無(wú)線通信在無(wú)極繩脫軌監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

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1無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)系統(tǒng)脫軌監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)和方案

在無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，梭車(chē)沿軌道運(yùn)動(dòng)，位置不斷變化，在軌道的任何位置都有可能出現(xiàn)脫軌的情況。因而脫軌監(jiān)測(cè)傳感器必須安裝在梭車(chē)上。脫軌監(jiān)測(cè)傳感器跟隨梭車(chē)沿軌道運(yùn)動(dòng)，監(jiān)測(cè)信號(hào)無(wú)法通過(guò)固定信號(hào)電纜傳輸至信號(hào)處理模塊；另外，監(jiān)測(cè)傳感器安裝在梭車(chē)上，無(wú)法通過(guò)電纜直接供電。基于以上兩方面的原因，經(jīng)過(guò)綜合分析，采用無(wú)線信號(hào)傳輸技術(shù)解決脫軌監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)的傳輸問(wèn)題。

2無(wú)線信號(hào)傳輸技術(shù)分析

2.1目前工業(yè)領(lǐng)域的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。（1）Bluetooth（藍(lán)牙）：Bluetooth是一種近距離無(wú)線通訊的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。Bluetooth技術(shù)在煤礦井下瓦斯等安全監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛，但由于傳輸距離短，顯然不適合短則幾百米，長(zhǎng)則上千米的軌道運(yùn)輸。（2）Wi-Fi：Wi-Fi技術(shù)成熟、傳輸速率高、網(wǎng)組能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣，但是功率高、技術(shù)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)的成本較高。Wi-Fi技術(shù)在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。Wi-Fi工作在2.4GHz頻段內(nèi)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mpbs，使用范圍在室外為300m，在辦公環(huán)境中為100m，且只允許一種標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)發(fā)送，顯然不滿(mǎn)足要求。（3）ZigBee：ZigBee是一種新興的低功率、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一個(gè)由多個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類(lèi)似于移動(dòng)通信的CDMA/GSM網(wǎng)。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)路的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m，擴(kuò)展到幾百米甚至幾千米。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括無(wú)線數(shù)據(jù)采集、無(wú)線工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車(chē)自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)路控制等場(chǎng)合。2.2ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)。（1）功率低：在低功率待機(jī)模式下，兩節(jié)普通五號(hào)電池可使用6~24個(gè)月。（2）成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，大大降低了成本。（3）網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)最多可容納65000個(gè)設(shè)備。（4）延時(shí)短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。（5）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠。（6）數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和健全功能，采用AES-128加密算法，各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。可見(jiàn)，ZigBee技術(shù)在低功率、低成本和組網(wǎng)能力上具有無(wú)可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。通過(guò)綜合分析幾種工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)，筆者認(rèn)為ZigBee在低信噪比的環(huán)境下具有很強(qiáng)的抗干擾能力。在相同環(huán)境下，抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Bluetooth和Wi-Fi。2.3標(biāo)準(zhǔn)選取。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)特別適合煤礦井下無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)脫軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有低功率、低成本、占有系統(tǒng)資源少、組網(wǎng)方便、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。因此，選用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)發(fā)無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)脫軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3基于ZigBee的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)脫軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由檢測(cè)發(fā)射模塊、接收傳輸模塊和接收?qǐng)?bào)警模塊組成。由安裝在無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)梭車(chē)上的檢測(cè)發(fā)送模塊檢測(cè)到脫軌信號(hào)并通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸芯片發(fā)送給安置在牽引車(chē)所在巷道幫部的多個(gè)接收傳輸模塊中的一個(gè)或多個(gè)，接收傳輸模塊在收到脫軌報(bào)警信號(hào)后通過(guò)無(wú)線或有線通信方式把信號(hào)發(fā)送給接收?qǐng)?bào)警顯示模塊，接收?qǐng)?bào)警顯示模塊根據(jù)接收到的信號(hào)來(lái)進(jìn)行報(bào)警顯示，提示操作人員停止?fàn)恳?chē)的運(yùn)行，同時(shí)自動(dòng)切斷電源，停止?fàn)恳?chē)運(yùn)行并閉鎖。（1）檢測(cè)發(fā)射模塊：模塊由接近開(kāi)關(guān)、無(wú)線發(fā)送裝置、電池組組成（圖3）。兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)分別安裝固定在梭車(chē)對(duì)角的兩個(gè)輪子附近，感應(yīng)面貼近軌道來(lái)感應(yīng)輪子是否脫軌。這樣不管出現(xiàn)什么樣的脫軌總有一個(gè)接近開(kāi)關(guān)能夠感應(yīng)到并輸出信號(hào)。無(wú)線發(fā)送裝置固定在梭車(chē)上，當(dāng)裝置接收到接近開(kāi)關(guān)發(fā)送的脫軌信號(hào)并經(jīng)過(guò)處理后，驅(qū)動(dòng)ZigBee模塊把報(bào)警信號(hào)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給接收傳輸模塊。（2）接收傳輸模塊：模塊由無(wú)線接收裝置、電源模塊組成（圖4）。無(wú)線接收裝置按照一定距離依次安裝在無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)軌道所在的巷道幫部，接收牽引車(chē)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的由檢測(cè)發(fā)射模塊發(fā)送的脫軌報(bào)警信號(hào)。裝置接收到信號(hào)后通過(guò)CAN總線方式或無(wú)線方式傳送給接收?qǐng)?bào)警顯示模塊。（3）接收?qǐng)?bào)警顯示模塊（圖5）：模塊通過(guò)ZigBee模塊或CAN總線接收由接收傳輸模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)解析后判斷脫軌情況，通過(guò)顯示模塊進(jìn)行報(bào)警顯示處理，并作出停電、閉鎖反應(yīng)。

4結(jié)論

將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于煤礦無(wú)極繩連續(xù)牽引車(chē)脫軌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能很好地滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)低功耗、低成本無(wú)線通訊的需求。基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)組網(wǎng)方便、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于煤礦井下軌道運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控。此種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可用于其他場(chǎng)合軌道運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)測(cè)監(jiān)控。

作者:馬泉磊 陶海龍 張立 單位:臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電公司彭莊煤礦