搜索
基于无线技术的井下综合信息平台－WI-FI+zigbee解决方案2013年03月前言21世纪是采矿逐步走向智能化的时代。这是整体科技进步的推动，也是矿产资源消费急剧增长和开采、加工难度日益提高激励的结果。矿业信息化建设的目标是产生数字化矿山。关于数字化矿山目前尚无准确的、公认的定义。综合矿业发达国家矿山信息化建设不同的战略设想以及不同学者对数字矿山概念的表达，对数字化矿山的概念可以表述为由初级到高级的三个层次：矿山数字化信息系统反映真实矿山整体及相关现象的虚拟矿山无人矿井的远程遥控操作和自动化采矿(MineAutomation，Telemining．Roboticmining)。系统概述随着当前新技术特别是无线组网技术的不断成熟和逐步应用，经过长期的考察和研究，并考虑到井下复杂的环境条件下系统的现场实施和后期维护，我矿大胆提出建设《基于无线技术的井下综合信息平台》的设想，此平台主要是采用无线组网的ZIGBEE技术和WIFI技术的有机结合，实现语音通讯、数据传输、视频监控的三网合一，实现“五遥”(即遥控、遥测、遥调、遥信、遥视)功能，具有国际先进水平，尚属首例。具体实现的功能包括：1、井下人员定位；2、井下无轨设备定位及交通管制；3、井下无轨设备和固定设备状态实时监测；4、井下温度、风速、粉尘等环境监测；5、WIFI手机无线通讯；6、无线视频监控；7、人员设备靠近报警；8、进入危险区域或重点防护区域报警；9、井下人员紧急撤离警示及语音提示；10、电子地磅称重等等。整体网络结构本项目涉及全新主要开发课题基于无线技术（zigbee与WIFI）井下综合信息平台的设计与实现多通道多任务通讯规约的设计与实现基于zigbee的车辆自定位算法基于zigbee车载通讯机设计基于zigbee的井下交通信号管制系统的设计与实现井下人机定位及交通管制系统数学模型设计与实现多对象、多目标、多任务智能动态库数学模型设计与实现基于无线技术（zigbee与WIFI）井下环境监测系统其他相关开发设计工作系统主要分为7个大的组成部分Zigbee+WI-FI无线数传子系统；人机定位子系统；无轨设备定位模块人员定位模块交通信号控制子系统；井下环境安全测控子系统；无线语音通讯子系统；无线视频监控子系统；调控中心子系统；Zigbee+WI-FI无线数传子系统Zigbee+WI-FI无线数传子系统；因金矿井下巷道结构复杂、湿度大、腐蚀性强。且为24小时不间断生产。采用有线网络进行系统建设，施工难度大、系统维护与扩容复杂。本系统建设目标是为井下建设多业务综合信息平台，要求系统在建设后具备良好的扩容性，如采用有线网络，满足语音、视频、数据三网合一的多业务平台建设，需要在原有的有线系统进行分支，线路复杂且系统融合性难以把握。综合考虑以上因素，我们提出采用zigbee+WI-FI的无线数传骨干系统。采用当今世界先进的zigbee和WIFI无线技术对整井下进行覆盖，在井下建设一条zigbee与WIFI双网覆盖数据通道，完全满足人机定位、交通信号控制、环境安全数据测控、语音通讯、视频监控等业务的开放性无线数据平台。施工简单、维护方便、扩容便捷。并能够为为未来系统扩容预留足够的支撑能力。系统特点系统先进性：骨干数传系统设计融合了当今世界最先进的zigbee技术和WIFI技术作为基础，系统的设计理念创立了具有国际领先的全无线数字化矿山概念。系统开放性：网络技术设计及网络设备选型遵从国际标准及工业标准，可以满足数字化矿山各种应用的接入需求，使网络具有高度的开放性和技术上的兼容性。系统可伸展性：网络设计在充分考虑当前情况的同时，从分考虑到今后较长时期内生产发展的需要及其他系统的接入需要，留有充分的升级和扩充的可能性。充分利用现有通讯微波资源，为以后扩充到更高速率提供充分的余地。另一方面，还为网络规模的扩展留有充分的余地。WIFI设备选型WIFI组网原理关于带宽损耗：每台设备上面具备两个WIFI无线模块，其一用做链路连接(SU)，另一个用作无线传输与覆盖(AP)。