基于RFID技術(shù)的礦井運(yùn)輸車輛定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)研究

孟祥忠 張志剛 李宗明

（1.青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東省青島市，266042；2.棗莊職業(yè)學(xué)院，山東省棗莊市，277800）

煤礦井下軌道線路擔(dān)負(fù)著物料、設(shè)備以及人員的運(yùn)輸任務(wù)。由于長距離且錯(cuò)綜復(fù)雜的運(yùn)輸巷道中缺少配備運(yùn)輸車輛定位跟蹤系統(tǒng)，這給煤礦井下軌道運(yùn)輸帶來了安全隱患大、運(yùn)輸效率低、礦車閑置及使用效率低等諸多問題，也給調(diào)度帶來了不知道幾號車在哪里、不清楚同一軌道行駛車輛的狀態(tài)以及無法指揮車輛安全錯(cuò)車等許多困難。這種狀況往往會使調(diào)度部門產(chǎn)生調(diào)度的盲目性和隨意性，甚至?xí)a(chǎn)生運(yùn)輸車輛追尾及撞車的嚴(yán)重安全事故。因此，研究開發(fā)了一套基于RFID技術(shù)的礦井運(yùn)輸車輛定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下車輛定位跟蹤，可以將機(jī)車的具體位置、行駛速度以及行駛方向等信息實(shí)時(shí)地顯示在井下監(jiān)控調(diào)度中心，大大提高了礦井的智能化水平。

1 定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)由工控機(jī)、10個(gè)識別分站以及電子標(biāo)簽組成，調(diào)度室配備工控機(jī)，識別分站分布在煤礦－410水平大巷中，電子標(biāo)簽安裝在機(jī)車頭和各個(gè)車皮上。工控機(jī)與各個(gè)識別分站采用RS485總線的方式通信，識別分站和電子標(biāo)簽之間采用RFID技術(shù)的方式通信。監(jiān)控中心工控機(jī)在組態(tài)軟件MCGS支持下，通過數(shù)據(jù)傳輸接口和沿巷道鋪設(shè)的通訊電纜輪詢巷道上安裝的識別分站。識別分站對機(jī)車上電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)巡檢和信息采集，當(dāng)識別分站收到工控機(jī)巡檢命令后，將自動(dòng)采集有效識別距離內(nèi)的標(biāo)識卡信息，并根據(jù)系統(tǒng)指令通過RS485總線將機(jī)車的號碼、機(jī)車去向、車皮所載貨物等相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控室工控機(jī)，工控機(jī)分析接收到的信息后，監(jiān)控畫面上很快就能顯示出當(dāng)前運(yùn)行機(jī)車的具體位置以及機(jī)車速度等機(jī)車信息。定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 識別分站與電子標(biāo)簽硬件設(shè)計(jì)

識別分站和電子標(biāo)簽之間的信息交換是在特殊而又復(fù)雜的巷道空間以無線傳輸數(shù)據(jù)完成的，數(shù)據(jù)無線傳輸品質(zhì)的好壞直接決定識別分站與電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，進(jìn)而影響機(jī)車跟蹤定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。因此，在設(shè)計(jì)中充分考慮這些因素。

2.1 通信頻段的選擇

無線通信模塊采用433MHz頻段和10mW發(fā)射功率與識別分站相匹配。433MHz頻段與2.4 GHz等頻段相比具有頻段波長較長、繞射能力強(qiáng)以及通信可靠等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)在不停車、不減速以及大流量條件下進(jìn)行車輛識別功能。采用433 MHz頻段可與礦井人員定位系統(tǒng)采用的2.4GHz頻段相避開，避免了它們之間的相互干擾。通過使用抗干擾的通信技術(shù)和高度集成的單片收發(fā)機(jī)來保證系統(tǒng)通信的可靠性和工作的穩(wěn)定性。與現(xiàn)有其他類型的有源RFID相比，通信距離由10～20m增加到了100m，該技術(shù)方案在使用中方便靈活，性能可靠。

圖2 射頻模塊電路原理圖

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽主要包括遠(yuǎn)程無線通信模塊、單片機(jī)、天線以及電池，識別分站主要包括無線通信模塊、AC－DC轉(zhuǎn)換模塊、RS232－RS485串口電平轉(zhuǎn)換模塊。識別分站與電子標(biāo)簽主電路采用TI公司生產(chǎn)的低功耗單片機(jī)MSP430F2132、Chipcon公司生產(chǎn)的超低功耗無線射頻收發(fā)芯片CC1100以及外圍元器件構(gòu)建，射頻模塊電路原理圖如圖2所示。

