SR300單車可識別軌道電子稱系統(tǒng)設(shè)計

羅國平

（樂山師范學(xué)院計算機(jī)科學(xué)系，四川 樂山614000）

0 引言

在煤炭生產(chǎn)領(lǐng)域中，如何有效保護(hù)煤炭資源，隨時監(jiān)測煤礦公司煤炭產(chǎn)量，減少煤礦公司偷稅漏稅違法事件，增加煤礦公司合伙人隨時了解公司煤炭產(chǎn)量的透明度，在稱重過程中如何有效識別煤矸石等技術(shù)是目前煤礦公司亟待解決的問題。為了解決以上問題，近年來在一些煤礦公司安裝了不少軌道稱，市面上電子軌道稱產(chǎn)品很多，其中比較有代表的是重慶大唐測控有限公司研究的電子軌道稱，這種軌道稱采用動態(tài)稱重技術(shù)，因此，只需要串車以正常工作速度開過裝有軌道稱的軌道，電子軌道稱以高速A/D轉(zhuǎn)換(一般要求采樣速度≥200sps)，高速采集數(shù)據(jù)重量數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的算法，就可以獲得串車重量數(shù)據(jù)，即可以監(jiān)測到數(shù)據(jù)，即可計算出該單車的重量。這種軌道電子稱，最大的優(yōu)點是數(shù)據(jù)采集速度快，采用動態(tài)稱重技術(shù)，不需要串車停下來，既然不影響稱重的精度也不影響生產(chǎn)工作，價格低廉，具有方向識別功能，使用方便，因此得到廣泛應(yīng)用。

雖然該軌道稱具有以上優(yōu)點，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，四川安監(jiān)局及相關(guān)稅務(wù)部門提出了一些新要求如何做到單車可識別，單車重量可以詳細(xì)記錄，煤矸石可識別，在稱重過程中自動減除煤矸石重量，各個煤礦產(chǎn)量數(shù)據(jù)實時聯(lián)網(wǎng)等。目前，大多數(shù)煤礦產(chǎn)量監(jiān)測僅限于各個孤立的煤礦點，未能有效地形成一個產(chǎn)量檢測網(wǎng)絡(luò)，因此，如何將煤礦的產(chǎn)量監(jiān)測起來，并將產(chǎn)量數(shù)據(jù)實時聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)實時傳到各個縣監(jiān)控中心，市監(jiān)控中心，省監(jiān)控中心，方便稅務(wù)部門隨時監(jiān)測產(chǎn)量數(shù)據(jù)，減少偷稅漏稅違法事件，是本項目的根本目的。在重慶大唐和四川物聯(lián)恒安有限公司一致努力下，重慶大唐和四川物聯(lián)有限公司聯(lián)合開發(fā)了這套具有單車識別功能的SR300軌道電子稱。

1 電子軌道稱的基本構(gòu)成

電子軌道稱主要由軟件和硬件兩個部分構(gòu)成，硬件部分主要包括DTK2000電子軌道稱,主控電路板、識別卡讀卡器、有源識別卡等。軟件部分主要包括上位機(jī)程序、主控板程序、讀卡器程序和識別卡程序等。系統(tǒng)基本構(gòu)成以大唐DTK2000系列軌道稱為基礎(chǔ),在該系統(tǒng)上集成RFID，通過FRID有效識別單車。將單車采集的重量數(shù)據(jù)與RFID的識別ID相結(jié)合，從而達(dá)到一一識別的目的。

2 技術(shù)問題的關(guān)鍵

RFID目前主要分兩種，一種是有源RFID，另一種是無源RFID，有源RFID信號傳輸較遠(yuǎn)，一般采用射頻模塊以一定的時間間隔發(fā)送ID號，如普遍采用nRF24L01射頻模塊，一般在無障礙物遮擋的情況下可以達(dá)到80米左右；無源RFID一般通過外部天線激勵供電，因此距離很近，一般能達(dá)到4cm左右。在本項目中，顯然只能采用有源RFID。在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計過程中，面臨著幾個技術(shù)難題。有源RFID技術(shù)實際上是通過無線通信模塊如nRF24L01發(fā)送識別ID數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)需要nRF24L01在一定的時間間隔內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收方收到該識別包，就可以判斷對應(yīng)的標(biāo)簽從而達(dá)到識別物體的目的。這種技術(shù)最大的優(yōu)點就是信號感應(yīng)距離較遠(yuǎn)，距離問題即是優(yōu)點也是技術(shù)難點。有兩點難度：一、有源RFID最大的優(yōu)點就是信號傳輸距離較遠(yuǎn)，但是這項技術(shù)用在1.8米左右的車廂上，反而成了缺點，如何解決將RFID識別卡識別距離有效控制在1.8米左右，串車在行進(jìn)過程中，是否能做到識別卡卡號順序與串車單車順序一致，這就是技術(shù)難題，如何能解決單車一對一識別。二、電池供電問題，有源RFID識別卡最大的問題是這種識別卡需要外部供電，因此，使用壽命非常有限，一般能達(dá)到1年左右就不錯了。

