本科毕业设计矿山井下架空人车监控通讯系统文档格式.docx
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架空人车；
NRF24L01+；
CAN总线
Abstract
Inourcountryhavemostofthemineslopeminingmethod,withthecontinuousextensionofthemine,moreandmorevehiclestotransporttheoverheadminepersonnelassignment,toreducetheconsumptionofenergyandtimeforstaff.Buttheexistingcablecartransportsystem,howusesthestatesignaltriggermode,whenthereoccurs,inouemonitoringpersonnelcannotunderstandthesituationverywell,sothatnotonlythereareserioussecurityhiddendangerandisnotconvenienttotheimplementationofthecontroldecisions.
Thisdesignundergroundaerialmancarcommunicationmonitoringsystemmainlydividesinto:
capsulesmachine,relaystationandconsolethreeparts.Capsulesmachineformineoverheadmancar,incapsulescapsulesmachinesysteminstalledinthemachinecanmakeitwithrelaystationbymoduleNRF24L01+communication.Relayisinstalledontheoverheadofvehiclerunningtunnel,namelycapsulesmachineorbit,toacertaindistancedistributionisusedforreceivingandsendingthecarmachineandcontroldata.Consoleisinstalledontheground,adisplayandvoicemodule,throughCANbusandrelaycommunication,inthespecifiedcapsulesmachinevoicecallsandreal-timemonitoringofrunningstateoftherestofthecapsules.
Keywords:
wirelesscommunication;
aerialropeways;
NRF24L01+;
CANbus
附录C实物图片
0前言
煤矿生产不仅关乎国家财产和人民生命安全，还关乎整个社会和谐稳定。
随着我国经济的不断发展和人民生活水平的不断提高,“安全”这个词汇已经深入人心，人们已经对生活和生产中的安全问题加大了重视，生产安全也一度被定为最热的话题。
本系统就是应生产生活的需要，本着“安全第一”的原则，对矿井中实际遇到的问题和难题而设计的系统。
在过去的很长一段时间内，矿山井下的巷道是没有可以载人通行的车辆的，工人需要徒步上下矿井，这大大的增加了工人的体力消耗，也降低了生产效率，给生产工作带来了很大的不便。
为了提高工作效率，减少工人的体力消耗，在矿山井下建设架空人车系统是非常重要的。
河南省耿村煤矿斜井人车运输存在巷道底板因矿压变形的问题，解决问题需要大量的工作，因此，采用架空运输人车系统对原运输车进行改造是一个最为理想的方案。
井下运输设备主要有斜井机和架空人车两种。
架空人车与斜井机相比较，架空人车系统的电机功率远远小于斜井机的电机功率，可节约大量的电能与生产成本，也大大地降低了运行的成本。
架空人车系统的结构简单、维护方便、能够连续工作、可多轿厢同时工作，运输效率更高。
架空人车系统的安全性能远高于斜井机，功率远小于斜井机，对电能的节省效果非常明显，在矿山井下人员运输领域，具有前景非常好的应用前景，架空人车系统也会给企业带来良好的经济效益和社会效益。
架空人车系统安装的适应性强，可以在大倾角、长距离及复杂变坡巷道环境的安装使用，具有上下人员方便、载人量大、操作简单、维护方便、一次性投资低、动力消耗小、可节约运行成本等优点。
大量矿井采用的都是斜井机运输，不仅工作效率，更重要的是影响行车安全的因素多，运行和维护成本高。
1矿山井下架空人车及无线通讯技术概述
1.1矿山井下架空人车简介
矿山井下架空人车系统，是煤矿井下人员运输设备，负责运输煤矿工作人员上下矿井或远距离运输人员使用。
矿山架空人车系统由驱动电机设备、牵引绳索、拖拽绳索装置、人员乘坐的轿厢机、变坡点装置、迂回轮装置、张紧绳索装置及电机控制装置等部件组成。
