基于WIFI技术的矿用机车无线通信与定位系统研究

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基于WIFI技术的矿用机车无线通信与定位系统研究

天地（常州）自动化股份有限公司 曹田兵

【摘要】针对矿山现有机车通信普遍采用的漏泄通信系统可靠性低、功能单一等缺点。本文提出了一种基于WIFI技术的矿用机车无线通信与定位系统的设计方案，该系统实现对矿用机车的通信联络、定位跟踪、调度管理功能。具有信号覆盖范围广、传输带宽高及可扩展性好等优点。很好的解决矿用机车行驶过程中噪音大环境中语音通信质量差的问题，通过对矿用机车的跟踪定位及实时通信调度，有效地避免了矿用机车行驶过程中的可能产生堵塞甚至碰撞的事故。提高了矿用机车的安全生产的效率，具有良好的应用前景。

【关键词】WIFI技术；矿用机车；无线通信；定位

1.引言

矿用机车的通信联络和调度管理是许多煤矿急待解决的一个难题，矿井下的使用的机车主要以架线式及蓄电池式机车为主，井下工人、材料、设备以及煤炭运输还都依赖矿用机车，如何在正常进行工作安排，以及井下机车的交接班、临时调整运人运货班次、紧急情况下的抢险救援等都需要了解到机车所处的位置，在短时间内与目标机车进行通讯联络。本文对现有矿用机车的通信系统存在的问题进行了分析探讨，设计出基于WIFI技术的矿用机车无线通信与定位系统。该系统有效利用WIFI技术[1]，以矿用机车为载体，以光纤网络为骨干，在矿用机车行驶的沿线设立若干基站，以无线网络为延伸，通过无线通信手段，构建出实时的动态的覆盖面广的矿用机车无线通信网络体系，能够通过矿调度指挥中心或机车调度室的调度管理平台监控井下所有机车的运行状态及所处位置，并且对这些矿用机车能够及时有效地进行调度管理。

2.现有矿用机车通信系统存在的问题分析2.1 井下网络覆盖范围有限

现有的机车通信调度方式大多数仍以泄漏通信系统为主，泄漏通信是利用特制的表面连续开孔或疏编的同轴电缆（又称泄漏电缆）沿巷道传输无线信号的通信方式。由于电磁波在沿泄漏电缆传输时不断向周围空间辐射电磁能量，电缆中的电磁信号变得越来越弱，因此漏泄通信系统中通信采用大量的双向中继器来延长通信距离。由于中继器在放大信号的同时，也同时将噪声同步放大，将造成通信质量的下降，严重时将导致系统不能正常使用。而且漏泄通信系统的覆盖距离受到中继器加入的数量影响，只能进行局部范围的信号覆盖。

2.2 设备资金投入大，网络不稳定

由于当前井下机车通信主要依靠漏泄电缆来传输，因此为保障矿用机车的正常作业以及调度指挥中心或机车调度室能够实现对机车运行情况监测及调度指挥，就需要在网络信号覆盖工作区内敷设全段的漏泄电缆及安装若干数量的中继器，这样大规模设备及漏泄电缆的使用，将会极大地增加企业在井下通信方面的资金投入。同时由于漏泄通信系统极易受干扰，且系统中的任一中继器出现故障都会造成该中继器以后的部分整个系统的瘫痪。从而也在无形中增加了企业在设备维护以及检修方面的人力财力投入。除此之外，漏泄通信系统不稳定性也增加了机车在井下作业时的危险性，安全问题得不到全面可靠的保障。

2.3 智能化程度低，可扩展性较差

现有的泄漏通信系统设备科技含量较低，属于模拟通信。也就导致了其智能化程度有待提高。矿用机车司机通常采用手持对讲机来进行通信联络，由于泄漏通信系统极易受干扰且机车在运输行驶过程中的噪音较大，导致手持对讲机通话因杂音大而无法听清楚对方声音。该泄漏通信系统的组网方式简单，配套设备较少，不能有效进行系统的优化及其他功能的扩展，只能够实现单一的语音通信，针对目前井下机车运输的调度管理需要，除了需要可靠的语音通信联络外，还

