基于無線異構(gòu)通信的電機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng)

張立祥 王 鼎，2 靳華偉，2 牛乃平 閆宣宣，2 左瑞齡，2

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗室 安徽淮南 232001；3.山西科達(dá)自控股份有限公司 山西太原 030006）

煤礦井下輔助運(yùn)輸系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著運(yùn)送物料、設(shè)備和人員的任務(wù)。傳統(tǒng)的輔助運(yùn)輸采用電機(jī)車、絞車、單軌吊等形式[1]，其中電機(jī)車運(yùn)輸作為輔助運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，必須靠電機(jī)車司機(jī)人工駕駛，但由于煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，駕駛員常常因視線不清、疲勞駕駛等原因，發(fā)生碰撞造成人為交通事故，嚴(yán)重影響電機(jī)車的運(yùn)輸效率[2]。除此之外，由于煤礦井下通信系統(tǒng)比較單一，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率較低，網(wǎng)絡(luò)延遲較高，地面調(diào)度中心與井下電機(jī)車無法保證實(shí)時通信[3]。導(dǎo)致調(diào)度中心無法獲取電機(jī)車的精確位置和周圍的工作環(huán)境，導(dǎo)致發(fā)生井下交通事故后不能及時救援，影響整個礦井煤炭生產(chǎn)效率。為了解決上述存在的問題，保證電機(jī)安全、可靠和高效的運(yùn)輸。在井下建立無線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)電機(jī)車實(shí)時的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制意義非常重大。

國外的電機(jī)車遠(yuǎn)程測控研究最早起源于20世紀(jì)70年代，瑞典的基律納地下鐵礦研發(fā)無線遙控電機(jī)車和無線通訊技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了井下電機(jī)車的無線遙控駕駛系統(tǒng)[4]，其系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地面主控室遠(yuǎn)程遙控電機(jī)車工作，但智能化程度不高。國內(nèi)無人駕駛起步較慢，中國恩菲是第一家研究并應(yīng)用無人駕駛礦車的公司，從2011年開始研究并測試到2012年將銅陵有色冬瓜山銅礦作為試點(diǎn)[5]，再到2015年將無人駕駛礦車下井調(diào)試后投入使用，已實(shí)現(xiàn)在裝礦戰(zhàn)采用遙控方式移動編組完成裝礦工作[6]，只是投入使用的無人駕駛礦車還不能完全達(dá)到理想的無人駕駛，包括環(huán)境感知、自動避障和精準(zhǔn)定位，只能按照規(guī)定程序進(jìn)行運(yùn)輸，這樣礦井下運(yùn)輸?shù)陌踩€是得不到保障[7-8]。

本文利用無線通信技術(shù)，結(jié)合井下光纖環(huán)網(wǎng)，構(gòu)建寬帶無線網(wǎng)絡(luò)與窄帶無線網(wǎng)路相融合的無線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)[9]。使煤礦井下組網(wǎng)方式更加靈活，可擴(kuò)展性更強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)井下網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，有利于煤礦信息共享、資源合理利用、提高煤炭生產(chǎn)效率。在無線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上設(shè)計了煤礦井下電機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng)，使電機(jī)車具有視頻監(jiān)控、環(huán)境感知、自動避障、精確定位等智能化功能，讓電機(jī)車運(yùn)輸過程更加安全、可靠。

一、無線通信技術(shù)

通信技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用給煤礦生產(chǎn)方式帶來巨大變化?！案咚俾?、低延遲、低功耗”成為礦井通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。煤礦井下無線通信技術(shù)有透地通信、感應(yīng)通信、漏泄通信、ZigBee通信、礦用WiFi無線通信、第三代礦井移動通信（簡稱3G）、第四代礦井移動通信（簡稱4G）[10]，以及最新的第五代礦井移動通信（簡稱5G）[11]。根據(jù)帶寬的不同，無線通信技術(shù)可以分為無線寬帶通信技術(shù)和無線窄帶通信技術(shù)。目前比較常用的礦用無線寬帶通信技術(shù)主要為4G移動通信技術(shù)和礦用WiFi無線通信技術(shù)，而比較常用的礦用無線窄帶通信技術(shù)主要為ZigBee通信技術(shù)。

