韓忠利 傅陽(yáng)

1.神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司工程師 陜西榆林 719300

2.深圳市翌日科技有限公司產(chǎn)品經(jīng)理 廣東深圳 518000

地下資源勘測(cè)技術(shù)越來(lái)越成熟，隨著開采深度和范圍都在逐步擴(kuò)大，所使用設(shè)備的種類和數(shù)量都在增多，尤其是可移動(dòng)設(shè)備增多，給井下設(shè)備的管理和維護(hù)帶來(lái)了巨大的壓力[1-2]。經(jīng)常找不到移動(dòng)設(shè)備而造成經(jīng)濟(jì)損失，人工審查物資耗時(shí)耗力且容易出現(xiàn)漏檢。部分礦井可通過(guò)帶有無(wú)線定位功能的設(shè)備識(shí)別目標(biāo)設(shè)備的位置信息，但是對(duì)于沒(méi)有信號(hào)覆蓋的盲區(qū)則不能有效獲取設(shè)備的信息[3-4]；同時(shí)，對(duì)于設(shè)備的異常出井的情況也會(huì)疏于監(jiān)控。

1 現(xiàn)有的設(shè)備管理手段

在現(xiàn)有的礦山環(huán)境中，井下資產(chǎn)采用人工管理方式通常存在設(shè)備管理混亂、設(shè)備遺失、人工盤檢效率低下、漏檢、無(wú)法跟蹤而長(zhǎng)期擱置等問(wèn)題[5-6]。部分采用物資管理平臺(tái)，將設(shè)備信息保存在二維碼或條碼中，但不能主動(dòng)錄入設(shè)備信息且紙質(zhì)條碼容易丟失[7-9]。同種設(shè)備在礦井的不同階段，產(chǎn)品的廠商、型號(hào)也會(huì)不同，有基于射頻識(shí)別技術(shù)的方案來(lái)建立設(shè)備檔案的數(shù)據(jù)庫(kù)，但是其依然需要人員近距離讀取設(shè)備信息，射頻裝置耗電較大且不能主動(dòng)上報(bào)設(shè)備信息，依然給設(shè)備檢修帶來(lái)了極大不便[10-12]。因此，缺乏物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，很難全面的實(shí)現(xiàn)對(duì)井下設(shè)備全生命周期的追蹤管理。

2 基站定位的生命周期管理系統(tǒng)

基站定位的生命周期管理系統(tǒng)由定位標(biāo)識(shí)卡、手持機(jī)、定位基站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、主機(jī)等設(shè)備以及軟件平臺(tái)系統(tǒng)組成[13-15]。標(biāo)識(shí)卡為礦工個(gè)人佩戴設(shè)備，通過(guò)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)ZigBee/IEEE802．15．4通信協(xié)議與讀卡主站和讀卡輔站相連，獲得定位卡在礦井中的位置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備從入庫(kù)、使用、維護(hù)、修理、改造、更新直到報(bào)廢全生命周期的精準(zhǔn)定位和管理。

當(dāng)標(biāo)識(shí)卡經(jīng)過(guò)讀卡分基站時(shí)，分基站將接收到其ID碼，并將此編碼信息隨同分基站自身的地址碼一起通過(guò)信息傳輸接口傳送給主機(jī),從而使主機(jī)獲取該移動(dòng)目標(biāo)的當(dāng)前位置信息；標(biāo)識(shí)卡能夠識(shí)別物品在井上井下，當(dāng)設(shè)備異常出井時(shí)報(bào)警，從而加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的管理；對(duì)于信號(hào)盲區(qū)的標(biāo)識(shí)卡，使用手持機(jī)掃描到設(shè)備信息后，能夠離線存儲(chǔ)設(shè)備信息在手持機(jī)中，到有信號(hào)的地方再將設(shè)備信息上傳，解決信號(hào)盲區(qū)設(shè)備無(wú)法管理的問(wèn)題；從而更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山的物資設(shè)備信息的采集與管理。系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)的拓?fù)鋱D