需要实现对机车的定位跟踪，甚至对机车运行过程中的无线视频监控。以保障井下机车安全高效的服务于矿井的生产。

3.系统总体设计

矿用机车无线通信与定位系统架构如下图

1所示：

图1 矿用机车无线通信与定位系统构架图

矿用机车无线通信与定位系统通过在机车运行沿线安设矿用无线基站，矿用无线基站之间可采用光纤或双绞线进行传输，并可接入工业以太环网与机车调度室内的调度指挥平台连接，形成矿用机车无线通信与定位网络。当安装有车载终端的机车在运行工作的过程中，机车司机可采用车载终端与机车调度员或其他机车司机进行实时的语音通信，并且系统能够对车载终端进行跟踪定位，从而实现对井下机车进行定位[2]。系统具有了抗干扰能力强、通话音量大且音质好、定位准确等优点，极大提高了机车运输的效率，提升了机车安全管理的水平。

4.系统关键技术与关键设备设计4.1 WIFI技术

WIFI，全称Wireless Fidelity，是当前流行的一种无线局域网技术，又称802.11标准，是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准，具有覆盖范围广、可靠性高、传输速率快、有效距离长等特点。IEEE 802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要包括802.11a/b/g标准，其中802.11a工作在5GHz频段上，传输速率可达54Mbps，但是不能兼容802.11b标准。802.11b标准是无线局域网领域应用最为广泛的标准。IEEE802.11规定的发射功率在100毫瓦内，可使该类设备设计成完全符合煤矿安全要求的本安型设备。

4.2 系统无线路由层面的相关技术

当前，无线WIFI技术的开展应用要以路由器为基本设备前提，井下无线网络通信的构建需要面对多项不同应用的路由协议的共同作业。首先是路由协议中的定点协议，通过建立庞大的井下与井上联通的网络，以网络数据控制中心为定点，然后通过对一定范围内的数据节点的联通形成一个完善的基于数据的封闭梯级层次的路由，实现对范围内的无线网络覆盖。这种路由协议是基于查询驱动的，通过节点的建立来发布查询，是被广泛应用的路由协议之一。其次是自适应的分层路由，是将路由覆盖分层化，把需要覆盖的范围划分成多个较

小的区域，并且在各个小区域内设立节点，通过在节点安装数据感应器将区域内的情况传送到数据控制中心。当然，节点数据传送要设定一定的期限规律，从而能够实现对井下状况的定期监测。还有一种路由协议的灵活度、自由度更大，能够通过事件在井下的位移实现网络覆盖，并且通过数据筛选，只向井上传输需要观测的区域的数据情况，而这个过程也是一个建立节点网络的过程。

4.3 系统定位技术

矿用机车的定位采用的是单纯基于蜂窝小区标识的定位方法，由于矿井下巷道为条形通道结构，矿井蜂窝结构也就形成了链状小区覆盖。基于蜂窝小区标识的定位方法就是通过借助蜂窝小区制无线通信系统实现目标的位置估算，把通信区域划分成一个个相对独立的小区，相邻小区实现无缝相连，每个小区分别由一个小区基站来控制，矿用车载终端携带着身份识别，并根据机车运行过程中所处位置隶属相应小区，小区基站同时具有不同的小区编号，系统通过监控矿用车载终端所隶属的小区从而可以定位矿用车载终端的位置，实现机车的跟踪定位。

4.4 矿用车载终端设计

矿用车载终端是矿用机车无线通信与定位系统的关键设备，该车载终端主要由音频编解码单元、音频功放单元、WIFI接口单元、电源管理单元等组成。

矿用车载终端的原理框图如图2所示：

图2 矿用车载终端原理框图

4.5 矿用无线基站设计

矿用无线基站也是矿用机车无线通信与定位系统的关键设备，该无线基站主要由MCU主控单元、以太网接口单元、光端机接口单元、电源管理单元、射频单元、天线等组成，实现桥接及无线信号覆盖。