AP接收到WI-FI手机或下一级设备返回数据，经CPU处理送入SU模块，SU模块再向上一级设备AP发送。每两台WI-FI设备间都是保证最高54Mbps的网络带宽，从而保证整个链路带宽不损耗。所有安装的无线设备全部符合802.11b/g标准，每台设备能够达到最高54Mbps的网络带宽。关于时延所安装的无线设备工作在网桥模式，每个无线覆盖点的延迟将基本可控制在2毫秒内，这样系统总延迟将控制在50×2＝100毫秒范围内。关于覆盖：为了保证无线网络信号强度达到更好的覆盖效果，在每台设备上加装10dB全向吊装天线。关于同频干扰：由于井下巷道并非一直线通道，所以在巷道的每一个拐弯处都需要加装一台无线设备，同时巷道与巷道的岩体形成天然隔离屏障，保证设备间同频干扰降到最低。Zigbee+WIFI一体化基站方块图人员身份卡电子车牌定位读卡器信号控制各种传感器各种仪表其他小数据量设备Zigbee无线网络WIFI手机IP摄像机宽带上网WIFI无线网络CPUZigbee基站WIFIAP模块WIFISU模块2.4GWIFI无线上一级基站WIFIAP模块井下zigbee+WI-FI组网示意图Zigbee+WIFI人机定位子系统人员定位模块无轨设备定位模块人机定位子系统新城金矿－353到－550主斜坡道每隔25米放置一个读卡器定位器，卡车配置无线车牌，并在卡车安装一套通讯显示系统显示车辆自身位置和其他卡车位置。其他巷道根据定位要求在巷道、岔口、工作面设置读卡定位器。采集人员车辆位置信息送入无线数传子系统。人员定位模块人员在定位读卡器范围内即可即时在系统上显示，如在盲区会显示盲区人员数量和信息；系统具备行为监测分析功能，对异常卡片（一人多卡）进行记录，备查。人员乘坐交通工具（吉普车）下井时，吉普车车载定位器，读取信息，随车辆定位信息送入调控中心系统，人员上车，下车即可更新记录。危险区域危险区域危险区域控制告警软件参考界面历史查询主界面系统主界面按人员姓名考勤信息查询界面范围人员查询按时间段考勤信息查询车辆定位模块车辆定位功能技术难点：斜坡道车辆众多，运行速度快；斜坡道联外口、中段、巷道口众多且分布密集；车辆定位信息为信号灯系统、避让规则、后台管理系统提供数据支持；因车辆运行速度较快，并且要求卡车实时向中心系统上传准确的位置信息，为信号灯系统提供控制信息，其他车辆和人员根据信号灯系统采取有效的避让措施，保证运矿卡车顺利运行，提高斜坡道运行效率，保障深部提升任务的完成。车辆定位模块实施是否成功关键点在于是否可以真实即时的将车辆的位置信息上报给系统，要求卡车上报位置信息与真实信息时延小（1秒以内）是系统建设成功与否的关键。总结以上问题对卡车定位模块进行了详细的论证分析，采用卡车自定位方式，卡车根据主斜坡道附近定位读卡器反馈场强信息（RISS）进行综合计算，得出自身位置坐标，上报给中心系统，系统根据卡车位置信息触发信号系统规则和通知其他车辆避让。执行序号执行内容说明1卡车轮询定位读卡器卡车主动向附近定位读写器发送请求，要求定位读写器返回位置信息和与定位读写器通讯场强信息。2定位读写器反馈信息定位读写器收到卡车请求，反馈自身坐标和场强信息给卡车3定位卡车根据定位读写器反馈信息计算出自身位置信息，并在自身车在系统显示。4上传卡车将自身ID和位置信息上传至系统5系统处理系统根据卡车定位信息，将信息在电子地图上标绘并进行记录6下发信息系统根据规则向信号系统、其他卡车下发变灯指令和，位置信息广播。通过上述功能的创新，卡车可以在100ms内完成自身定位，通过无线数传系统上传至调度中心，调度中心显示和下发指令灯一系列动作即可在1秒内完成。本项功能的实现，可以完全满足新城金矿车辆定位功能需求，也为生产调度提供了强大的技术支持手段。交通信号控制子系统交通信号控制子系统；信号系统具有自动指挥交通功能，满足多辆车、多种运输方式这一复杂条件下的信号控制。