基于无线异构通信的电机车远程监测和控制系统

张立祥 王 鼎，2 靳华伟，2 牛乃平 闫宣宣，2 左瑞龄，2

（1.安徽理工大学机械工程学院；2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室 安徽淮南 232001；3.山西科达自控股份有限公司 山西太原 030006）

煤矿井下辅助运输系统担负着运送物料、设备和人员的任务。传统的辅助运输采用电机车、绞车、单轨吊等形式[1]，其中电机车运输作为辅助运输的重要环节，必须靠电机车司机人工驾驶，但由于煤矿井下环境复杂，驾驶员常常因视线不清、疲劳驾驶等原因，发生碰撞造成人为交通事故，严重影响电机车的运输效率[2]。除此之外，由于煤矿井下通信系统比较单一，网络传输速率较低，网络延迟较高，地面调度中心与井下电机车无法保证实时通信[3]。导致调度中心无法获取电机车的精确位置和周围的工作环境，导致发生井下交通事故后不能及时救援，影响整个矿井煤炭生产效率。为了解决上述存在的问题，保证电机安全、可靠和高效的运输。在井下建立无线异构通信网络、实现电机车实时的远程监测和控制意义非常重大。

国外的电机车远程测控研究最早起源于20世纪70年代，瑞典的基律纳地下铁矿研发无线遥控电机车和无线通讯技术，并成功实现了井下电机车的无线遥控驾驶系统[4]，其系统能够实现地面主控室远程遥控电机车工作，但智能化程度不高。国内无人驾驶起步较慢，中国恩菲是第一家研究并应用无人驾驶矿车的公司，从2011年开始研究并测试到2012年将铜陵有色冬瓜山铜矿作为试点[5]，再到2015年将无人驾驶矿车下井调试后投入使用，已实现在装矿战采用遥控方式移动编组完成装矿工作[6]，只是投入使用的无人驾驶矿车还不能完全达到理想的无人驾驶，包括环境感知、自动避障和精准定位，只能按照规定程序进行运输，这样矿井下运输的安全还是得不到保障[7-8]。

本文利用无线通信技术，结合井下光纤环网，构建宽带无线网络与窄带无线网路相融合的无线异构通信网络[9]。使煤矿井下组网方式更加灵活，可扩展性更强，实现井下网络的全覆盖，有利于煤矿信息共享、资源合理利用、提高煤炭生产效率。在无线异构通信网络的基础上设计了煤矿井下电机车远程监测和控制系统，使电机车具有视频监控、环境感知、自动避障、精确定位等智能化功能，让电机车运输过程更加安全、可靠。

一、无线通信技术

通信技术在煤矿井下的应用给煤矿生产方式带来巨大变化。“高速率、低延迟、低功耗”成为矿井通信系统的发展趋势。煤矿井下无线通信技术有透地通信、感应通信、漏泄通信、ZigBee通信、矿用WiFi无线通信、第三代矿井移动通信（简称3G）、第四代矿井移动通信（简称4G）[10]，以及最新的第五代矿井移动通信（简称5G）[11]。根据带宽的不同，无线通信技术可以分为无线宽带通信技术和无线窄带通信技术。目前比较常用的矿用无线宽带通信技术主要为4G移动通信技术和矿用WiFi无线通信技术，而比较常用的矿用无线窄带通信技术主要为ZigBee通信技术。

（一）4G。4G是集3G与WLAN于一体,并能够快速传输数据、高质量音频、视频和图像等。4G能够以100Mbp以上的速度下载,比目前的家用宽带ADSL(4兆)快25倍,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求[12]。4G通信技术并没有脱离以前的通信技术,而是以传统通信技术为基础,并利用了一些新的通信技术,来不断提高无线通信的网络效率和功能的。根据煤矿井下环境和巷道电磁波传输特性设计的矿井移动通信系统，4G通信技术为煤矿安全生产管理提供更加稳定可靠的语音、数据传输解决方案。

（二）WiFi。WiFi是一种传输速率高，覆盖范围广，信号较为稳定无线通信技术[13]。矿用WiFi无线通信系统相对于地面场景的应用相对滞后，WiFi产品技术性能相对较低，系统以光纤环网为骨干网络，在井下设立多个WiFi通信分站，实现对巷道的无线WiFi网络覆盖，通常双向基站覆盖距离约为300m，采用矿用本质安全型手机能够接入无线网络，实现井下的语音调度通话。