矿用无线基站的原理框图如图3所示。

图3 矿用无线基站原理框图

5.系统的应用前景分析5.1 系统定位技术应用

对于矿用机车的定位而言，主要是通过WIFI技术实时监控矿用机车的具体位置，矿车在井下的行车轨迹，车辆当前的前进方向等方面。车辆当前的上述情况都能够通过井下通信传输网络及时传达给调度指挥中心或机车调度室的工作人员，从而能够对矿车在作业过程中出现的异常行为进行监控以便（下转第71页）

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障检测电路工作原理图。

图2 光电液位开关工作示意图

DX-600水冷式中波发射机漏水故障检测电路工作原理：以PB3单元为例，整流机柜6U1漏水检测器，经6A5接口板与6A1电源控制板相连，+30V电源经J9-1接漏水检测器红色引线，+5V电源经J9-3接黑色引线，白色引线经J9-7、R101（10k）接漏水故障比较器U12反相输入端，红色引线和白色引线之间接R20（20k）电阻与R101（10k）、R24（9.1k）、地串接，在R24（9.1k）上的分压就是U12-10反相输入端电位，经计算为+7V，U12-11同相输入端为+5V，这样U12-13输出端输出低电平（无漏水故障）。该电平分两路输出：⑴、一路经J10-4、TB2-7、水流开关S6、TB2-6、J10-7、R101（10k）接反相器U11-5输入端，其上拉电阻R101（10k）接+5V，U11-6输出分为两路：一路经R12（10k）送U17缓冲器，发出关断整流电源信号；另一路经J8-7接电源显示板J1-7，经故障锁存电路至DS6冷却故障指示灯显示故障。⑵、另一路信号经反相器U8 4-15、J6-4、TB2-20、PB接口板J2-12、R14（680）接光电耦合器U11-6（发光二极管负端），U11-11输出接U37-61（XC7372），U37为EPLD（可擦除可编辑逻辑器件）芯片。

PB机柜内1U2、1U3、1U4、2U5、4U1漏水检测器上红色引线经TB5端子接1A30（扩展发射机接口板）J29-8上+15V电源，黑色引线经TB5端子接1A30 J29-9上接地端，白色引线分别经相应TB5端子接J29-4、3、2、1、6，再接U11-5、4、3、2、7输入端。U11为漏水PAL（可编程阵列逻辑）块。其逻辑关系相当于五输入与门，倘若一只漏水检测器检测出漏水故障（低电平），U11-23输出低电平信号，经J4-7、控制板J6-7送到故障锁存电路，分为两路：⑴、一路送到故障处理电路，输出故障关机信号送到操作电路，关断PB-200单元操作；⑵、另一路经故障LED锁存电路、J2-17、LED（发光二极管）板J1-17送到故障显示电路中的DS27显示冷却故障。另外U11-21输出端出现低电平，使得DS5（漏水故障）亮红色；U11-18输出低电平，经R57（36）、J25-13、PB接口板J6-13、R27（100）送到U37-57（XC7372）输入端。

送到U37-61、57的漏水检测信号，在EPLD中的逻辑功能相当于二输入与门电路，即任何一个输入为低电平时，U37-47就输出低电平信号。此信号通过缓冲器U10送到J13-18，然后经电缆排线送到PLC数字量输入模块上，转换成相应数据经CPU（中央处理器）模块程序执行，相关数据通过直接通讯模块经DH+线送到TCU机柜PLC扫描模块上，经过数据解析和CPU模块程序运行，

在MMI（人机接口）电台子菜单中显示PB3漏水故障。并且CPU模块发出关机指令也通过DH+线传至PB1、PB2、PB3单元PLC直接通讯模块上，经过CPU模块程序处理，数字量输出模块输出关机指令经PB接口板J14-15送到光电耦合器U17-2（发光二极管负端），U17-16输出低电平，经J8-19、控制板J4-19接操作电路执行关机。TCU机柜PLC扫描模块提供停水泵和风机指令和故障状态指令；停水泵、风机数据指令送到冷却系统控制盘PLC串/并接口后，转换为停水泵、风机低电平信号，使冷却控制板K3继电器线圈失电释放，K3-9、13常开接点断开，使得冷却电源控制箱中主用水泵和四台热交换器风机的交流接触器线圈失电释放，水泵和风机停转；漏水故障状态指令为低电平，这样U1(NPN晶体三极管)截止，DS7（PB冷却故障）指示灯亮红色。