2.1 標(biāo)識(shí)卡

標(biāo)識(shí)卡采用卡片式設(shè)計(jì)，邊角采用大圓角設(shè)計(jì)，減少碰撞的可能性，整體輕便美觀，并且材料防火阻燃，結(jié)構(gòu)內(nèi)部澆膠密封防水防塵；與上層定位系統(tǒng)雙向通信，支持存儲(chǔ)和修改信息，支持磁鐵激勵(lì)和手持機(jī)讀寫功能。標(biāo)識(shí)卡的外部無(wú)按鍵，有低電和信號(hào)指示兩個(gè)燈。正常工作時(shí)信號(hào)指示燈每隔15秒以綠燈輕微閃爍一下，當(dāng)觸動(dòng)“求救”信號(hào)時(shí)，指示燈以紅燈閃爍并伴有蜂鳴聲；標(biāo)識(shí)卡的電量正常時(shí)以3．7V的直流電壓工作時(shí)，指示燈以綠燈輕微閃爍，電量不足時(shí)低電燈以紅燈輕微閃爍。標(biāo)識(shí)卡的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 標(biāo)識(shí)卡的結(jié)構(gòu)示意圖

標(biāo)識(shí)卡的天線采用IFA天線，無(wú)線信號(hào)覆蓋的范圍為400m，定位精度可達(dá)1-3米，接收靈敏度為-75dBm，發(fā)射功率小于20dBm。采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)具有低功耗、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，主芯片采用JN5168和RFX2401C，待機(jī)電流控制在20uA，電池容量為4000mAh，每15秒發(fā)出一次數(shù)據(jù)，可正常工作5年，具有8K存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)物品設(shè)備的相關(guān)文本信息。

標(biāo)識(shí)卡在接入電池后開始工作，MCU控制射頻芯片以觸發(fā)方式周期性地發(fā)射其標(biāo)識(shí)卡ID碼信號(hào)。具體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 標(biāo)識(shí)卡的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 手持設(shè)備

手持機(jī)的激勵(lì)方式為對(duì)標(biāo)識(shí)卡的霍爾元件激勵(lì)，激勵(lì)距離為10厘米，可對(duì)標(biāo)識(shí)卡的無(wú)線發(fā)射頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。手持機(jī)標(biāo)識(shí)卡管理軟件的功能包括基礎(chǔ)信息管理、信息查詢、維修記錄管理、修改RSSI頻道。可對(duì)標(biāo)識(shí)卡號(hào)、名稱、電壓、狀態(tài)、周期等基礎(chǔ)信息進(jìn)行增刪改查，可按篩選條件進(jìn)行讀取和顯示，可對(duì)維修記錄進(jìn)行增刪改查，可修改標(biāo)識(shí)卡的RSSI頻道，并將這些信息反饋至服務(wù)器。

2.3 定位基站

定位基站為礦用本質(zhì)安全型基站，用于實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)卡的定位和數(shù)據(jù)采集，并上報(bào)到服務(wù)器，也可將服務(wù)器的指令下發(fā)給終端。輸入電壓為9-36V，單個(gè)基站覆蓋距離要不小于400米，配有三個(gè)百兆光口、五個(gè)電口，可接入井下環(huán)網(wǎng)，最多可同時(shí)接收最多40張標(biāo)識(shí)卡的定位信息。

2.4 資產(chǎn)管理軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)分為4大功能模塊，共12個(gè)子功能。功能模塊包括資產(chǎn)信息登記、設(shè)備盤點(diǎn)、軌跡查看、實(shí)時(shí)報(bào)警、推送同步服務(wù)?？蓪?shí)現(xiàn)綁定標(biāo)識(shí)卡卡號(hào)后可實(shí)時(shí)顯示卡的位置信息，可增刪改查設(shè)備信息；查看指定區(qū)域內(nèi)的所有設(shè)備及實(shí)時(shí)位置；特定設(shè)備在井下軌跡的查看并支持導(dǎo)出；當(dāng)未申請(qǐng)?jiān)O(shè)備出井的情況下，若設(shè)備非法出井，則會(huì)發(fā)出報(bào)警；當(dāng)標(biāo)識(shí)卡的電量低于3V的閾值時(shí)，發(fā)出低電報(bào)警，當(dāng)標(biāo)識(shí)卡未按設(shè)定的周期進(jìn)行定位和數(shù)據(jù)發(fā)送，則發(fā)出工作異常警報(bào)；當(dāng)設(shè)備離開登記時(shí)的工作區(qū)域時(shí)，發(fā)出區(qū)域報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，保證有限的帶寬下系統(tǒng)的效率依然高、異常情況能迅速的恢復(fù)正常、特定領(lǐng)域的特定要求亦能滿足。