（三）ZigBee。ZigBee是一种根据IEEE802.15.4协议开发的、应用于近距离数据传输的无线网络技术[14]。ZigBee技术具有网络容量大、功耗低、可靠性高等特点，用于传输速率较低、网上节点较多、数据量较小的传感器等设备数据传输，可减少人员维护成本。

二、无线异构通信网络

随着4G移动通信技术、WiFi无线通信技术的发展，以光缆、电缆为传输介质的传输方式虽较为稳定，但随着掘进工作面的推进和巷道的拓展，导致后期维护成本及难度较高，且接入部署难度大，无法实现网络的快速接入和灵活接入。新型矿井网络是在有线光纤环网的基础上，采用无线宽带通信网络与无线窄带通信网络相融合的异构通信网络，其创新点为采用“万兆宽带环网+无线宽带（4G/WiFi）+低功率窄带”异构通信的组网方式，对井下工业自动化信息、视频监控图像、无线电话通信、人员及车辆定位、语音广播、安全监测等系统实现统一接入承载，对矿山各个领域全方位、深度感知，并提取相关信息，安全、稳定、高效、实时地进行数据传输。异构通信网络架构如图1所示。

图1 异构通信网络架构图

无线异构网络主要由调度中心显示大屏、矿用隔爆兼本安型交换机、矿用本安型无线通信基站、矿用隔爆兼本安型直流稳压电源、矿用本安型手机等设备组成。

（一）调度中心显示大屏（简称调度显示屏）。调度显示屏通过简单易用的图形化界面将应急广播、有线通信、无线通信和人员定位、视频监控结合到一起，实时显示系统设备状态、综合调度通讯、视频调度显示，将通信调度和视频信息更直观的显示在调度员面前，触摸屏设计让调度人员实现广播、有线、无线通信和人员的应急调度指挥更方便，更快捷。

（二）矿用本安型无线通信基站。主要融合有4G模块、WiFi模块、射频模块、供电模块、定向天线等组成，可实现4G/WiFi语音视频、精确定位及各类数据的接入与交换。基站采用本安型设计，通过以太网传输数据，具有体积小、重量轻、安装维护方便等特点。

（三）矿用隔爆兼本安型交换机。交换机接入井上工业以太网，通过光缆与矿用本安型无线通信基站进行连接，完成数据传输过程。

（四）矿用隔爆兼本安型直流稳压电源。是一种允许在瓦斯、煤尘爆炸危险环境中使用的通用隔爆兼本安型不间断电源，支持电源管理功能，液晶显示，CAN协议，备用电池工作时间不得小于4小时。

（五）矿用本安型手机。是为煤矿设计的本安型智能移动终端，具有通话质量高、待机时间长等特点。在基站服务区覆盖范围内，用户可以在移动过程中进行呼叫、短信、彩信、视频、专用数据业务。

（六）支持ZigBee协议各类传感器设备。支持各种气体、温度等传感器的接入，增加煤矿井下环境参数监控点，提高煤矿井下安全。

（七）支持WiFi协议的设备。比如电机车车载路由器，用于电机车和巷道内基站之间的无线通信。

在异构通信网络系统中，具备多种通信接口，可将调度中心收集的数据进行有机的整合，打破“矿山信息孤岛”的僵局，实现相关数据的综合分析。在此系统中具备多种通信接口，如，RS-485接口、CAN总线接口、ZigBee接口、WiFi信号接口。此系统兼容了各类标准通信接口，可以实现不同子系统之间的信息共享，有利于资源合理利用，减少人力物力的投入，提高煤炭生产效率。

三、电机车监测和控制系统

（一）系统硬件组成。煤矿井下有轨电机车监测和控制系统由车载控制器、定位装置、环境检测装置、障碍物检测装置、车载路由器、车载摄像头、巷道内无线基站以及上位机软件系统组成。定位检测装置由电机车上定位节点和巷道内参考节点组成，障碍物检测装置分布在车身左右两侧和车头，环境检测装置布置在电机车两侧，上位机与电机车之间通过无线连接。

