康俊亮

（阳煤集团三矿运输部，山西 阳泉 045000）

引言

矿井运输线路较多且范围广，设备流动性较大，很容易发生运输事故问题。电机车属于井下重要的运输设备，机车开出后，司机与调度无法及时取得联系，调度命令更改流程复杂，严重影响了机车的高效运行，甚至发生撞车事故。因此，应保证井下电机车的精确定位，为机车司机与调度建立高质量的语音通话系统，提高工作效率，保证安全生产。

1 电机车监控系统通讯网络

1.1 选择无线网络

煤矿井下无线通讯环境比较复杂，为了有效监控电机车的运行状态，应准确采集数据信息。通过比较可知，ZigBee 技术可以满足节能与整个系统对数据的传输需求，保证电机车的精确定位。根据应用环境特点，制定ZigBee 方案，设定F8913 模块，完成无线通讯工作。若有数据需要接收时，模块系统会自动判断地址是否与数据信息中地址一致，若一致则会中断接收此信息。需要发送数据时，可以直接利用程序发送，具体流程见图1。

图1 F8913 工作流程图

1.2 CAN 总线网络

煤矿井下开采环境较为复杂，电机车监控系统通讯网络只可以采用无线网络，但此网络无法保证系统的稳定运行，因此还应在已有无线技术的基础上，采用稳定的现场总线技术。CNA 总线运行稳定，不会限制节点个数，数据传输灵活，因此设计模块时引入CAN 总线技术，保证系统防腐蚀、防水、抗干扰等功能。

1.3 通信网络协议研究

CAN 总线报文包括优先级、目的地址、源地址、无线信息变送器地址等方面。一是当存在多个通信节点机需要向主节点机发送数据时，系统自动根据优先级而发，保证数据发送的次序性。语音数据只在特殊情况下发送，定位数据实时发送，因此应优先发送语音数据。二是目的地址与源地址，系统运行中，CAN 总线通讯节点受硬件设施的限制。三是电机车无线信息变送器地址，向调度监控系统传达数据来自于哪个电机车，并在调度监控系统上显示点机车的定位数据。本系统需要传输语音数据与定位数据，且语音数据量较大，需要包含所有数据信息。因此应分成多组发送。报文将某个节点信息发送至多个节点，不必确定接收节点的地址，只需要滤波报文信息即可。

1.4 通信网络拓扑结构

一是ZigBee 网络拓扑研究，根据节点设备通信能力将节点分为全功能设备与精简功能设备，保证彼此间互相通信，并采用树形网络结构。二是CAN总线拓扑结构，根据测试连接110 个通讯节点，通过CANH 和CANL 两个接口传输信息，抑制共模干扰。为了保证通讯稳定性，还应将电阻设置于总线通讯网络两端。

2 电机车监控系统构成

2.1 总体结构

井下电机车监控系统包括无线信息变送器系统、节点机系统以及调度监控系统等，其中无线信息变送器系统包括加速度传感器、主控制器模块、语音模块等。节点机系统包括通讯节点机与主节点，调度室内安装调度监控系统，以实时显示电机车的运行状态。将加速度传感器安装至电机车无线信息变送器中，采集电机车加速度信息与方向信息，根据位移算法得出电机车运行速度与位移情况。同时，还将无线数字语音通讯模块安装至电机车监控系统中，增加数字语音模块，将语音信息转换为数字信号，压缩语音数据，减少数据传输时间。电机车经常处于运动状态，还应将通讯节点机与信息变送器集成无线通讯模块，结合无线与有线方式精准计算定位信息，并将数据传输至调度监控系统。

调度节点可以将电机车相关信息传输至主节点机，也可以将主节点机的信息传输至电机车，保证系统运行的可靠性，重新设计CAN 总线系统。且电机车上安装的无限信息变送器应实时向巷道中通讯节点机发送定位信息或语音信息，随机获取无线信息变送器中的通信节点机。在接收通讯节点机传输的数据后，还应根据优先权向主节点机发送数据，包括电机车的通讯节点机地址、电机车地址等。只有需要传输语音数据时，节点机才会优先向主节点机发送语音数据。

