張俊仁

（山西焦煤西山煤電西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

礦用電機(jī)車作為井下主要的運(yùn)輸設(shè)備，主要負(fù)責(zé)煤炭、矸石、設(shè)備、材料及人員的運(yùn)送工作，其行駛安全性及運(yùn)輸效率對井下生產(chǎn)作業(yè)具有重要影響[1-5]。目前多數(shù)煤礦電機(jī)車運(yùn)行面臨諸多問題：首先受井下巷道狹窄曲折、視野模糊、噪聲較大等因素影響，電車司機(jī)操控難度較大，僅靠人工駕駛極易發(fā)生撞車等嚴(yán)重事故；其次由于缺乏有效的監(jiān)測定位及通訊手段，電機(jī)車遠(yuǎn)程調(diào)度實(shí)時(shí)性較差，調(diào)度室無法準(zhǔn)確獲取電機(jī)車的實(shí)時(shí)位置、車速等重要信息，調(diào)度指令也無法及時(shí)傳遞給司機(jī)，無法滿足當(dāng)前煤礦電機(jī)車安全高效運(yùn)行需求。因此設(shè)計(jì)一套具備車身精確定位、車速位姿等重要參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測及高速可靠通訊網(wǎng)絡(luò)功能的電機(jī)車遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)定位監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。本文在傳統(tǒng)電機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過傳感器定位技術(shù)對電機(jī)車的行駛位置、位姿、車速進(jìn)行實(shí)時(shí)精確采集，采用有線+無線組合通信網(wǎng)絡(luò)模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，最大限度提高了電機(jī)車運(yùn)行監(jiān)測的全面性及實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車調(diào)度分配的動態(tài)調(diào)整，從而有效保證電機(jī)車的安全行駛及高效運(yùn)輸，對于提高煤礦運(yùn)輸系統(tǒng)自動化水平具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

1.1 監(jiān)控定位系統(tǒng)功能需求分析

煤礦電機(jī)車長期行駛于井下巷道中，受環(huán)境及人為因素影響，井下電機(jī)車運(yùn)行主要面臨以下幾點(diǎn)問題：電機(jī)車行駛環(huán)境差，受井下巷道空間及地形限制，電機(jī)車長期行駛于道路狹窄曲折、道路障礙物及分支較多、照明條件差的環(huán)境中，僅憑駕駛員人工駕駛不僅效率低下，而且很難及時(shí)對緊急情況做出反應(yīng)，極易發(fā)生撞車事故。無法準(zhǔn)確定位電機(jī)車行駛位置，目前多數(shù)采用RFID 定位的電機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)僅能大致判斷機(jī)車行駛至某段巷道中，無法得到機(jī)車在巷道中的具體行進(jìn)位置，定位精度差，對調(diào)度工作帶來極大不便。通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，目前大多數(shù)煤礦采用有線語音通信及較落后的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，使得整個(gè)電機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性較差，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)上傳及調(diào)度指令的及時(shí)下達(dá)。

綜上，本文所設(shè)計(jì)的電機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)可概括為電機(jī)車實(shí)時(shí)精確定位、穩(wěn)定高效的通信網(wǎng)絡(luò)及智能化人機(jī)交互平臺三部分，系統(tǒng)具體功能如下：

1）電機(jī)車實(shí)時(shí)精確定位。系統(tǒng)采用慣性定位導(dǎo)航技術(shù)通過陀螺儀及加速度傳感器對行駛于巷道中的電機(jī)車位置、車速、姿態(tài)進(jìn)行連續(xù)精確測量。

2）清晰穩(wěn)定的語音通話功能。系統(tǒng)采用無線局域網(wǎng)對語音通信系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，有效提高語音通話質(zhì)量及實(shí)時(shí)性[6-8]。

3）電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)+無線局域網(wǎng)組合通信模式實(shí)現(xiàn)電機(jī)車運(yùn)行位置、車速及報(bào)警信號等參數(shù)實(shí)時(shí)上傳及調(diào)度、控制指令的實(shí)時(shí)下達(dá)。

4）智能化人機(jī)交互功能。系統(tǒng)可通過上位機(jī)人機(jī)交互平臺直觀顯示電機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)字地圖，并具備數(shù)據(jù)存儲管理、報(bào)警時(shí)間記錄等功能。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)以上系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)分析，本文提出了電機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下頁圖1 所示。

圖1 電機(jī)車監(jiān)控定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)地面調(diào)控中心由上位機(jī)、語音服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備組成，語音服務(wù)器用于提供系統(tǒng)語音通信及語音數(shù)據(jù)處理功能，調(diào)度服務(wù)器用于運(yùn)行調(diào)度子系統(tǒng)軟件。地面調(diào)控中心與井下各無線節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，井下各無線節(jié)點(diǎn)與安裝在電機(jī)車上的下位機(jī)模塊通過無線局域網(wǎng)進(jìn)行通信。車載下位機(jī)模塊主要由主控器、電源模塊、運(yùn)行監(jiān)測單元、通信單元、報(bào)警單元組成，其作用是對電機(jī)車的行駛位置、姿態(tài)、車速等主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理與上傳，由通信單元提供了無線通信、語音通信及上位機(jī)服務(wù)器通信功能，同時(shí)還具備電機(jī)車超速、障礙物聲光報(bào)警及駕駛?cè)藛T瞌睡喚醒功能，電源模塊采用不間斷電源UPS，以保證系統(tǒng)不間斷監(jiān)測。車載下位機(jī)模塊總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 車載下位機(jī)模塊總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件方案設(shè)計(jì)

