拓应全

(榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000)

煤矿井下辅助系统肩负着运输材料、设备与工作人员等任务与职责，但是因为煤井下的材料、设备等物品种类与规格繁多，且大部分地点并不集中，而且还要求在上班与下班较短时间内将人员输送至指定地点，所以辅助输送系统就显得非常重要[1]。而运用煤矿无轨胶轮车进行输送，表现出较多优点，比如输送效率非常高、灵活性与负载能极强等。但是随着无轨胶轮车运输任务量的增多，矿井中运输车在同一时间内有数十辆车运行，再加上巷道宽度有限，来往车辆不方便错开，在每个岔道口与停车场均未设置信号灯，尤其在经过具有较陡坡度的巷道时，相互对开的车辆之间一般无法看清对方，很容易导致车辆在某范围内出现拥堵，从而引起多次倒车，这样就会增加车辆的耗油量，导致浪费资源，以及车辆容易损坏等，同时还会降低运输效率，倘若司机处理不当，还容易诱发安全事故[1-2]。针对煤矿井下无轨胶车的运输状况，本文提出开发一款煤矿矿井下的无轨胶轮车交通管控系统来满足其需求。

1.1 无线通信网络

无线网络是伴随着局域网发展而逐渐发展起来的一种网络，它无需实施布线，就能够完成信息传输，从而给人们带来很大的方便。无线网络不但具有传输速度快、准确率高、视频清晰、反应灵敏等优点，而且还具有能够降低通信成本的作用，因此应用非常广泛[2]。

1.2 无线通信网络技术

该技术是通过借助于电磁波信号方式在不受限制的空间中实现传播特性来完成信息交换的一类通信模式。在移动设备中采用无线通信又称作移动通信，一般将两者进行相互结合又被叫做无线移动通信。其网络称为无线移动通信网络[3]。无线通信网络技术包括多种不同技术，比如无线广域网(GPS、GSM、GPRS等)、无线局域网(IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b)、个人局域网等，其中GPRS又称作为2G、3G、4G、5G网络，IEEE802.11a称作WIFI。本文重点利用WIFI网络技术。

1.3 WIFI技术

该技术为一类能够通过借助电子相关设备与无线局域网进行连接的新技术，也称作为无线宽带，属于IEEE的一个无线网络工业标准，一般运行在于2.4 Hz频段，最大传输率为11 Mbps 。它能够把个人电脑、手机等移动设备通过无线形式实现相互连接的一种特殊技术[4]。

煤矿井中有的地方不太适合应用传统的以太网络，比如多种开采与开挖工作面，随着采煤与挖掘工作的开展，还需要不停地继续开采与挖掘，故利用无线网络的形式，即WIFI(无线宽带)实现数据传输效率更高。并且无线宽带均是立足于公开TCP/IP协议上，很多设备上均设置相应的网络接口，为每一种设备接入无线宽带网络提供更加有利的条件，对于语言信号接收与输送等问题，利用无线宽带，能够通过手机等设备实现语音、视频传输，不过前提是矿井下实现了无线宽带网络全面覆盖[5]。如今市场上所售卖的网络摄像头均是使用TCP/TP协议来对信号实现传输，可以转换为无线信号接入至无线宽带网络中。关于数据信号的传输，矿井所安装的每种不一样的设备，比如安全监控设备、生产设备等，只要设置了以太网接口，并遵守了TCP/TP协议，就能够接入到矿井中无线宽带中，其接入方法是利用以太网无线模块实现转换为无线宽带接口，具体如图1所示。

图1 煤矿井下WIFI无线宽带终端联接示意图Fig.1 WIFI wireless broadband terminal connection diagram in coal mine

3.1 系统功能设计

本系统主要包括2大系统：主系统与子系统，具体如图2、图3所示。

图2 煤矿井下胶轮车交通监控主系统功能Fig.2 Functions of main traffic monitoring system for rubber tyred vehicles in coal mines

