張海鵬

（山西陽城陽泰集團(tuán)竹林山煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105）

引言

架空人車作為煤礦井下重要的輔助運(yùn)輸設(shè)備，承擔(dān)著輸送曠工的重任，工作可靠性要求較高[1]。架空人車工程具有安裝簡便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、適合大傾角遠(yuǎn)距離輸送、人員容易上下、成本低廉、能源消耗少等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在煤炭行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。當(dāng)前運(yùn)行過程中的架空人車依然存在較多的安全隱患，出現(xiàn)制動失靈、鋼絲繩脫落等安全事故，事故發(fā)生時的首要反應(yīng)就是停車[4]。但是架空人車通常是僅在機(jī)頭設(shè)置司機(jī)，事故發(fā)生時司機(jī)不能接收到機(jī)頭之外的停車信號，只能是事故當(dāng)事人探出轎廂拉動巷道預(yù)設(shè)的緊急停車控制線進(jìn)行停車處理，不能保證架空人車及時停車甚至導(dǎo)致事故擴(kuò)大[5-6]。為了提高架空人車運(yùn)行過程的安全性能，以型號為RIKY75的架空人車為研究對象，設(shè)計(jì)基于無線語音通信技術(shù)的架空人車監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)架空人車司機(jī)與乘客之間的信息溝通具有重要的意義。

1 架空人車概況

型號為RIKY75的架空人車應(yīng)用較為廣泛，其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)如下：電動機(jī)型號為YBBP-315S-6，功率為75 kW；減速器型號為B311VHC-71-HX，減速比為71；驅(qū)動輪和迂回輪的直徑尺寸為1 500 mm；軌道布置為井上108 mm，井下160 mm；鋼絲繩的型號為22NAT6×31WS+FC-1670ZZ，其距離軌道的高度尺寸為2 460 mm，鋼絲繩間距為1 000 mm；吊椅間隔為14 000 mm，托繩輪間隔為8 000 mm；高速軸制動器型號為BYWZ4B-400/80，制動扭矩為1 460N·m，驅(qū)動輪輪邊制動器型號為YQP120-C208A，制動力54 kN；架空人車運(yùn)行時的繩速為1.06 m/s。根據(jù)煤礦企業(yè)對于架空人車控制設(shè)計(jì)需求，需要對其設(shè)計(jì)一套監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)頭司機(jī)、轎廂和監(jiān)控室之間的語音信息溝通。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于無線語音通信技術(shù)的架空人車監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案如圖1 所示，其組成包括監(jiān)控終端和監(jiān)控中心，前者設(shè)置在煤礦井下架空人車的轎廂內(nèi)，后者布置于井上的監(jiān)控室內(nèi)。監(jiān)控終端采用型號為S3C2440A的嵌入式處理器、配置語音芯片和TP-LINK 無線網(wǎng)卡，能夠完成音頻信號的采集與編解碼、信號數(shù)據(jù)的無線傳輸、乘坐人數(shù)檢測等功能。監(jiān)控中心配置普通PC 機(jī)1 臺，能夠連接局域網(wǎng)，完成整個監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與控制，包括與井下轎廂的語音通信、乘坐人數(shù)查詢、轎廂報(bào)警處理等功能。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

局域網(wǎng)搭建關(guān)系如下：井上PC 機(jī)與煤礦井下主路由器之間由網(wǎng)線連接，主路由器與巷道內(nèi)部的無線路由器之間由網(wǎng)線連接，無線路由與轎廂之間為無線連接方式。架空人車在井下巷道內(nèi)輸送長度約為1 000 m，無線路由器信號發(fā)射半徑范圍為室外300 m，室內(nèi)100 m，以80 m的發(fā)射半徑計(jì)算，整個架空人車線路上需要布置13 個無線路由器即可滿足監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

3 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由S3C2440A 處理器模塊、電源時鐘模塊、存儲模塊、無線網(wǎng)絡(luò)模塊等組成。

圖2 硬件總體結(jié)構(gòu)

3.1 S3C2440A 處理器模塊

S3C2440A 處理器模塊由三星公司開發(fā)，采用高性能的ARM920T 內(nèi)核，在電壓為1.3 V 時，工作頻率高達(dá)533 MHz；支撐Linux、Windows 等多種操作系統(tǒng)；采用獨(dú)立的16 kB 指令和數(shù)據(jù)Cache；內(nèi)部配置較高，設(shè)由60 個中斷源，24 個外部中斷源，130 個復(fù)用I/O，可擴(kuò)展性好；4 通道16 位定時器，具有PWM功能，時鐘控制準(zhǔn)確。

3.2 電源時鐘模塊

電源作為監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵電力來源，是保證系統(tǒng)正常可靠工作的前提條件，關(guān)系著監(jiān)控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，還與礦工的安全息息相關(guān)。監(jiān)控終端系統(tǒng)需要置于井下架空人車的轎廂內(nèi)部，不具備獲取生活用電或者工業(yè)用電的條件，確定采用7.2 V 2 000 mAh的鎳鎘電池供電。系統(tǒng)各個模塊所需的電壓伏值大小包括3.3 V、1.8 V、1.25 V，首先由LM2596 電壓調(diào)節(jié)器將7.2 V 電源調(diào)節(jié)至5 V，然后經(jīng)ASM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片獲得3.3 V 和1.8 V的電壓電源，1.25 V 電壓由MAX8860 供給。S3C2440A 內(nèi)部集成了PLL 片上時鐘發(fā)生器，具有USB Hose 和USBDevise的時鐘，最大可達(dá)到400 MHz的CPU 工作時鐘。