井下電機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)控定位系統(tǒng)的硬件可主要為車載下位機(jī)模塊、無線節(jié)點(diǎn)模塊及上位機(jī)監(jiān)控模塊三部分，其中車載下位機(jī)模塊的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括主控芯片、運(yùn)行監(jiān)測單元及通信單元等部分的選型設(shè)計(jì)，無線節(jié)點(diǎn)模塊的硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括主控芯片及無線通信模塊等。

2.1 車載下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

車載下位機(jī)主控芯片的主要作用是對運(yùn)行監(jiān)測單元所采集到的機(jī)車位置、車速及位姿等參數(shù)進(jìn)行分析處理，并通過控制無線通信單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸及語音通信等功能。本文選用STM32F103C8T6型32 位MCU 作為車載下位機(jī)主控芯片，其內(nèi)部集成有10×12b A/D 轉(zhuǎn)換器及37 個(gè)I/O 接口，具備64 KB 閃存容量，支持2×USART、USB、CAN、SPI及I2C 串行通信，可滿足本模塊的數(shù)據(jù)處理及通信需求。

本文采用慣性導(dǎo)航定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對車體實(shí)時(shí)位置及位姿等主要參數(shù)的精準(zhǔn)采集，具體硬件主要包括陀螺儀和加速度傳感器兩部分。本文選用TDK-MPU-9250 型慣性測量模塊對電機(jī)車角速度及加速度等參數(shù)進(jìn)行采集，其內(nèi)部集成傳感器類型為加速計(jì)、陀螺儀及磁力計(jì)等，其中陀螺儀測量范圍為+/-2000dps，分辨率為10 bit，測量靈敏度可達(dá)0.67 mV/deg/s，輸出信號可通過UART 通信方式進(jìn)行傳輸。加速計(jì)采用X、Y、Z 三軸式加速傳感器，其動/靜態(tài)加速度測量范圍為0～350 Hz 及±6 g，其靈敏度可達(dá)9 mV/deg/s，輸出量為模擬電壓信號，便于主控芯片采集，可對車體的振動及傾斜角度等位姿量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

無線通信模塊主要用于井下各類采集數(shù)據(jù)及控制指令的無線遠(yuǎn)距離傳輸，本文所選用無線通信模塊型號為DP1101，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)500 kbit/s，最高可設(shè)置發(fā)射功率為+10 dBm，模塊支持OOK、ASK、GFSK 等多種調(diào)制模式，可通過4 線SPI 接口與主控MCU 相連，同時(shí)提供兩個(gè)可預(yù)設(shè)功能的通用DO 引腳，可滿足本系統(tǒng)的無線通信需求。

2.2 無線節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

無線節(jié)點(diǎn)模塊的主要用于完成井下各個(gè)車載下位機(jī)間的無線信號傳輸以及和上位機(jī)交換機(jī)相連完成與遠(yuǎn)程調(diào)控中心的總線通信。其工作流程主要包括接收來自車載下位機(jī)的各類運(yùn)行參數(shù)，并通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳至上位機(jī)；其次將遠(yuǎn)程調(diào)控中心下達(dá)的控制指令及語音信號通過無線通信的形式傳輸至各個(gè)車載下位機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)井上與井下的數(shù)據(jù)交互及實(shí)時(shí)通信。

無線節(jié)點(diǎn)模塊的主要組成部分為主控芯片、無線通信模塊、電平轉(zhuǎn)換芯片、以太網(wǎng)芯片等，其核心器件除外圍電路與運(yùn)行程序采用獨(dú)立設(shè)計(jì)外，硬件選型與車載下位機(jī)配置基本相同。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的井下電機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)控定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能包括電機(jī)車實(shí)時(shí)位置精確定位、位姿及車速監(jiān)測、超速及障礙物報(bào)警提示、無線節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)動態(tài)顯示等。在此基礎(chǔ)上本文采用組態(tài)網(wǎng)對人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過PC 機(jī)主畫面可以對以上功能進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和操作，同時(shí)還具備數(shù)據(jù)管理、查詢及存儲打印功能，監(jiān)控系統(tǒng)具體軟件功能如下頁圖3 所示。

圖3 電機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)控定位系統(tǒng)軟件功能圖

4 結(jié)語

本文將慣性定位導(dǎo)航技術(shù)及無線通信技術(shù)引入到電機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)控及定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了井下電機(jī)車行走位置的精確實(shí)時(shí)定位，有效解決了調(diào)度無法獲取井下機(jī)車精確位置的問題。同時(shí)系統(tǒng)具備機(jī)車位姿及車速監(jiān)測功能，并采用工業(yè)以太網(wǎng)+無線網(wǎng)絡(luò)組合通信方式保證了系統(tǒng)通信的靈活性及可靠性。