軟件包括入網(wǎng)模塊，定位模塊，求救模塊，撤離模塊，其工作流程圖如圖4所示。其中，重點(diǎn)論述入網(wǎng)模塊和定位模塊。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖

3.1 入網(wǎng)模塊

標(biāo)識(shí)卡需要加入讀卡主站的網(wǎng)絡(luò)，才能開始進(jìn)行定位。其工作流程為：

（1）定位主站廣播AVAILABLE幀，表明自己有接收標(biāo)識(shí)卡入網(wǎng)的能力。

（2）標(biāo)識(shí)卡發(fā)送REQUEST，向定位主站申請(qǐng)入網(wǎng)。

（3）定位主站回復(fù)ACCEPT，接受標(biāo)識(shí)卡入網(wǎng)。

3.2 定位模塊

當(dāng)標(biāo)識(shí)卡加入網(wǎng)絡(luò)后，即周期性進(jìn)行定位操作，定位周期為5秒鐘。為進(jìn)行省電操作標(biāo)識(shí)卡在非定位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行休眠。讀卡主站、讀卡輔站分別和標(biāo)識(shí)卡做TOF測(cè)距，根據(jù)兩者測(cè)距的結(jié)果D1和D2，由定位主站計(jì)算出標(biāo)識(shí)卡的實(shí)時(shí)位置。在一次定位中，定位主站或定位輔站為Master端，標(biāo)識(shí)卡為Slave端。定位測(cè)距拓?fù)淙鐖D5所示。具體的流程如下：

（1）標(biāo)識(shí)卡休眠。

（2）定位時(shí)刻到來(lái)，標(biāo)識(shí)卡醒來(lái)。

（3）讀卡主站與標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行TOF測(cè)距，標(biāo)識(shí)卡為被動(dòng)回應(yīng)。

（4）讀卡輔站與標(biāo)識(shí)卡進(jìn)行TOF測(cè)距。

（5）讀卡輔站向讀卡主站發(fā)送TOF_LOCATOR_FINISH，上報(bào)自己與標(biāo)識(shí)卡的測(cè)距結(jié)果。

（6）讀卡主站向標(biāo)識(shí)卡發(fā)TOF_STATION_FINISH，代表一次定位結(jié)束。

（7）標(biāo)識(shí)卡再次休眠。

（8）讀卡主站根據(jù)兩次測(cè)距結(jié)果計(jì)算定位，將定位結(jié)果向信息傳輸分站上報(bào)。

圖5 定位測(cè)距拓?fù)鋱D

4 結(jié)語(yǔ)

基站定位的設(shè)備生命周期管理中，標(biāo)識(shí)卡體積小、易安裝，手持機(jī)支持離線上傳定位，上層軟件支持報(bào)警、監(jiān)控、信息管理功能?？蓾M足設(shè)備入井后的移動(dòng)軌跡監(jiān)控，設(shè)備的入井時(shí)間、出廠日期、品牌型號(hào)等特征信息的查詢，設(shè)備異常出井時(shí)的報(bào)警，信號(hào)盲區(qū)用手持設(shè)備離線上傳數(shù)據(jù)的設(shè)備管理等功能，達(dá)到提高設(shè)備的利用率和安全性的目的。同時(shí)，在檢修換件時(shí)，通過(guò)生命周期軟件精準(zhǔn)定位目標(biāo)設(shè)備，節(jié)約大量核查和檢修時(shí)間，大大提高檢修效率。