2.2 无线信息变送器

精准定位的核心部位为无线信息变送器，通过计算加速度传感器的输出值得出定位信息，间隔一个采集周期，加速度传感器则会采集中断程序数值，之后滤波这些采集数据，通过积分运算得出电机车速度、位移等信息，并通过无线模块将信息发送至通讯节点机。无线信息变送器还具备语音通讯功能，可以保证司机与调度员有效沟通，编码司机的语音信息，解码调度员的语音信息。利用单机片作为核心控制芯片，控制无线模块与语音模块，在内部集成CAN 控制器，并接入CAN 收发器，组成CAN 通讯网络。之后设计加速度传感器电路，简化硬件设计电路，保证机车定位的精准性。设计语音功能电路，引入无线语音通信系统，设计语音信号转换电路与语音编/解码电路设，在芯片内部完成语音传输工作，不必外接存储器。芯片通过串口传输与并口传输方式传输语音数据，提高语音传输速度。除此之外，还应设计语音通信软件，无需在主控制器中进行语音解码，在初始化芯片的基础上，为主控制器提供负脉冲信号，以复位语音芯片，之后设置采样频率与帧同步频率，利用查询方式完成数据读写工作。每间隔20 m，语音模块则会读取一帧语音信息，传输至主控模块中处理。电机车无线信息变送器需要初始化各运行结构，在进入变送器主体程序，利用读取加速度传感器得出输出值，判断电机车运行方向是否发生改变，积分计算得出电机车位移、速度等信息，实现精准定位。

2.3 节点机

通讯节点机包括无线收发模块、CAN 收发器模块、主控器、电源模块等，其属于数据传输的中介，可以将电机车无线信息变送器发送的定位数据或语音数据通过CAN 总线发送至主节点机，或将主节点机下发的数据发送至电机车无线信息变送器，保证司机与调度员的沟通。ZigBee 网络与CAN 总线网络的通信协议相互转换为各自可以处理的数据格式，并初始化各个运行模块，判断数据来源，确定运行任务。ZigBee 数据帧与CAN的数据帧中最大荷载数据位长度不同，承载容量存在区别，通讯节点机传输至主节点机的数据很容易丢失，因此应将数据分块打包，之后向上发送。或者将接收来自于CAN 总线的数据帧打包，封装为ZigBee的数据帧，向下发送，避免丢失问题。

主节点机与调度监控系统均属于井下网络的核心组成部分，可以协调判断来自于调度室的数据信息，并传输至井下通讯节点，或将井下网络传输的数据发送至调度监控系统，完成语音播放。

2.4 调度监控系统

调度监控系统利用组态软件，通过串口与下位机完成通讯工作，调度监控画面监控井下电机车的运行情况，帮助调度员实时了解电机车的运行模式。监控画面中轨道红色部分为电机车所在区段，黄色部分表示电机车将要进入区段，黑色表示无车。调度监控画面可以模拟井下巷道情况，观测电机车实际位置，查询电机车位置坐标、所在区间、位移等信息。

受井下照明设备的影响，巷道中光线较暗，很容易发生电机车追尾或撞车问题，当电机车监控系统中两台机车距离较近时，应设置报警提示系统，帮助调度员及时调度。

3 试验效果分析

在完成构建网络通讯系统、搭建硬件平台以及设计软件功能等操作后，建立基于精准定位的井下电机车监控试验平台，分析数据找出薄弱环节并改进，之后测试整体系统，循环重复，以保证系统达到最佳的运行状态。

3.1 模拟系统

为了测试电机车监控系统运行的可行性，煤矿企业自制模拟系统与巷道，设置通讯节点，在轨道原点放置自制模拟电机车，通过控制系统控制电机车的前进与后退。

3.2 测试实验效果

选取模拟轨道进行测试，让电机车行驶100 m，计算位移情况，并将数据传输至调度监控系统记录，重复对比实验，比较调度监控系统显示画面与轨道真实位置。结果可知，此系统可以大幅度降低电机车的位移计算误差。

进行道岔信息传输误码测验，反复测试以保证稳定性。期间人为制造障碍，验证道岔信息传输的稳定性。分析可知，可以百分百保证在400 m 内道岔信息的准确性。

进行电机车行车方向改变测试，设计电机车前进方向标志位为1，后退方向标志位为0，模拟电机车前进与后退情况，将标志位信息上传至调度监控系统观察。测试可知，加速度传感器可以准确判别电机车方向的改变。

进行语音通讯功能测试，通过测试结果，得出应将电机车无线信息变送器中语音模块远离无线模块，设置屏蔽措施，保证语音质量。

进行防撞测试，多次试验均提示报警，功能有效。

4 结语

结合煤矿井下运输环境及电机车监控系统特点，利用位移计算、加速度输出以及道岔信息传输准确等精确定位技术，设计了加速度传感器，保证了运行的可靠性与安全性。通过测验发现，设计的电机车监控系统具备数字语音与可视化功能，可以大幅度降低运输事故的发生率，保证安全生产，提高煤矿企业的经济与社会效益。