3 定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入識別分站的識別范圍之內(nèi)時(shí)，電子標(biāo)簽將自己的信息傳送給識別分站后，識別分站以ID編碼的方式將信息傳動(dòng)到上位機(jī)，上位機(jī)接收到這些編碼之后將調(diào)用自己的數(shù)據(jù)庫對編碼進(jìn)行解析，最后以時(shí)間、機(jī)車號、司機(jī)、位置等的方式顯示出來。由此可見，實(shí)現(xiàn)定位跟蹤的關(guān)鍵之處在于系統(tǒng)中設(shè)備的相互通信。

圖3 電子標(biāo)簽與識別分站通信流程圖

3.1 電子標(biāo)簽與識別分站的通信實(shí)現(xiàn)

電子標(biāo)簽與識別分站通信是一個(gè)相互的過程，電子標(biāo)簽和識別分站都要相互接收和傳輸信息。電子標(biāo)簽采用遠(yuǎn)距離睡眠喚醒機(jī)制，識別分站接收到上位機(jī)的詢問命令之后，按照一定周期定時(shí)向外發(fā)射自身的標(biāo)識信號數(shù)據(jù)，當(dāng)載有電子標(biāo)簽的車輛途經(jīng)識別分站射頻輻射覆蓋范圍時(shí)立刻被喚醒。電子標(biāo)簽被喚醒之后會將自身的ID號編入通信數(shù)據(jù)包發(fā)出，識別分站收到數(shù)據(jù)包后會記錄此數(shù)據(jù)包中的ID號。電子標(biāo)簽與識別分站通信流程圖如圖3所示。

3.2 識別分站與上位機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)

識別分站采用MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，工控機(jī)采用MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。利用MCGS和MSP430都支持的modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)兩者之間的通信。modbus分為主站格式和從站格式，主站格式為設(shè)備地址、功能碼、寄存器地址、數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、CRC校驗(yàn)碼，從站格式為設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、數(shù)據(jù)1……數(shù)據(jù)n、CRC校驗(yàn)碼。上位機(jī)和各個(gè)識別分站是以主從通信的方式掛在一根RS485總線上，將上位機(jī)作為主站具體格式為［000400xx 28crc］，將識別分站作為從站具體格式為［020428xx…xx crc］。識別分站與上位機(jī)通信流程圖如圖4所示。

圖4 識別分站與工控機(jī)通信流程圖

要想實(shí)現(xiàn)在一主多從的情況下通信成功，必須要根據(jù)RS485總線的機(jī)制，避免多個(gè)識別分站在發(fā)送數(shù)據(jù)包過程中的信息碰撞問題。針對這種情況，采用工控機(jī)輪詢的方式分別訪問各個(gè)識別分站，同時(shí)識別分站采用MCU分時(shí)開關(guān)串口的方式來避免信息碰撞發(fā)生。一主多從通信時(shí)序圖如圖5所示。

圖6為定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主界面圖，它不僅反映了井下軌道交通運(yùn)行線路，而且對各個(gè)車場和轉(zhuǎn)轍機(jī)方向進(jìn)行了描述。圖中箭頭的指向反映了轉(zhuǎn)轍機(jī)當(dāng)前的方向，為了操作方便，可以用鼠標(biāo)單擊這些箭頭為機(jī)車人工分配進(jìn)路，同時(shí)機(jī)車的實(shí)時(shí)位置在主界面上通過機(jī)車號的方式顯示出來，便于調(diào)度人員觀察。

圖5 一主多從通信時(shí)序圖

圖6 定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)主界面

4 結(jié)語

基于RFID技術(shù)的礦車運(yùn)輸車輛定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)在山東能源淄礦集團(tuán)岱莊煤礦井下－410水平軌道運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)施運(yùn)行以來，實(shí)現(xiàn)了井下機(jī)車的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測和定位，能隨時(shí)清楚地掌握每輛礦車的位置及活動(dòng)軌跡，為井下礦車調(diào)度系統(tǒng)提供了科學(xué)依據(jù)。

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