如何解決以上兩個技術(shù)難點就這一般采用高聚能電池，我們目前采用的是1400mAH柱式電池供電。 這兩個技術(shù)難題如果能得到解決，項目就很好解決了。

在解決上述問題，我們通過在大唐軌道稱實驗平臺上做了大量的實驗發(fā)現(xiàn)，可以通過調(diào)整識別卡天線的長度控制RFID識別卡信號感應(yīng)的距離，通過反復(fù)實驗，可以控制在1.8米到3米左右，但是如何解決識別卡信號順序問題，這就成了難題。在實際工程實施中，我們將讀卡器安裝在軌道中央，蓋上一個塑料封罩予以保護(hù)。當(dāng)串車過讀卡器時，串車一個個通過識別卡讀卡器，依次讀出識別卡數(shù)據(jù)，就知道這串車的順序了。軌道電子稱一般安裝在煤礦距離出井口20米左右的水平空曠地帶，由于大唐在設(shè)計上做得非?？茖W(xué)，在軌道壓力傳感器上做了兩個壓力傳感器，一個用于稱重，一個用于檢測方向，所以很好配合我們解決這項技術(shù)難題。當(dāng)檢測到軌道稱是出井方向時，讀卡器將讀到的數(shù)據(jù)傳給軌道稱重控制器，軌道稱重控制器，將讀到的重量數(shù)據(jù)和對應(yīng)的識別卡打包，最后傳給上位機(jī)，解析就得到了，該車的重量數(shù)據(jù)。減去每個串車自身的重量，就得到煤炭的重量數(shù)據(jù)。現(xiàn)在的問題是，在很多時候，煤炭出井并不是全是煤炭，可能還有煤矸石，如何識別煤炭和煤矸石，這就是個技術(shù)難題。目前有很多技術(shù)來解決這個難題，如通過灰度識別技術(shù)解決，但是處理起來很麻煩，有待于進(jìn)一步研究解決。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)特點

本套軌道電子稱重系統(tǒng)是在大唐軌道稱重系統(tǒng)和我公司的研制的KJ-129人員定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計的，本稱重系統(tǒng)與以往的軌道稱重系統(tǒng)不同的是：這種稱重系統(tǒng)能夠?qū)Υ囓噹M(jìn)行一一識別，通過我公司研發(fā)的配套上位機(jī)軟件，能準(zhǔn)確地計算出每一輛串車車廂整體重量和車皮重量，并準(zhǔn)確計算出該車廂承載的煤炭凈重量，系統(tǒng)能準(zhǔn)確統(tǒng)計煤炭產(chǎn)煤量，完成煤炭產(chǎn)量監(jiān)控功能,減少偷稅漏稅違法事件以及增加煤礦公司各個股東之間相互監(jiān)督作用；如煤礦公司對本公司產(chǎn)量有異議，也可以通過系統(tǒng)詳細(xì)查詢該公司產(chǎn)煤清單，系統(tǒng)將準(zhǔn)確無誤地列出詳細(xì)的數(shù)據(jù)清單。

3.2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)由識別卡、識別卡讀卡器、稱重控制器、稱重傳感器等設(shè)備組成，每一列串車由若干輛單車組成，每一輛單車上都安裝一個具有唯一編號(ID號)的識別卡，當(dāng)串車從井下運(yùn)送煤炭以≤20KM/h速度到達(dá)地面時，經(jīng)過軌道稱重系統(tǒng)在1～2米范圍內(nèi),首先被識別卡讀卡器檢測到車廂ID號，識別卡讀卡器將收到的車廂ID號按照一定的協(xié)議格式發(fā)送給稱重控制器，當(dāng)串車單車車輪壓在稱重傳感器上時，稱重控制器通過高速A/D轉(zhuǎn)換，迅速獲取整個車軸的重量數(shù)據(jù)，每一輛單車由兩個軸構(gòu)成，當(dāng)連續(xù)獲取到兩個車軸重量數(shù)據(jù)時，表示該單車稱重完畢；識別卡具有檢測串車是否在電子稱附近的功能，在一定時間范圍內(nèi)，稱重控制器讀取識別卡緩沖數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)識別卡讀卡器緩沖為空時，表示整列串車已經(jīng)稱重完畢，然后將數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議格式封包，上傳給上位機(jī)處理。

