刘 武

（云南锡业股份有限公司大屯锡矿，云南红河 661100）

0 引言

云锡大屯锡矿井下车辆交通指挥经历了3 个阶段。第一阶段：使用开关信号阶段，在局部单向路段，车辆运行的信号由驾驶员停车后手动供停信号灯。优点是安装和维护简单，成本低廉。缺点是司机操作比较麻烦，效率低；且无法满足路况较为复杂的区域。第二阶段：使用基于PLC 的继电器控制信号阶段。优点是系统可靠，操作简单。能满足车辆频繁，岔路口多等较复杂路况的车辆调度。缺点是布线复杂，成本较高，维护不便。第三阶段：基于物联网的矿山井下交通指挥系统。优点是布线简单，成本较低，运维方便，功能兼容性、可拓展性强，系统采用光纤工业环网通信技术、CAN 通信技术、ZigBee 无线定位和通信技术，为系统的成熟运用提供有力的保障。下面给出基于物联网的矿山井下交通指挥系统的详细设计方案及软硬件措施。

1 系统的整体设计方案

系统利用光纤工业环网通信技术、CAN 通信技术、ZigBee无线定位和通信技术，实现对井下作业运行车辆的位置定位和红绿灯的控制。在1360 无轨运输平巷及主斜坡道铺设光缆，大概每隔600 m 安装1 台矿用一般型无线基站，组建骨干工业环网。在1360 主斜坡道每隔30 m 安装1 台矿用一般型定位读卡器，读卡器之间通过CAN 总线连接，每20 个定位器通过CAN 总线汇集到1 台矿用一般型分站，分站通过网络网线接入无线基站。每辆车上都安装1 台电子车牌，电子车牌在井下运行时，会被最近的定位器识别，定位器通过CAN 总线将数据传输给分站，分站将数据传输给无线基站，无线基站通过光纤网络传输到算法服务器和显示服务器。系统整体结构如图1 所示。

每个避让口和中段口安装红绿灯，当前方路段有车辆驶来时，前方看到红灯；当前方没有车辆驶来时，前方看到绿色。电子车牌上也有红绿指示灯和声光报警器，当车辆前方路段可以通行时，电子车牌上的指示灯为绿色；当前方路段有车辆驶过来时，电子车牌上的指示灯为红色。当车辆闯红灯通过时，电子车牌会启动声光报警器。

2 系统的硬件设计

2.1 电子车牌的硬件设计

电子车牌是车辆被交通信号系统识别唯一的身份证。面板上包括禁止允许通行指示灯，电源指示灯，定位指示灯，通行指示灯和闯红灯指示灯。其硬件设计包括7 个模块：整流与保护电路模块、声光报警接口模块、声光报警驱动模块、DC/DC 转换模块、LED 指示灯模块、无线通信模块、无线定位模块。硬件原理如图2 所示。

图2 电子车牌硬件原理框图

电子车牌工作电压为DC 12 V，有1 个输出接口：DC 12 V声光报警器驱动接口。采用内置PCB 天线，无线频率2.4 GHz，发送功率为4 dBm（（-30～4）dBm 自动可调），接收灵敏度为-97 dBm，无线标准采用ZigBee 协议，无线速率250 kbps，主芯片为CC2530。

2.2 定位读卡器的硬件设计

定位读卡器是定位系统的重要组成部分，安装于井下固定的位置，主要完成对电子车牌的信息采集。定位读卡器接收电子车牌和其他设备发送的各种命令并及时响应，完成对它们的加密、识别、鉴权等操作。并将采集到的信息经2.4 G ZigBee 无线组网通路将定位信息通过网关上传至服务器。其通信接口包括CAN 接口和RS485 接口，CAN 通信距离单总线为5 km，485 通信距离为1 km。其硬件原理框图如图3 所示。

图3 定位读卡器硬件原理框图

定位读卡器工作电压为AC 85～265 V，内置备用电池，电池容量3000 mAh，工作电流分三种：接收电流24 mA，一般发射电流26 mA，休眠电流15 μA。工作频率范围2.394～2.507 GHz。输出功率为（-30～20）dBm。接收灵敏度为（-85～-97）dBm。收卡范围理论距离为100 m。1 个读卡器可同时识别200 张以上电子车牌标签，并采用了频段隔离技术，防止多个设备相互干扰，同时采用加密计算与安全认证，防止链路侦测。

2.3 一般型无线基站设计

无线基站是系统的核心设备。负责MOXA 服务器和井下设备的信息通信。采用DC 12 V 外接电源供电，包括4个千兆光口，用于组件系统主干道网络，可灵活组建工业以太环网。每个节点都可以有冗余备份链路，使其具备网络自愈功能。基站还包括2 个千兆网口和1 个RS485 工业接口。2 个WiFi 模块以及1 个ZigBee 定位模块。其硬件结构如图4 所示。

