基于物联网的煤矿井下机车进站预报系统设计

孟 军 沈永良

(黑龙江大学电子工程学院)



基于物联网的煤矿井下机车进站预报系统设计

孟 军 沈永良

(黑龙江大学电子工程学院)

针对目前煤矿井下机车报站系统存在数字化程度低、主要依赖人员现场操作、布线复杂等缺点，采用ZigBee技术，设计了煤矿井下机车进站预报系统，准确监测井下机车运行状态参数，通过信号站防爆显示屏及时了解机车位置及到站时间，为煤矿运输安全管理提供强有力的技术保障。

井下机车 监控系统 物联网 ZigBee

目前国有大型煤矿的机车监控系统一般采用“信集闭”系统，但大多数矿井机车运输调度都未能有效监测监控[1]。由于井下环境复杂，机车位置主要依靠信号员与司机通过井下电话联系，无法及时、有效反映机车运行状态，因此，传统的运输管理方式存在很大的弊端，如监控效果不佳、安全性较差造成矿工滞留井下，延误升井时间造成人力资源浪费等问题。随着数字化矿井的不断完善，采用ZigBee协议、无线传输网路来定位机车的位置，可以很好地改善存在的问题。

1 总体设计

根据井下实际情况，将无线传感节点布设于各信号站及运输大巷，通过传感器感知机车行驶情况，信号站可以实时采集经停信号站的数据，经协调器处理后，将数据通过井下以太环网传输到井上监控主机。其他各个信号站可以从网络上即时获取机车位置信息，并显示在LED屏幕上，在传输过程中，为避免数据冗余，该系统在数据传输过程中进行了预处理，有效降低了数据的传输量。机车进站预报系统功能见图1。

2 硬件设计

本设计主要由终端节点、参考节点、协调器节点组成。根据井下运输实际，选用TI公司的CC2530/CC2531模块进行无线通信，采用STM32103芯片作为核心控制器。

图1 机车进站预报系统功能

2.1 协调器节点

协调器节点是ZigBee无线传感网络的控制中心，负责终端节点的加入、删除网络成员，处理采集数据并传给服务器。协调节点的稳定性将影响整个机车进站预报系统，因此，采用性能良好的5 V稳压电源供电，并采用工业级3.3 V稳压芯片将其转换为3.3 V CC2530工作电压。

协调器节点结构如图2所示，包括CC2530无线数据传输的射频模块、STM32103核心控制器模块、以太网模块、电源模块、串口模块、键盘模块、调试模块、时钟模块。

图2 协调器节点硬件结构

协调器节点选用CC2591射频功率放大电路和高增益天线，在保证数据稳定接收的前提下，提高了数据的传输距离。

以太网模块选用DP83848C，当协调器组网成功后，通过串口与主控芯片STM32103通信。协调器不断向子节点查询，当子节点通信异常则向上位机发送标志，并删除该节点，重新组建无线传感网络[2]。

2.2 终端节点与参考节点

终端节点结构如图3所示，相比较协调器节点增加了传感器模块，便于实时采集终端节点各种信号。终端节点将采集到的数据进行预处理，避免数据冗余，调高了整个网络的工作效率。

图3 终端节点硬件结构

终端节点具有唤醒模式和睡眠模式。当机车处于工作状态，启动唤醒模式，而当机车检修时，终端节点处于睡眠模式，进一步降低了节点功耗。

该系统中，由于终端节点随着机车运动，需要带有定位引擎的CC2531芯片接收参考节点的RSSI值[3]，最终得到自己的位置坐标，而其他与参考节点配置相同，保证了系统的稳定性，同时降低了开发时间和成本。

3 系统软件设计

3.1 协调器节点

协调器节点通过CC2530无线射频部分与终端节点进行数据传输，将处理后的数据送入井下以太环网，上传至地面监控主机。服务器根据ID查询数据库并运用算法将机车数据信息发送至各个信号站，在信号站产生LED声光预报机车进站信息。协调器节点工作流程见图4。

3.2 参考节点

参考节点布设在运输大巷的指定位置，可以与终端节点有效通信，实现网络的连续性[4]。参考节点一方面可以为终端节点提供参考数据包，包括RSSI值和参考节点本身的位置信息，另一方面可以加入网络并传输数据。系统参考节点工作流程见图5。

3.3 终端节点软件设计

终端节点安装在井下运输机车头部，以ZigBee协议的方式将采集到的机车速度[5]、机车ID、机车坐标等信息传输给协调器节点。各参考节点之间可以相互通信，有效传输机车信息，当终端节点加入网络后便不断与各个节点通信，实时将预处理信息送至参考节点。参考节点之间可以传输数据，有效保证无线网络的可靠性，终端节点工作流程见图6。

图4 协调器节点工作流程

图5 参考节点软件流程

图6 终端节点工作流程

4 结 语

随着物联网技术的不断发展，推动了煤矿现代化、数字化进程。基于物联网的井下机车预报站系统将无线网络与井下以太环网有机结合，实现了机车定位与预报，提高了井下机车运输管理水平。该系统具有成本低、精度高、功耗低的特点，并且很大程度上满足了矿工掌握乘车时间的需要，极大地提高了运输系统安全管理能力。

[1] 李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M]．北京:北京航空航天大学出版社，2007．

[2] 徐盛龙，王伟波.基于ZigBee的工业无线数据采集器设计[J].工矿自动化，2013，39(7):88-90.

[3] 李金峰，丁同禹，刘翠翠，等.基于RFID+ZigBee技术的无线跟踪系统[J].矿冶技术，2011，22(11):5400-5402.

[4] 刘广亚.基于ARM9和ZigBee的矿井机车运输监控系统的设计[J].矿山机械，2012，40(1)：28-31.

[5] 赵玉荣.基于ZigBee的井下机车监控系统研究计[D].淮南：安徽理工大学，2013.

沈永良(1964—)，男，教授，150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路74号A8实验楼509。

2016-08-31)

孟 军(1987—)，男，硕士研究生，150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路74号A8实验楼509。