3.1.1交通监控主系统

从图2可以看出，煤矿井下胶轮车交通监控主系统主要能够实现以下几大功能：

(1)路口交通指标功能。提前埋设传感器，再利用此传感器直接检测到优先驶入到路口区域内的车辆，由此对相向而来的车辆采取控制，限止其进入。当车辆离开预设定范围，相向的绿灯信号将自动恢复，这样就能保证行驶车辆不会发生拥堵，交通不畅等现象；

(2)对路口车辆实现自动控制与指挥调度。在煤矿井下每个路口均能够自动生成一套比较完善的子系统，再依照传感器所收集到通过车辆行驶的信息，对路口各信号灯进行合理控制，就可以对路口优先行驶权限进行合理设置，倘若来自于不同方向车辆在同一时间内进入到路口检测范围内时，则享受级别较高车辆可以优先行驶[6]；

(3)显示作用。车辆行驶所处的位置、交通信号灯亮起与熄灭等均是通过上位监控主机对其进行实时监控与显示；
(4)远程监测控制功能。把无线摄相仪所采集到的车辆运行相关信息再利用交换机上传至上位机，以便于调度中心终端进行浏览与查询，此外，上位机还具有对信号灯控制作用。

图3 车辆监控路口子系统Fig.3 Vehicle monitoring intersection subsystem

3.1.2车辆监控路口子系统

从图3可以看出，车辆监控路口子系统工作原理：

(1)车辆检测传感器。首先把车辆传感器埋藏于煤矿交通道路地下，倘若有胶轮车通过时，因为磁场受空间介质波动而发生变化，当埋藏在地下的传感器采集到此变化数据，再通过相关处理就能够把信号向PLC控制器进行传输[7]；

(2)隔爆PLC控制箱。利用可编程控制器，依照来源于传感器所采集到的信号，对当前巷道内车辆行驶状况进行判断。该控制箱还预留了相关网络接口，以便于连接WIFI、以太网等[8]；

(3)隔爆兼本安型LED信号灯。该信号灯使用了一种特殊二极管，来实现红绿灯来回切换显示，在距离100 M之内都能够清晰可见。倘若路口通行，该信号灯将自动显示绿色箭头；
倘若路口禁止通行，该信号灯自动显示红色叉。

3.2 巷道中车辆控制装置设计

煤井下的巷道结构通常分为：弯道结构、丁字路口结构、十字路结构，由于受篇幅限制，本文仅以弯道结构设计为例来分析煤井下的巷道中车辆控制装置设计，在巷道弯道中信号指标灯与传感器安装位置确定，具体如图4所示。

图4 巷道中车辆控制装置设计Fig.4 Design of vehicle control device in roadway

从图4可以看出，弯道A、B两点位置处各设计预埋一组感传器来对通过车辆进行检测，同时还安装一套LED信号灯来减少道路拥堵与交通事故的发生。在没有车辆行驶时，A、B两点都是绿灯；
倘若A点有车辆驶入检测范围内，那么B点指示灯将转变成红灯，限止来向车辆驶入弯道检测区内；
倘若A点驶入车辆从B点离开之后，传感器将会检测到车辆离开的信号，自动控制左右两旁的指标灯切换成绿灯。倘若B点有车辆驶进检测范围内，则控制与A点原理相同。

4.1 车辆监控路口子系统硬件结构

车辆监控子系统主要由传感器、防爆PLC控制箱、以及LED灯信号等共同组成。子系统中的传感器、红绿信号灯都是依据防爆PLC控制箱与相关规定来开发的；
车辆监控子系统硬件结构如图5所示。

图5 车辆监控子系统硬件结构示意图Fig.5 Hardware structure diagram of vehicle monitoring subsystem