3.3 異常處理

當(dāng)本系統(tǒng)在稱重過程中出現(xiàn)車軸數(shù)目與對應(yīng)的識別卡個數(shù)不一致的情況，大唐稱重系統(tǒng)會自動查詢稱重識別卡讀卡器，識別卡讀卡器會自動按照一定的數(shù)據(jù)幀格式將收到的識別卡以收卡的順序為隊列的方式發(fā)送給大唐稱重控制器，大唐稱重控制器會自動校正稱重串車的序號，重新封包，確認(rèn)無誤后上傳給上位機(jī)。

當(dāng)出現(xiàn)工作異常的時候，如有人員定位識別卡干擾時，系統(tǒng)會在一定的時間范圍內(nèi)檢測是否有車軸壓在稱重傳感器上，如果沒有軸壓在稱重傳感器上，會自動丟棄該ID數(shù)據(jù)。

當(dāng)出現(xiàn)串車停在稱重軌道稱上時，識別卡讀卡器將保留收到的車廂ID號，稱重控制器將不會結(jié)束本次稱重。

當(dāng)出現(xiàn)串車有一節(jié)或者多節(jié)留在電子秤后面等異常情況時，系統(tǒng)會自動先將稱重完畢的車廂稱重數(shù)據(jù)封包發(fā)送給上位機(jī)，如果后面的車廂接著依次壓在稱重傳感器上，仍然能夠準(zhǔn)確將稱重數(shù)據(jù)獨(dú)立封包上傳。

3.4 工作狀態(tài)及報警信息處理

報警信息包括控制器非法開門報警、識別卡讀卡器故障報警、超限超重報警、車軸數(shù)目與識別卡數(shù)目不一致報警等，報警信息按位組合，封包發(fā)送給上位機(jī)；當(dāng)報警解除后，發(fā)送正常工作狀態(tài)信息。

3.5 上位機(jī)稱重數(shù)據(jù)處理

上位機(jī)程序采用C/S工作模式，支持監(jiān)控、維護(hù)、查詢等操作，當(dāng)收到稱重數(shù)據(jù)后及時解析處理，并顯示對應(yīng)的車號，對應(yīng)的重量數(shù)據(jù)，產(chǎn)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)等；當(dāng)收到報警異常數(shù)據(jù)時，顯示報警信息，報警解除后正常顯示狀態(tài)信息。

4 實驗結(jié)果

本稱重通過栗子坪煤礦基地安裝H&D SR300型遠(yuǎn)程單車識別軌道式稱重系統(tǒng)實地測試。經(jīng)過現(xiàn)場仔細(xì)勘察后，選用栗子坪煤礦主礦井出口10米處的水平地面作為安裝本系統(tǒng)的場地，整個現(xiàn)場只安裝了一個軌道稱重系統(tǒng)，為測試方便，采用3輛礦車作為測試對象，每一輛礦車佩戴一個識別卡，為了方便讀卡器讀卡，現(xiàn)場采取電弧焊接的方式將識別卡安裝在車廂底部裸露處；讀卡器采用地面安裝加防水盒保護(hù)的方式，然后加水泥澆注加固底座。

圖1 串車識別卡安裝位置示意圖

現(xiàn)場采用一臺PC機(jī)作為稱重監(jiān)控測試平臺，該平臺距稱重控制器僅20米左右，非常方便調(diào)試工作。經(jīng)過現(xiàn)場大量的調(diào)試、測試工作，目前基本能完成單車稱重、除皮、單車識別、產(chǎn)量統(tǒng)計、詳細(xì)清單查詢等功能，從測試結(jié)果來看，基本符合預(yù)期要求，但遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控等功能需要外加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配合做進(jìn)一步測試，整個系統(tǒng)安裝調(diào)試基本順利，項目最終結(jié)果等待驗收。串車單車識別卡佩戴機(jī)讀卡器安裝示意圖（參見圖1）。

5 結(jié)論

SR300軌道電子稱是重慶大唐與四川物聯(lián)恒安公司聯(lián)合開發(fā)的具有單車可識別軌道電子稱。是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)電子軌道稱相結(jié)合的產(chǎn)物。該軌道電子稱，目前在四川欪江基地調(diào)試通過，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控產(chǎn)量，稅收等。

［1］魯?shù)さ?王婕.基于灰度的煤矸石識別系統(tǒng)研究[M].北京礦業(yè)大學(xué).