解碼。該設(shè)備的核心控制芯片為單機(jī)片，以此來(lái)完成語(yǔ)音及無(wú)線(xiàn)版塊，在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)CAN 控制器的集成，并與CAN收發(fā)器相連接，形成一個(gè)CAN 通信網(wǎng)絡(luò)。然后再針對(duì)加速度傳感器來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)電路，將硬件設(shè)計(jì)電路加以簡(jiǎn)化，從而對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行精確定位。將無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通信系統(tǒng)引入到設(shè)計(jì)的語(yǔ)音功能電路中，同時(shí)對(duì)其轉(zhuǎn)換電路、語(yǔ)音編碼/解碼電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的傳輸工作，不需要在外部連接存儲(chǔ)器。芯片對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的傳輸主要是利用串口、并口兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，提高了語(yǔ)音的傳輸速度。此外，該設(shè)備在運(yùn)行之前需要對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化，在讀出了加速度傳感器的輸出值會(huì)后才可以進(jìn)入變送器的主程序，明確機(jī)車(chē)的運(yùn)行方向是否發(fā)生變化，通過(guò)積分計(jì)算可以得出機(jī)車(chē)的速度及位移等信息，完成精確定位。

2.3 節(jié)點(diǎn)機(jī)

該設(shè)備的組成部分包含了主控器、電源模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元等，在數(shù)據(jù)傳輸中起到中介作用，可以借助CAN 總線(xiàn)來(lái)將電機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)信息變送器所發(fā)送的定位信息傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)機(jī)，或者將主節(jié)點(diǎn)機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳輸?shù)诫姍C(jī)車(chē)的無(wú)線(xiàn)信息變送器中，確保司機(jī)可以與調(diào)度員順利溝通。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與CAN 總線(xiàn)的通信協(xié)議可以相互轉(zhuǎn)換為各自所需的數(shù)據(jù)格式，并將各個(gè)運(yùn)行版塊進(jìn)行初始化，明確數(shù)據(jù)來(lái)源及運(yùn)行任務(wù)。ZigBee 與CAN 兩種數(shù)據(jù)幀的最大荷載數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、承載容量存在一定的差別，通信節(jié)點(diǎn)機(jī)在向主節(jié)點(diǎn)機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程極易造成數(shù)據(jù)的丟失，因此，需要將數(shù)據(jù)實(shí)施分塊打包，然后再進(jìn)行發(fā)送?；蛘邔腃AN 總線(xiàn)接收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行打包，并封裝為ZigBee的數(shù)據(jù)幀，向下發(fā)送，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。

在礦井網(wǎng)絡(luò)中，主節(jié)點(diǎn)機(jī)與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)均屬于核心構(gòu)成，可以將調(diào)度室發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行協(xié)調(diào)判斷，并及時(shí)傳輸?shù)酵ㄓ嵐?jié)點(diǎn)，或者將網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息及時(shí)傳輸?shù)秸{(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)，完成語(yǔ)音播放。

2.4 調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)運(yùn)用組態(tài)軟件，借助串口與下位機(jī)來(lái)實(shí)施通信，監(jiān)控畫(huà)面對(duì)電機(jī)車(chē)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，促使調(diào)度員可以及時(shí)了解電機(jī)車(chē)的運(yùn)行模式。

根據(jù)監(jiān)控可知，電機(jī)車(chē)所在的區(qū)域，軌道為紅色；電機(jī)車(chē)即將要進(jìn)入的區(qū)段，軌道為黃色；而如果為黑色，則表示無(wú)車(chē)。調(diào)度監(jiān)控畫(huà)面可以對(duì)井下的巷道狀況進(jìn)行模擬，實(shí)施監(jiān)測(cè)電機(jī)車(chē)的位置，及時(shí)明確電機(jī)車(chē)的信息。

3 試驗(yàn)效果分析

在結(jié)束了網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、硬件平臺(tái)的搭建等一系列操作之后，以精確定位為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建電機(jī)車(chē)的監(jiān)控試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并找出缺點(diǎn)，及時(shí)改善，之后對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，反復(fù)操作，確保系統(tǒng)可以處于最佳的狀態(tài)。

3.1 模擬系統(tǒng)

為了判斷監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，礦井模擬設(shè)計(jì)了巷道和系統(tǒng)，配置通信節(jié)點(diǎn)，在模擬軌道之上模擬制作電機(jī)車(chē)，通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。

3.2 測(cè)試試驗(yàn)效果

選擇模擬軌道來(lái)開(kāi)展測(cè)試，讓電機(jī)車(chē)運(yùn)行一定距離，對(duì)位移情況進(jìn)行計(jì)算，并將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)秸{(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)之中，做好記錄，反復(fù)測(cè)試，收集軌道內(nèi)的真實(shí)位置，并與調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中的顯示畫(huà)面進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果，本系統(tǒng)可顯著減少電機(jī)車(chē)位移的誤差。

本文開(kāi)展了岔道信息傳輸誤碼測(cè)試，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，確保其穩(wěn)定性。在測(cè)試期間，人為干預(yù)來(lái)制造障礙，以此來(lái)對(duì)岔道傳輸?shù)姆€(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，可以確保400 m 以?xún)?nèi)岔道信息的準(zhǔn)確性。

通過(guò)開(kāi)展電機(jī)車(chē)的運(yùn)行方向轉(zhuǎn)變測(cè)試，將電機(jī)車(chē)的前進(jìn)和后退方向的標(biāo)志位分別設(shè)計(jì)為1 和0，并對(duì)電機(jī)車(chē)前進(jìn)與后退的狀況進(jìn)行模擬，將標(biāo)志位的信息上傳到調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行觀(guān)察。根據(jù)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)加速度傳感器有助于對(duì)電機(jī)車(chē)的方向進(jìn)行精確判斷。

根據(jù)本文所開(kāi)展測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在電機(jī)車(chē)的無(wú)線(xiàn)信息變送器中將語(yǔ)音版塊與無(wú)線(xiàn)版塊相遠(yuǎn)離，并且需要采取屏蔽措施，確保語(yǔ)音的質(zhì)量。開(kāi)展防撞測(cè)試，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)均報(bào)警，功能正常。