从图5可以看出，A、B、C路口埋设的车辆传感器所采集到车辆通过的相关信息与方向信号，然后把信号由光电隔离模块输送给防爆PLC控制箱，再通过继电器隔离依照每个路口对应控制方法来对红、绿信号指示灯实现控制，并把相关信号经过无线宽带网络输送到上位机[9]。

WIFI网络是由防爆PLC控制箱的以太网转无线模块转换过来的，车辆监控子系统硬件结构包括诸多不同硬件设备，实现多种不同功能，比如隔爆型电气设备、本质安全型电气设备、本安车辆检测传感器等。由于内容太多，本文仅选择以本安车辆检测传感器硬件设备为例进行原理分析、功能设计来论证本系统硬件设计。

4.2 本安车辆检测传感器硬件设备

4.2.1传感器工作原理

传感器工作原理，简单地说就是通过HMC1022(磁阻传感器)感应磁场对车辆进行判断，不过传感器是借助高速微处理器来实现采集磁阻传感器磁场。传感器正式运行之后，首先将会对周边环境磁场情况实施采样，而且它构建基准还是以现在周围环境磁场来实现的，这时LED灯将在短时间内不停地闪烁，倘若基准磁场构建完成，开始为检测状态，则信号灯自动熄灭。倘若环境磁场表现出变化较大，或者其本身位置在不断发生移动，传感器将没有办法对基准磁场面进行准确确定，由此长期位于基准磁场采样与识别状态。传感器在开启之前第一步就是将位置固定牢固、结实，而且还要对是否遭受交流磁场干扰来进行确定[10-11]。

4.2.2传感器硬件结构

依照系统功能要求，本系统的传感器硬件设备结构如图6所示。

从图6可以看出，本系统采用的传感器分别由地磁信号采集、单片机处理、逻辑输出、RS232通信输出、以及提供电源5大构成模块。其中最复杂、最核心模块应是地磁信号采集模块，该模块主要由集成MOS管IRF507、双轴磁阻传感器HMC1022、运算放大器(OP07)、以及外围设置与重置电路等几部分构成；
单片机数据处理模块主体结构有复位电路、单片机晶振；
逻辑输出模块通过单片机数据处理部分输出高低电平信号代表是否有车辆经过；
RS32通信模块，能够借助232形式对目前磁场的强度计算进行获取；
提供电源模块主指运用本安电路设计措施，为整个传感器正常工作提供5V直流电源，使得传感器本安特点得到保障[12]。

传感器工作过程：首先是传感器接通电源模块提供的5V直流电源进行供电开始工作，地磁信号采集模块的磁阻传感器HMC1022对车辆通过相关信息进行检测与采集，然后将采集到的相关信息通过运算放大器(OP07)进行分析、计算,然后将结果通过采样电路输出给单片机(ATMEGA16)，单片机再通过对磁场变化的相关信息对比、计算， 对电平逻辑输出进行控制。倘若发生检测错误，通过单片机发出置位/复位信号，那么实现磁阻传器复位。单片机(ATMEGA16)倘若接收到地磁信号采集模块传输过来的信息，再由其利用光耦隔离电路向逻辑模块进行输出，从而使得传感器与输出电路安全隔离得到保障[13-14]。为了便于外设磁阻传感器对车辆采集信号的输出，还设置了RS232通信模块，其主要作用是输出电磁阻传感器所采集的信号。

无线通信技术下无轨胶轮车监控系统的软件需要实现多种不同功能，比如车辆信息采集与分析、信号灯控制、地图展示、信息储存、报表生成、以及远距离控制等，本系统为了保证高质量实现各种功能，通常需要合理利用三种软件，分别是单片机语言软件、PLC梯形图软件、以及组态王软件。3种软件设计内容较多，受篇幅限制本文仅选择以PLC梯形图软件为代表，该软件主要应用于车辆监控路口子系统，通过分析车辆监控路口子系统设计论证无线通信技术下无轨胶轮车的监控系统的软件设计，而另外两个软件分别应用于传感器、上位机监控[15]。