（一）4G。4G是集3G與WLAN于一體,并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量音頻、視頻和圖像等。4G能夠以100Mbp以上的速度下載,比目前的家用寬帶ADSL(4兆)快25倍,并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求[12]。4G通信技術(shù)并沒有脫離以前的通信技術(shù),而是以傳統(tǒng)通信技術(shù)為基礎(chǔ),并利用了一些新的通信技術(shù),來不斷提高無線通信的網(wǎng)絡(luò)效率和功能的。根據(jù)煤礦井下環(huán)境和巷道電磁波傳輸特性設(shè)計的礦井移動通信系統(tǒng)，4G通信技術(shù)為煤礦安全生產(chǎn)管理提供更加穩(wěn)定可靠的語音、數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

（二）WiFi。WiFi是一種傳輸速率高，覆蓋范圍廣，信號較為穩(wěn)定無線通信技術(shù)[13]。礦用WiFi無線通信系統(tǒng)相對于地面場景的應(yīng)用相對滯后，WiFi產(chǎn)品技術(shù)性能相對較低，系統(tǒng)以光纖環(huán)網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)，在井下設(shè)立多個WiFi通信分站，實(shí)現(xiàn)對巷道的無線WiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通常雙向基站覆蓋距離約為300m，采用礦用本質(zhì)安全型手機(jī)能夠接入無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)井下的語音調(diào)度通話。

（三）ZigBee。ZigBee是一種根據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議開發(fā)的、應(yīng)用于近距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[14]。ZigBee技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，用于傳輸速率較低、網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)較多、數(shù)據(jù)量較小的傳感器等設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸，可減少人員維護(hù)成本。

二、無線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)

隨著4G移動通信技術(shù)、WiFi無線通信技術(shù)的發(fā)展，以光纜、電纜為傳輸介質(zhì)的傳輸方式雖較為穩(wěn)定，但隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)和巷道的拓展，導(dǎo)致后期維護(hù)成本及難度較高，且接入部署難度大，無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速接入和靈活接入。新型礦井網(wǎng)絡(luò)是在有線光纖環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，采用無線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)與無線窄帶通信網(wǎng)絡(luò)相融合的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，其創(chuàng)新點(diǎn)為采用“萬兆寬帶環(huán)網(wǎng)+無線寬帶（4G/WiFi）+低功率窄帶”異構(gòu)通信的組網(wǎng)方式，對井下工業(yè)自動化信息、視頻監(jiān)控圖像、無線電話通信、人員及車輛定位、語音廣播、安全監(jiān)測等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接入承載，對礦山各個領(lǐng)域全方位、深度感知，并提取相關(guān)信息，安全、穩(wěn)定、高效、實(shí)時地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要由調(diào)度中心顯示大屏、礦用隔爆兼本安型交換機(jī)、礦用本安型無線通信基站、礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源、礦用本安型手機(jī)等設(shè)備組成。

（一）調(diào)度中心顯示大屏（簡稱調(diào)度顯示屏）。調(diào)度顯示屏通過簡單易用的圖形化界面將應(yīng)急廣播、有線通信、無線通信和人員定位、視頻監(jiān)控結(jié)合到一起，實(shí)時顯示系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)、綜合調(diào)度通訊、視頻調(diào)度顯示，將通信調(diào)度和視頻信息更直觀的顯示在調(diào)度員面前，觸摸屏設(shè)計讓調(diào)度人員實(shí)現(xiàn)廣播、有線、無線通信和人員的應(yīng)急調(diào)度指揮更方便，更快捷。

（二）礦用本安型無線通信基站。主要融合有4G模塊、WiFi模塊、射頻模塊、供電模塊、定向天線等組成，可實(shí)現(xiàn)4G/WiFi語音視頻、精確定位及各類數(shù)據(jù)的接入與交換?；静捎帽景残驮O(shè)計，通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，具有體積小、重量輕、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。

（三）礦用隔爆兼本安型交換機(jī)。交換機(jī)接入井上工業(yè)以太網(wǎng)，通過光纜與礦用本安型無線通信基站進(jìn)行連接，完成數(shù)據(jù)傳輸過程。