4.DX-600水冷式中波发射机漏水故障处理及维护方法

DX-600水冷式发射机漏水故障，无论是开机或是关机处于低压情况下，都可以检测出来，所以查找故障相对容易。如何快速查找和判断真假漏水故障，应急播出，通过前面介绍的工作原理，可以非常轻松地整理出处理步骤。

发射机出现漏水故障的共同特征：TCU机柜MMI电台控制子菜单显示相应PB单元漏水故障，并且冷却系统控制盘DS7 PB冷却故障指示灯亮红色。

快速判断处理故障：在播出中，出现整部发射机关机，并且水泵、风机停止运行。首先要到TCU机柜MMI检查电台控制菜单是否有漏水故障显示，如果显示PB 1漏水。到PB1单元检查六只漏水检测器周围是否有积水，如果有积水，立即关闭PB1单元上方进/出水闸阀，将PB1单元CB1空开断开，中断PLC供电，并观察补水水箱水位高度，若水位高于最低水位，可以N-1方式播出，即PB2、PB3并机；否之，则及时补水，然后以N-1方式播出。如果没有积水，也就是没有渗漏，直接断开CB1空开，以N-1方式播出。表1所示PB-200单元漏水故障检测正常电平值表。

表1 PB-200单元漏水故障检测正常电平值表

序号

漏水检测器名称1U21U31U4

测试位置U11-5U11-4U11-3

电平

序号

漏水检测器名称2U54U16U1

测试位置U11-2U11-7R14-5

电平

123

+3V+3V+3V

456

+3V+3V+15V

与铜管连接，胶管与铜管用卡具紧固，每次检修都要仔细检查是否有渗水点。每年都要进行一次水路管道清洗和换水工作，检修后复查工作非常重要，确保硅胶管卡具紧固牢靠；曾经出现换水后，硅胶管紧固不牢靠出现漏水，导致6U1漏水检测器检测出漏水故障。系真漏水故障。

（3）定期对漏水检测器进行清洁和接线检查。若积灰尘过多，会造成漏水检测器误动作，造成整部发射机关机故障。系假漏水故障。

（4）对于漏水检测器接线端子和TB5端子接线要格外注意，接线必须牢固可靠。曾经出现过TB5端子一根红线脱出，使漏水检测器+15V电源缺失，导致这个PB单元出现漏水故障。系假漏水故障。

（5）整流机柜中6A5接口板上排线接触不良，导致+30V电源缺失，造成这个PB单元出现漏水故障，需要固定好接线。系假漏水故障。

（6）扩展发射机接口板上U11冷却PAL块故障，导致这个PB单元漏水故障发生，通过测量U11五个漏水状态电压值，发现有两个电压值在+2.5V以下，明显低于正常值+3V，更换相对应的漏水检测器，故障依旧，更换U11，故障排除。系假漏水故障。

（7）整流机柜中线熔断器F4（20A）熔断，造成该PB单元漏水故障，整部发射机停播。这是由于整流机柜内点火板、电源控制板、电源显示板供电取自中线和火线。当中线熔断器熔断后，导致电源控制板供电不正常，电压偏低，致使漏水故障检测电路发出漏水故障信号。此系漏水假故障。建议：可以对整流机柜电路板供电线路改造，增加隔离变压器T3，使用两个相线对整流机柜各电路板直接供电，彻底解决F4熔断器熔断，导致漏水故障这个问题。

一个建议：如果把1A55 PLC电源模块供电前端增加一只电源空断，当出现漏水故障后，只断这只电源空断，就能中断漏水故障信息上传，可以进行N-1播出工作，在低压电存在的情况下，查找假漏水故障根源。

5.结束语

DX-600水冷式中波发射机漏水故障检测电路涉及的器件多、种类多，线路比较复杂，真漏水故障与假漏水故障并存，并且假漏水故障高于真漏水故障。通过前面详细地介绍DX-600水冷式中波发射机漏水故障工作原理及故障处理与维护方法，可以给同机型工作在一线的技术人员一些帮助，更好地维护好水冷系统，确保DX-600水冷式中波发射机安全稳定运行。

参考文献

[l]广播电视设备维护图册(一).DX系列发射机.国家广播电影电视总局无线电台管理局.