它是根据电卡及沃尔沃在斜坡道上的车位变化而自动改变信号灯的显示，以向其它车辆发出开车、停车、退出干线避让等指示，并实现沃尔沃避让电卡、电卡优先通行，防止发生迎面或追尾事故，确保交通安全，提高通行效率。卡车运行流程信号灯变灯流程车辆上行或下行单车多车当车辆上行或下行时，并不是一台车，可能为2台车或更多车辆同方向行驶。鉴于车辆之间有间隔距离，所以在控制信号灯时应为上行禁止或下行禁止优先权高于绿灯。由于卡车在装矿站装矿，在信号灯控制方面可在-50装矿站、－550米装矿站和-343卸矿场，安装双向读卡器，可判断卡车进出信息。当卡车进入上述区域时，本车对信号灯控制结束，不再控制任何信号灯变灯。流程演示前方慢车让行卡车通过变灯逆向避让电子地磅1.数字式称重传感器采用数字技术，能对温度系数、非线性、滞后和蠕变等进行自动数字化补偿；2.仪表操作方便、功能丰富、存储功能强。3.汽车衡钢结构秤台采用秤台采用U形载面的冷弯型钢组焊成多个梯形封闭腔的平台，整体刚度、抗扭性能及台面的局部刚度都有很大的提高。4.全部构件钢板经抛丸除锈处理，采用环氧富锌底漆和丙稀酸船用漆，耐磨耐压耐老化，防锈性能大大提高，保证了产品质量稳定5.秤台设计模块化、标准化、系列化，可自由组合成多种规格6.系统设计具有防二次雷击功能，整个汽车衡系统环境适应度强、计量性能优越、准确度高、长期稳定幸好、安装调试维护方便，是具有国际先进水平的计量设备。数字式电子汽车衡功能特点：1、模块化、标准化、系列化秤台，多单元组合2、自动复位传力机构3、不锈钢全密封桥式传感器，防水防腐能力强4、数字信号输出，可远距离传输5、环境适应性强：防潮、防腐、抗射频干扰6、故障自诊断，称重数据记忆7、人机对话，键盘设定/校正8、多种存储功能：车号、皮重存储，货物分项累计和总累计存储9、多种数据报表输出/自动打印10、具有防二次雷击及防浪涌电压功能数字式电子汽车衡其他特点：数字变换技术及补偿技术1、称重传感器内部含有模数转换装置及CPU处理单元2、用数字技术实现传感器的非线性、温度性能等叁数的自动补偿3、实现了更换传感器後免校秤的优点数字化校准技术1、使衡器偏载(四角)校准一次自动完成2、可以根据需要修改衡器的量程系数和零点数值，使每只传感器的系数和零点叁数一致数字通讯技术1、总线结构便于多个称重传感器的应用，在同一个系统中最多可接32只称重传感器2、采用RS485总线技术，实现信号的远距离传输，传输距离不小于1000米3、输出数字信号达3-4V，抗干扰能力强，同时提高了系统防雷击能力智能化技术4、可根据软件指令更改传感器特性参数5、故障自动诊断，出错信息代码提示功能6、防止利用简单电路改变称量信号大小作弊井下环境安全测控子系统井下环境监测模块井下设备测控模块井下安全预警模块井下环境监测矿山井下环境是非常复杂的，矿井巷道内的风速、温度、湿度、粉尘、各类气体含量、对矿山井下工作人员的健康乃至生命安全有着重要的影响。现有的井下环境监测系统，多采用有线技术进行网络组建。这类方案的缺点是扩展性能差，布线繁琐。由于采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、磨损，故障发生率较高，误报警率高。采用无线传输方式构建的无线传感器网络恰好可以避免这些问题。相对而言，无线的方式比较灵活，避免了重新布线的麻烦，无线网络可以适应移动或变化的需要。本系统设计了一个基于Zigbee+WIFI无线网络的矿山井下环境监测系统，可以监测井下的温度、湿度、风速和粉尘值等。组网示意图采用zigbee无线终端模块结合温度、湿度、风速等环境监测传感器开发便携式环境监测传感终端设备。所有器件采用低功耗元件，用电池供电可工作工作2～5年，环境监测设备可随需要安装，移动不必受电源及数据线路限制。所有zigbee环境监测传感终端，都可方便的接入基于zigbee+WIFI的无线骨干数传系统中，上传至监控中心。井下设备测控基于无线技术（zigbee+WIFI）的井下综合数据平台同样可以为井下设备测控提供服务。将z