（四）礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源。是一種允許在瓦斯、煤塵爆炸危險環(huán)境中使用的通用隔爆兼本安型不間斷電源，支持電源管理功能，液晶顯示，CAN協(xié)議，備用電池工作時間不得小于4小時。

（五）礦用本安型手機(jī)。是為煤礦設(shè)計的本安型智能移動終端，具有通話質(zhì)量高、待機(jī)時間長等特點(diǎn)。在基站服務(wù)區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，用戶可以在移動過程中進(jìn)行呼叫、短信、彩信、視頻、專用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（六）支持ZigBee協(xié)議各類傳感器設(shè)備。支持各種氣體、溫度等傳感器的接入，增加煤礦井下環(huán)境參數(shù)監(jiān)控點(diǎn)，提高煤礦井下安全。

（七）支持WiFi協(xié)議的設(shè)備。比如電機(jī)車車載路由器，用于電機(jī)車和巷道內(nèi)基站之間的無線通信。

在異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，具備多種通信接口，可將調(diào)度中心收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)的整合，打破“礦山信息孤島”的僵局，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的綜合分析。在此系統(tǒng)中具備多種通信接口，如，RS-485接口、CAN總線接口、ZigBee接口、WiFi信號接口。此系統(tǒng)兼容了各類標(biāo)準(zhǔn)通信接口，可以實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間的信息共享，有利于資源合理利用，減少人力物力的投入，提高煤炭生產(chǎn)效率。

三、電機(jī)車監(jiān)測和控制系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)硬件組成。煤礦井下有軌電機(jī)車監(jiān)測和控制系統(tǒng)由車載控制器、定位裝置、環(huán)境檢測裝置、障礙物檢測裝置、車載路由器、車載攝像頭、巷道內(nèi)無線基站以及上位機(jī)軟件系統(tǒng)組成。定位檢測裝置由電機(jī)車上定位節(jié)點(diǎn)和巷道內(nèi)參考節(jié)點(diǎn)組成，障礙物檢測裝置分布在車身左右兩側(cè)和車頭，環(huán)境檢測裝置布置在電機(jī)車兩側(cè)，上位機(jī)與電機(jī)車之間通過無線連接。

圖2 系統(tǒng)硬件組成圖

（二）系統(tǒng)軟件組成。電機(jī)車監(jiān)測和控制系統(tǒng)軟件功能模塊組成如圖所示。軟件功能模塊包括登錄模塊、監(jiān)測模塊和運(yùn)動控制模塊3個模塊。其功能分別為：登錄模塊設(shè)置初始賬號密碼，用戶點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)，系統(tǒng)進(jìn)入登錄界面，用戶根據(jù)界面的功能按鈕，完成相應(yīng)的操作；監(jiān)測模塊主要包括環(huán)境檢測、視頻監(jiān)控、障礙物檢測、電機(jī)車定位，通過這些檢測模塊可以得到電機(jī)車周圍的環(huán)境信息、監(jiān)控視頻、障礙物信息、定位信息；運(yùn)動控制模塊依據(jù)運(yùn)動指令控制電機(jī)驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的前進(jìn)后退、加減速，達(dá)到遠(yuǎn)程控制電機(jī)車運(yùn)動的目的。

圖3 軟件功能模塊組成圖

四、實(shí)驗

對上述設(shè)計的電機(jī)車測控系統(tǒng)進(jìn)行驗證實(shí)驗。本文設(shè)計的煤礦井下電機(jī)車測控系統(tǒng)因為涉及煤礦井下環(huán)境和電機(jī)車，出于實(shí)驗環(huán)境和實(shí)驗設(shè)備考慮，本次實(shí)驗使用STM32智能小車模擬電機(jī)車進(jìn)行環(huán)境檢測測試、電機(jī)車監(jiān)控視頻無線傳輸測試。