图2 系统硬件组成图

（二）系统软件组成。电机车监测和控制系统软件功能模块组成如图所示。软件功能模块包括登录模块、监测模块和运动控制模块3个模块。其功能分别为：登录模块设置初始账号密码，用户点击相应图标，系统进入登录界面，用户根据界面的功能按钮，完成相应的操作；监测模块主要包括环境检测、视频监控、障碍物检测、电机车定位，通过这些检测模块可以得到电机车周围的环境信息、监控视频、障碍物信息、定位信息；运动控制模块依据运动指令控制电机驱动，从而实现电机车的前进后退、加减速，达到远程控制电机车运动的目的。

图3 软件功能模块组成图

四、实验

对上述设计的电机车测控系统进行验证实验。本文设计的煤矿井下电机车测控系统因为涉及煤矿井下环境和电机车，出于实验环境和实验设备考虑，本次实验使用STM32智能小车模拟电机车进行环境检测测试、电机车监控视频无线传输测试。

实验采用低功耗、安全可靠的STM32F103RCT6单片机为控制核心，智能小车其它硬件部分采用模块化设计，配以电机驱动模块、电源模块、无线通信模块、环境检测模块、蜂鸣器报警模块、红外避障模块、超声波避障模块等。整个系统需要一个稳定可靠的构架，在此构架下STM32核心控制器协调控制各个子模块完成各项功能。电源系统给整个测控系统硬件部分正常供电；通过红外避障模块、超声波避障模块获取车辆周围的障碍物信息，控制器接受反馈的信息后，通过综合分析完成避障功能；定位模块可以通过定位节点和参考节点的相对位置得到车辆定位信息，通过无线通信将定位信息上传至PC端；无线通信模块可以将车载摄像头模块拍摄到的监控画面实时传输到PC端；环境检测模块可以检测电机车通过巷道周围的一氧化碳、甲烷等气体浓度，如检测达到一定浓度，则反馈给控制器，控制器发信号给蜂鸣器，蜂鸣器就会自动报警，以保证电机车运行的安全性。

为了测试电机车环境检测模块，利用实验室现有的实验设备器材，如图4所示，气体传感器、温湿度传感器、ZigBee节点。环境检测模块主要是为了检测煤矿井下环境，保证电机车安全运行，检测模块包括检测煤矿井下一氧化碳和甲烷等有害气体，煤矿井下电机车周围的运输环境温度和湿度。本文采用MH-440D可燃气体传感器，该传感器是基于非色散红外原理对环境中存在的碳氢类可燃气体进行检测，有很好的选择性，无氧气依懒性，且性能稳定。本文采用DHT11温湿度传感器检测电机车周围环境的温度和湿度，该传感器的温度测量范围为0°～50°，温度测量误差为±2°，湿度测量范围为20%～95%，湿度测量误差为±5%。该传感器具有体积小、功耗低、响应快、抗干扰能力强等优点，完全符合检测需求[15]。通过以上实验设备搭建测试平台对检测模块进行功能测试，各节点通电后运行，连接上位机，上位机可实现气体浓度、温度、湿度等参数的实时数据的接收，并对环境参数异常数据进行报警处理，满足实际检测需求。

图4 环境监测实验设备图

接着测试电机车无线传输模块，利用实验室现有的实验设备器材，如图5所示，高清摄像仪、WiFi节点。视频无线传输模块主要是为了实现车载摄像头拍摄到的监控画面实时传输到上位机中，满足监控的需求。高清摄像头通过USB串口连接在WiFi节点上，通过WiFi节点实时传输高清摄像头拍摄的监控画面，将实验智能小车放置在模拟巷道的环境中，让其在运行过程中传输监控画面。实验结果显示，画面质量为720p，延迟较低，满足远程监控实时传输的功能需求。

图5 视频无线传输实验设备图

五、结论

从煤矿井下电机车运行环境特殊性及实际需求出发，设计了基于无线异构通信网络的电机车远程监测和控制系统。通过无线通信技术：ZigBee技术和WiFi技术，实现了对矿井电机车运行周围环境数据的采集和传输。采用模块化思想构建了电机车测控系统架构，利用嵌入式智能小车对电机车进行模拟实验，测试结果表明，该系统环境检测模块检测数据准确、成本较低、组网灵活，该系统电机车车载摄像头监控视频无线传输画面稳定、延迟低。因此，此系统为电机车安全可靠的运输提供了保证。