3.3 存儲模塊

S3C2440A 處理器不具備存儲功能，需外部配置存儲器，要求支持支持大/小端；總線訪問寬度范圍涉及8/16/32/位；配置8 個大小為128 MB 存儲器，其中之一為可編程設(shè)置開始地址，支持掉電和自刷新功能。外部存儲器包括ROM和RAM兩種。ROM在系統(tǒng)掉電時不會丟失數(shù)據(jù)，RAM可讀可寫，但在掉電時數(shù)據(jù)丟失，多用于存儲過程數(shù)據(jù)。ROM選擇Flash Memory（閃速存儲器），具有很好的數(shù)據(jù)存儲和保存功能，嵌入式Nand Flash 具有很好的單元密度，非線性存儲，擦除/寫入時間約為4 ms，擦寫次數(shù)為100 萬次。通過S3C2440A 引腳發(fā)出的控制指令實(shí)現(xiàn)語音等數(shù)據(jù)的存儲。

3.4 無線網(wǎng)絡(luò)模塊

監(jiān)控系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)選擇Wifi 技術(shù)，配置無線路由和無線網(wǎng)卡，搭建煤礦井下架空人車的有線/無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)與控制信息的雙向傳輸。設(shè)置300 M無線路由為基站，發(fā)射范圍室外可達(dá)300 m，室內(nèi)可達(dá)100 m；無線網(wǎng)卡選擇54MUSB，單個無線基站準(zhǔn)許接入約100 個用戶，各個基站之間采用橋接模式，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可達(dá)幾十公里。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，包括硬件層、設(shè)備驅(qū)動層和應(yīng)用程序?qū)?，軟件設(shè)計(jì)是指驅(qū)動層和應(yīng)用程序?qū)拥脑O(shè)計(jì)，主要包括聲卡驅(qū)動、無線網(wǎng)卡驅(qū)動、音頻采集/播放設(shè)計(jì)等模塊。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4.2 聲卡驅(qū)動

監(jiān)控系統(tǒng)聲卡驅(qū)動采用Wavedev2 模式，通過IOControl 帶 入IOCTL_WAV_MESSAGE 與waveapi子系統(tǒng)配合使用控制硬件。Wavedev2 模式來自于微軟公司，設(shè)計(jì)過程中繼承了傳統(tǒng)的MMD/PDD 分層結(jié)構(gòu)，能夠可靠控制相關(guān)聲音的操控，如喇叭、耳機(jī)、麥克、聽筒等。與此同時，設(shè)置了完備的API 接口函數(shù)，可在C++等編譯環(huán)境下直接使用，API 函數(shù)中的參數(shù)會傳入驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)語音功能。

4.3 無線網(wǎng)卡驅(qū)動

系統(tǒng)選擇型號為TP-LINKWN321G的無線網(wǎng)卡，可直接插接USB 口實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)幀和控制信息的傳輸，其遵循了802.11g 協(xié)議，運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)傳輸速率接近55 Mbps，具有很好的穿墻性能，室內(nèi)應(yīng)用覆蓋范圍可達(dá)100 m。無線網(wǎng)卡由設(shè)計(jì)人員向運(yùn)營商直接索要，采用的是USBwifi.dll 驅(qū)動，直接加載至WINCE 系統(tǒng)中使用。

4.4 音頻采集/播放設(shè)計(jì)

音頻數(shù)據(jù)的采集和播放程序編制時采用了RecordO 和DisplayO 函數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時音頻循環(huán)采集與播放功能由DMA 實(shí)現(xiàn)，減少CPU 處理時間，音頻的編碼和解碼由CPU 實(shí)現(xiàn)，提高處理效率，將解碼和編碼分開執(zhí)行。系統(tǒng)涉及兩種語音通信，第一是煤礦井上井下礦工之間的溝通通信，對于語音效果要求較低，選取8 kHz 采樣頻率；第二是煤礦井上井下之間的廣播通信，架空人車轎廂僅需播放功能，設(shè)計(jì)全雙工音頻通信功能，具體控制流程如圖4所示。

圖4 語音通信流程

4.5 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)用戶與監(jiān)控系統(tǒng)的對話，界面的設(shè)計(jì)采用Visual C++軟件中的MFC 應(yīng)用程序。開啟監(jiān)控系統(tǒng)的第一步是用戶登錄，包括用戶名和密碼，允許本地和遠(yuǎn)程通過用戶名密碼進(jìn)行訪問。登錄完成之后即可進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)的主控界面，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與各個轎廂之間的語音通信。監(jiān)控系統(tǒng)語音通信模塊具備以下3 個功能：第一是對指定的轎廂進(jìn)行語音通信，確保井下礦工出現(xiàn)為難時可及時與監(jiān)控中心求助；第二是對所有轎廂進(jìn)行廣播，確保監(jiān)控中心人員可以及時傳達(dá)相關(guān)指令或者通知；第三是對所有轎廂進(jìn)行語音播報(bào)，包括輕音樂、安全知識等，確實(shí)做到轎廂與監(jiān)控中心之間的實(shí)時信息溝通。

5 應(yīng)用效果評價

為了驗(yàn)證架空人車監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效果，將其應(yīng)用于型號為RIKY75的架空人車中進(jìn)行測試，進(jìn)行了為期半年的跟蹤記錄。應(yīng)用結(jié)果表明，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控中心與各個轎廂之間的實(shí)時語音通信功能。相關(guān)專業(yè)人士統(tǒng)計(jì)得出，相較于普通控制系統(tǒng)，基于無線語音通信技術(shù)的架空人車監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用提高了智能化和安全程度，故障應(yīng)急反應(yīng)時間降低近60%，降低了架空人車故障停機(jī)時間約10%，預(yù)計(jì)為企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益100 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。