车辆监控路口子系统最关键的部件为PLC控制器。PLC控制器主要功能，采集车辆通过相关信息，其来源于车辆传感器的信号，借助于车辆方向、驶入检测范围内时间、以及车辆总数量等多个方面来实现全面判断，从而来对相应路口所设置的指示信号红、绿灯之间切换显示实现控制。它的流程示意图，如图7所示：

图7 车辆监控路口子系统软件流程示意图Fig.7 Software flow diagram of vehicle monitoring intersection subsystem

从图7可以看出，接通电源之后，首先进入初始化模块进行初始化，在各路口设置信号指标灯，并亮起绿灯。其次，确认车辆传感器是否动作，倘若没有车辆传感器动作(运行)，想办法让车辆传感器运行；
倘若检查到车辆传感器正在运行的，即正常工作；
相反，则是出现了故障，需要进行处理。然后，对通过的车辆进行检测，依据巷道结构与车辆行驶的实际情况，采取相对应方法对红绿灯进行控制，同时还对进入车辆进行计算数量与计算时间等。最后，当车辆行驶出检测区，对于控制路口的红灯恢复绿灯，之后又重复启动车辆传感器是否动作；
倘若没有驶出检测区的车辆要确认是否计时完成，倘若没有计时完成，继续等待一直到计时完成，然后驶出检测区；
倘若车辆没有驶出检测区，计时就完成了，就需要向网络发出报警，等待干扰。这便是车辆监控路口子系统软件工作过程[16-17]。

6.1 对系统硬件接线与检查

首先在路口子系统未正式接通电源前，对传感器周围有关铁磁性物质打扫干净，保障磁场不会受到其它磁性物体的干扰。然后对没有连接路口的子系统进行检查，其检查方法是使用万用表，依据相关设计图纸对每个核心部件与电源之间接线线路是否正确进行检测，主要检测是否存在短路、断路等。

6.2 接入电源测试

分别对系统中每个部件接入电源进行测试。比如传感器接通电源之后，使用板手等工具在位于距传感器2 cm处进行摇摆。再对PLC控制器录入点能否收集到有关信号进行观察。又如对于信号指示灯接通电源后进行检测，能否发出较强的信号，倘若检测发出信号，能否对信号灯红、绿灯切换实现控制等功能进行测试。最后对各部件与系统联接起来进行测试。并在路口通过胶轮车行驶进行反复测试[18]。

通过现场实际测试表明：本研究开发的无线通信网络技术下的井下胶轮车交通控制系统能够正常工作，系统中每个部件均实现各自功能，比如车辆检测传感器能够及时采集车辆通过的信号，路口监控子系统能够对通过车辆进行判断，并且能对路口信号指标灯依据车辆行驶实际情况进行切换来控制行驶车辆，以免发生交通拥堵、错车、以及交通事故等问题。上位机能够对各路口指标灯运行情况进行掌控，并对相关数据进行统计、汇总、以及储存等，从而为车辆运行、调度提供相关依据。各部件与系统联接起来测试，完全能够满足煤矿井下无轨胶轮交通管理需要，因此可以推广应用。

文章通过建立无线宽带网络，依据北方某煤矿井下交通管理实际情况，实施了无轨胶车交通管控措施，进行系统硬件、软件、以及传感器等核心部件设计，从而完成基于无线网络通信技术下的矿井无轨胶轮管控系统研究工作，最后通过实测表明，该系统能够正常工作，完全能够满足北方某煤矿矿井下无轨胶轮车交通管理需要。当然本论文还存在一定的不足，比如在固定巷道中，可以安装车辆测速器，要求车辆并不能超过规定车速，并通过无线视频设备对超速车辆车牌进行跟踪记录，通过无线网络上传到管理中心作为车辆违章凭证；
此外，还可以在LED信息屏安装违章车辆信息播报，并不定时进行实时播放，以便提醒司机注意安全，预防违章[18]。

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