實(shí)驗采用低功耗、安全可靠的STM32F103RCT6單片機(jī)為控制核心，智能小車其它硬件部分采用模塊化設(shè)計，配以電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊、無線通信模塊、環(huán)境檢測模塊、蜂鳴器報警模塊、紅外避障模塊、超聲波避障模塊等。整個系統(tǒng)需要一個穩(wěn)定可靠的構(gòu)架，在此構(gòu)架下STM32核心控制器協(xié)調(diào)控制各個子模塊完成各項功能。電源系統(tǒng)給整個測控系統(tǒng)硬件部分正常供電；通過紅外避障模塊、超聲波避障模塊獲取車輛周圍的障礙物信息，控制器接受反饋的信息后，通過綜合分析完成避障功能；定位模塊可以通過定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的相對位置得到車輛定位信息，通過無線通信將定位信息上傳至PC端；無線通信模塊可以將車載攝像頭模塊拍攝到的監(jiān)控畫面實(shí)時傳輸?shù)絇C端；環(huán)境檢測模塊可以檢測電機(jī)車通過巷道周圍的一氧化碳、甲烷等氣體濃度，如檢測達(dá)到一定濃度，則反饋給控制器，控制器發(fā)信號給蜂鳴器，蜂鳴器就會自動報警，以保證電機(jī)車運(yùn)行的安全性。

為了測試電機(jī)車環(huán)境檢測模塊，利用實(shí)驗室現(xiàn)有的實(shí)驗設(shè)備器材，如圖4所示，氣體傳感器、溫濕度傳感器、ZigBee節(jié)點(diǎn)。環(huán)境檢測模塊主要是為了檢測煤礦井下環(huán)境，保證電機(jī)車安全運(yùn)行，檢測模塊包括檢測煤礦井下一氧化碳和甲烷等有害氣體，煤礦井下電機(jī)車周圍的運(yùn)輸環(huán)境溫度和濕度。本文采用MH-440D可燃?xì)怏w傳感器，該傳感器是基于非色散紅外原理對環(huán)境中存在的碳?xì)漕惪扇細(xì)怏w進(jìn)行檢測，有很好的選擇性，無氧氣依懶性，且性能穩(wěn)定。本文采用DHT11溫濕度傳感器檢測電機(jī)車周圍環(huán)境的溫度和濕度，該傳感器的溫度測量范圍為0°～50°，溫度測量誤差為±2°，濕度測量范圍為20%～95%，濕度測量誤差為±5%。該傳感器具有體積小、功耗低、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，完全符合檢測需求[15]。通過以上實(shí)驗設(shè)備搭建測試平臺對檢測模塊進(jìn)行功能測試，各節(jié)點(diǎn)通電后運(yùn)行，連接上位機(jī)，上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)氣體濃度、溫度、濕度等參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)的接收，并對環(huán)境參數(shù)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報警處理，滿足實(shí)際檢測需求。

圖4 環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗設(shè)備圖

接著測試電機(jī)車無線傳輸模塊，利用實(shí)驗室現(xiàn)有的實(shí)驗設(shè)備器材，如圖5所示，高清攝像儀、WiFi節(jié)點(diǎn)。視頻無線傳輸模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)車載攝像頭拍攝到的監(jiān)控畫面實(shí)時傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，滿足監(jiān)控的需求。高清攝像頭通過USB串口連接在WiFi節(jié)點(diǎn)上，通過WiFi節(jié)點(diǎn)實(shí)時傳輸高清攝像頭拍攝的監(jiān)控畫面，將實(shí)驗智能小車放置在模擬巷道的環(huán)境中，讓其在運(yùn)行過程中傳輸監(jiān)控畫面。實(shí)驗結(jié)果顯示，畫面質(zhì)量為720p，延遲較低，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時傳輸?shù)墓δ苄枨蟆?/p>

圖5 視頻無線傳輸實(shí)驗設(shè)備圖

五、結(jié)論

從煤礦井下電機(jī)車運(yùn)行環(huán)境特殊性及實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計了基于無線異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的電機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制系統(tǒng)。通過無線通信技術(shù)：ZigBee技術(shù)和WiFi技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對礦井電機(jī)車運(yùn)行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸。采用模塊化思想構(gòu)建了電機(jī)車測控系統(tǒng)架構(gòu)，利用嵌入式智能小車對電機(jī)車進(jìn)行模擬實(shí)驗，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)環(huán)境檢測模塊檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、成本較低、組網(wǎng)靈活，該系統(tǒng)電機(jī)車車載攝像頭監(jiān)控視頻無線傳輸畫面穩(wěn)定、延遲低。因此，此系統(tǒng)為電機(jī)車安全可靠的運(yùn)輸提供了保證。