[2]DX型大功率中波发射机.广播电视发送与传输维护手册10-1.国家广播电影电视总局无线电台管理局.

[3]GEMS SENSORS,LIQUID LEVEL AND FLOW SENSORS.

作者简介：于春洪（1966—），女，北京人，高级工程师，现供职于国家新闻出版广电总局无线电台管理局，研究方向：无线局教育培训管理。

通过举办几期无线电台管理局DX系列发射机维护技能培训班，对同机型单位提供的漏水故障典型案例和维护经验加以总结，整理出如下维护方法：

（1）PB-200单元内部水路铜管接头都是焊接或者用绿色硅胶软管连接，胶管与铜管用卡具紧固，每次检修都要仔细水路系统是否有渗水点，很多情况都是慢慢渗漏，时间久了，量变转为质变就造成严重事故。曾发生过表冷器铜管接头出现漏水，4U1漏水检测器检测出漏水故障。系真漏水故障。

（2）整流机柜内部水路管道用绿色硅胶管

（上接第69页）及时处理。除此之外，还能够

在保障井下产量的同时通过对矿用机车的跟踪定位避免车辆行驶过程中的堵塞甚至碰撞的事故。通过与矿方现有人员定位系统结合，当机车在行驶的过程中遇到前方有人在行走或作业时，提前以扩音广播的警示语音播放提醒前方行人注意避让，确保行车安全，避免事故的发生。对于矿用机车工作效率的发挥，提高企业安全生产管理水平，都具有极其重要作用。

5.2 系统扩展性功能应用

系统采用WIFI技术实现了矿用机车司机的实时语音通信及跟踪定位功能。除此之外，鉴于WIFI具有覆盖范围广、传输带宽高等特点，系统直接接入矿用IP广播终端可扩展IP广播通信功

能；系统直接接入有线/无线摄像头可实现固定或移动场所的视频监控；系统直接配备矿用多媒体终端能够实现视频、语音、环境数据等多媒体通信功能。鉴于以上诸多可扩展功能，最终可形成综合型通信系统，具有较好的推广应用价值。

6.结语

矿用机车无线通信与定位系统集通信与定位功能于一体，该系统实现了矿用机车的通信联络、定位跟踪、调度管理功能，且具有网络信号覆盖范围广、传输带宽高及可扩展性好等优点，满足了井下机车调度管理的需求，对于提高矿用机车工作效率及企业安全生产管理水平，都具有极其重要作用。系统实用性强、性价比高，具有广泛的应用前景，对于建设现代

化矿井具有重要的意义。

参考文献

[1]程德强,刘伟,钱建生.矿井无线通信技术及其发展趋势[J].工矿自动化,2007(5).

[2]苟怡,郭海军.精确定位技术在煤矿井下的应用研究[J].机电与信息化,2010(8).

[3]姚善化,范骏.矿井跟踪定位通信系统的设计与应用[J].煤炭科学技术,2007,35(2).

[4]祝彦,谭凯，罗剑.基于WIFI技术的矿用机车无线通信系统的应用[J].辽宁工程技术大学学报,2012,10(5).作者简介：曹田兵（1980—），男，江苏东台人，工程师，主要从事矿用通信产品的研制与推广工作。

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基于WIFI技术的矿用机车无线通信与定位系统研究作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：曹田兵天地 常州 自动化股份有限公司电子世界Electronics World2014(19)

引用本文格式：曹田兵 基于WIFI技术的矿用机车无线通信与定位系统研究[期刊论文]-电子世界 2014(19)