图4 基站各模块示意图

2.4 信号灯的硬件设计

信号灯有熄灭、红色、绿色、红闪、绿闪5 种状态，信号灯通过定位器与网关、算法服务器通信，根据接收到的指令显示对应的状态。当连续8 s 接收不到指令时，信号灯自动熄灭。信号灯每隔3 s 将实际的状态通过无线发送给定位器。

信号灯的工作电压为DC 12 V，工作电流＜300 m A，无线频率2.4 GHz，发送功率4 dBm，接收灵敏度：-97 dBm，有2个内置PCB 天线，主芯片型号为CC2530，无线标准：ZigBee，无线速率：250 kbps，调制方式：QPSK。无线距离：＞100 m。信号灯的电气原理如图5 所示。

图5 信号灯硬件原理框图

3 系统的软件设计

系统基于B/S 和C/S 混合架构，将整个矿山人员定位、监测监控、生产自动化、交通信号系统等数据全部集成在三维立体的虚拟现实系统中，矿山管理人员可随时登录系统，在一个三维系统上了解矿山人员、生产、设备、安全等所有信息。

系统设计采用物联网云计算技术，可为用户提供多级查看及操作，实现矿山、集团、主管部门的多级网络结构。用户在取得授权的情况下，可在外部网络访问系统，让矿山实现数字化、虚拟化。真正实现物网相连、感知矿山的系统架构。系统的整体设计框架如图6 所示。

系统的服务器包括软件服务器和控灯算法服务器，其中软件服务器端的功能包括：

（1）实时显示井下交通信号灯状态，照明路灯状态，作业车辆运行状态。

（2）对井下违章闯红灯、超速的车辆在页面上实时告警提示，并生成车辆违章报表，记录车辆违章的位置、时间、车辆编号、运行状态灯、所属部门的信息。违章记录报表可查询，可以导出EXCEL 文件。

（3）车辆历史轨迹的查询，在软件上可以以车辆编号和时间查询车辆运行的历史轨迹。

（4）紧急封灯功能，当遇到紧急情况时，可以对井下信号灯的状态进行手动控制，保证车辆能够快速出坑或者入坑进行紧急救援。

（5）设备网管告警功能。对井下的出现故障的设备在页面提示，并生成设备故障的报表。报表包含设备的名称型号、设备ID、设备安装位置、出现故障的时间。

（6）基础数据的管理。对网关、定位器、照明控制器、信号灯、电子车牌的基础信息管理，包括设备的安装位置、编号、网络连接关系等，针对电子车牌还包含电子车牌安装的车辆编号、车辆所属部门、车辆类型的信息。

算法服务器硬件采用MOXA 公司的IA240 嵌入式工业计算机。算法服务器是交通信号系统的核心，服务器下行控制给定都通过算法服务器发送给井下设备，井下设备的状态都通过算法服务器发送给服务器做显示和记录，井下所有信号灯的状态、照明控制器的状态、车辆闯红灯告警提示、超速告警提示都是由算法服务器进行计算，即控灯规则都在算法服务器里面实现。

4 系统的运行调试

将所设计的整套系统在云锡松矿1360 平坑进行测试。现场使用数据表明，各个子系统的监测数据能实时稳定地上传至远程服务器，并通过浏览器以图形化界面展示，用户通过浏览器能有效的监控坑内车辆的情况，并可实现对车辆各种信息的管理和修改，达到了预期的功能需求，并验证了所设计系统的可行性和稳定性。

但在运行了一段时间之后，发现系统存在车辆调度能力有限的缺陷，对于极端车况依然无法实现有效调度与车辆疏通。根据现场观察和对规则的分析，对系统进行一定程度的修改。修改内容包括：

（1）对电子车牌进行改造，增减红绿指示灯和外接报警器。

（2）增加区间测速功能，加强对车辆违章情况的监控。

（3）取消部分短距离路段的红绿灯，改善定位算法，从算法上提高系统定位精度。

（4）在各避让口安装监控摄像头。加强违章监控能力。

（5）修改系统规则及算法服务器程序，如增加车辆限流功能，车辆行驶优先级等。

（6）改变服务器的分布结构，使得系统局部故障时，对系统的影响范围明显缩小。

图6 信号系统的整体设计框架图

经过修改后的系统进行再次测试，系统的车辆调度能力得到明显的加强，坑内车辆运行更加有序。性能更加优越。

5 结语

综合来看，物联网在矿山井下的运用，有效地促进了矿山信息化的建设。除了为智能化交通管理提供技术支持，有效减少道路拥堵、交通事故等问题以外。这套系统的可拓展性也极强，比如矿山自动化控制，环境监控，特种设备在线监控等，都可与本系统得到很好的兼容合并，有力推进矿山信息化，自动化。特别是随着现代信息技术的不断发展，以及矿山自动化的深入推进，物联网技术发挥的作用越来越大，对矿山减耗增效将起到很大的促进作用。