無線通信在無極繩脫軌監測的應用

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1無極繩連續牽引車系統脫軌監測的難點和方案

在無極繩連續牽引車系統運行過程中，梭車沿軌道運動，位置不斷變化，在軌道的任何位置都有可能出現脫軌的情況。因而脫軌監測傳感器必須安裝在梭車上。脫軌監測傳感器跟隨梭車沿軌道運動，監測信號無法通過固定信號電纜傳輸至信號處理模塊；另外，監測傳感器安裝在梭車上，無法通過電纜直接供電。基于以上兩方面的原因，經過綜合分析，采用無線信號傳輸技術解決脫軌監測傳感器信號的傳輸問題。

2無線信號傳輸技術分析

2.1目前工業領域的無線網絡標準。（1）Bluetooth（藍牙）：Bluetooth是一種近距離無線通訊的技術標準。藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多點通信。Bluetooth技術在煤礦井下瓦斯等安全監控系統中應用較廣泛，但由于傳輸距離短，顯然不適合短則幾百米，長則上千米的軌道運輸。（2）Wi-Fi：Wi-Fi技術成熟、傳輸速率高、網組能力強、覆蓋范圍廣，但是功率高、技術復雜、實現的成本較高。Wi-Fi技術在煤礦井下人員定位系統中應用廣泛。Wi-Fi工作在2.4GHz頻段內，最大數據傳輸速率為11Mpbs，使用范圍在室外為300m，在辦公環境中為100m，且只允許一種標準的信號發送，顯然不滿足要求。（3）ZigBee：ZigBee是一種新興的低功率、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術，是一個由多個無線數據傳輸模塊組成的無線數據傳輸網絡平臺，十分類似于移動通信的CDMA/GSM網。每一個ZigBee網絡數據傳輸模塊類似于移動網路的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m，擴展到幾百米甚至幾千米。主要應用領域包括無線數據采集、無線工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫用設備控制、遠程網路控制等場合。2.2ZigBee技術優勢。（1）功率低：在低功率待機模式下，兩節普通五號電池可使用6~24個月。（2）成本低：ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，大大降低了成本。（3）網絡容量大：網絡最多可容納65000個設備。（4）延時短：典型搜索設備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。（5）網絡的自組織、自愈能力強，通信可靠。（6）數據安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和健全功能，采用AES-128加密算法，各個應用可靈活確定其安全屬性。可見，ZigBee技術在低功率、低成本和組網能力上具有無可比擬的應用優勢。通過綜合分析幾種工業無線通信技術，筆者認為ZigBee在低信噪比的環境下具有很強的抗干擾能力。在相同環境下，抗干擾能力遠遠好于Bluetooth和Wi-Fi。2.3標準選取。通過比較可以發現，ZigBee無線通信技術特別適合煤礦井下無極繩連續牽引車脫軌監測系統具有低功率、低成本、占有系統資源少、組網方便、傳輸距離遠等優勢。因此，選用ZigBee無線通信技術開發無極繩連續牽引車脫軌監測系統。

3基于ZigBee的監測系統設計

本文設計的無極繩連續牽引車脫軌監測系統如圖2所示。該系統主要由檢測發射模塊、接收傳輸模塊和接收報警模塊組成。由安裝在無極繩連續牽引車梭車上的檢測發送模塊檢測到脫軌信號并通過ZigBee無線傳輸芯片發送給安置在牽引車所在巷道幫部的多個接收傳輸模塊中的一個或多個，接收傳輸模塊在收到脫軌報警信號后通過無線或有線通信方式把信號發送給接收報警顯示模塊，接收報警顯示模塊根據接收到的信號來進行報警顯示，提示操作人員停止牽引車的運行，同時自動切斷電源，停止牽引車運行并閉鎖。（1）檢測發射模塊：模塊由接近開關、無線發送裝置、電池組組成（圖3）。兩個接近開關分別安裝固定在梭車對角的兩個輪子附近，感應面貼近軌道來感應輪子是否脫軌。這樣不管出現什么樣的脫軌總有一個接近開關能夠感應到并輸出信號。無線發送裝置固定在梭車上，當裝置接收到接近開關發送的脫軌信號并經過處理后，驅動ZigBee模塊把報警信號通過無線方式發送給接收傳輸模塊。（2）接收傳輸模塊：模塊由無線接收裝置、電源模塊組成（圖4）。無線接收裝置按照一定距離依次安裝在無極繩連續牽引車軌道所在的巷道幫部，接收牽引車運行過程中可能出現的由檢測發射模塊發送的脫軌報警信號。裝置接收到信號后通過CAN總線方式或無線方式傳送給接收報警顯示模塊。（3）接收報警顯示模塊（圖5）：模塊通過ZigBee模塊或CAN總線接收由接收傳輸模塊發送過來的數據信號，通過解析后判斷脫軌情況，通過顯示模塊進行報警顯示處理，并作出停電、閉鎖反應。

4結論

將ZigBee無線通信技術應用于煤礦無極繩連續牽引車脫軌監測系統能很好地滿足系統對低功耗、低成本無線通訊的需求。基于ZigBee無線通信技術組網方便、抗干擾能力強的優點，特別適合于煤礦井下軌道運輸系統的監測監控。此種監測系統也可用于其他場合軌道運輸的監測監控。

作者:馬泉磊 陶海龍 張立 單位:臨沂礦業集團菏澤煤電公司彭莊煤礦