架空人车系统的工作原理为：
牵引绳索安装在驱动轮、拖拽绳轮、压绳轮、迂回轮、张紧绳索轮上，呈无极封闭系统，经载重锤拉紧后，由驱动设备带动电动机输出动力带动减速电机上的驱动轮转动，输出大的力矩，利用牵引绳索和驱动轮之间的摩擦力带牵引绳索做循环运动，沿一定的轨迹运行，轿厢机由抱索器与牵引绳索锁紧，随牵引绳索运行来运输工作人员。
架空人车系统的电机与轿厢实景图如图1-1所示。
图1-1矿山井下架空人车实景图
Fig.1-1UndergroundaerialvehicleVirtualMap
但是架空人车系统在运行中还存在一些危险问题，例如制动闸失效，引起的飞车事故、牵引绳索意外脱落等事故。
架空人车一般只有机头司机，机尾不设置信号工人，而事故多发生在司机视野盲区的地方，事故发生时的紧急解决方法主要靠轿厢内人员身体探出轿厢，拉动巷道内预设的紧急停车控制线来完成停车，但是此方法难以及时停车，从而造成事故的进一步恶化。
另一方面，由于员工下班时身体疲惫，精神萎靡或进入睡眠状态的情况，容易在乘坐架空人车的时候出现坐车越位或与巷道发生摩擦擦伤皮肤，甚至会从车上掉落等严重后果。
目前架空人车的控制系统主要是对其运行进行控制，主要涉及启停控制、速度控制、紧急停车保护控制、过速欠速保护控制等方面。
而很少有对轿厢内人员进行监控和语音通信的控制系统。
在架空人车系统工作过程中，设计一个通讯监控系统让控制台人员和轿厢内人员保持实时联系。
通过监控控制系统实时了解轿厢内部的情况，以方便做出相应的调整，保证架空人车的正常运行。
1.2矿山井下无线通讯技术概述
1.2.1无线通讯技术的发展历程
远距离无线通信已经有一百多年的历史，可以追溯到1901年马可尼将电报信息发送到一千八百英里外的大西洋彼岸。
无线传输技术在20世纪经历了无线电、雷达扫描、电视信号、卫星和移动电话等不同的发展和应用阶段。
在20世纪70年代末期，蜂窝无线通讯和个人通讯系统进入快速的发展阶段，这个时期是无线通讯技术发展的黄金时期，相继成功达到了第一代蜂窝系统（1G）、第二代蜂窝系统（2G）和第三代蜂窝系统（3G），到目前为止，无线通讯技术已经在现代社会中为人们提供了无处不在的移动通讯服务，能够满足人们语音通讯、数据传输、图像传送等诸多的需求。
无线通讯网络，顾名思义是利用无线电磁波而非线缆来实现与设备位置无关的网络数据传输系统，是现代数据通讯系统发展的一个非常重要方向。
随着计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的相互渗透、结合，产生了新型基于无线技术的网络化智能传感器的全新概念。
这种基于无线技术的新型智能传感器，使得工业现场的数据能够通过无线线路直接在网络上传输、发布和共享。
无线通讯技术能够在工厂、野外等环境下，为各种智能控制设备、移动机器人控制以及各种自动化设备之间的通讯提供高带宽的无线数据线路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下能够充分的弥补有线网络的不足，进一步完善了工业控制的通讯性能。
无线通讯技术尤中移动通讯技术的发展，给无线通讯技术在工业控制领域的应用提供了坚实的技术基础，从上世纪80年代就普遍应用的电台与远程RTU，到近几年开始崛起的各种国际标准的中、短程无线通讯技术，此项技术已经逐渐渗透入工业控制领域中了。
无线通讯技术已经成为现场总线、工业以太网技术后工业控制领域的又一个全新领域，国际主流自动化供应商与专业生产厂商所推出的无线通讯产品层出不穷，而近几年来的工业重点是无线局域网技术与中、短程无线通讯网络。
无线通讯进入工业控制领域的前景毋庸置疑。
目前主流无线通讯技术与标准主要含有WLAN、Bluetooth、Zigbee、WiMax、GSM/GPRS/CDMA等。
1.2.2常用无线通讯技术原理及应用
目前，在工业自动化领域中无线通讯技术协议主要内容是：
对于可用于现场设备层的无线短程网络，采用的主流协议是IEEE802.15.4（例如ZigBee）；
对于大数据容量的短程无线通讯，则是IEEE802.15.3；
而对于适应较大传输覆盖面积和较大量信息传输的无线局域网络，采用的是IEEE802.11系列。
其应用的重点是无线短程网络、无线局域网络及GPRS/CDMA网络[3]。
（1）无线通讯传感器网络（SensorNetworks）
现场设备层无线通讯技术迅速进入工业控制领域，其中一个技术核心是现场总线和无线通讯技术的结合。
以Zigbee无限网络为例，其特点是：
1）功耗低：
由于工作周期短、收发信息功耗较低且可以采用休眠模式节约功耗。
2）数据传输可靠性高：
采用了避免碰撞机制技术，同时为需要固定带宽的通讯业务预留了专用通道，避免了发送数据时的竞争和冲突，减少了错误和乱码的几率。
3）网络容量大：
一个Zigbee网络可以容纳一个主机设备和最多65536个从机设备，一个区域内最多可以同时存在100个Zigbee网络。
4）时延小：
针对延时敏感的控制做了优化，通讯延时和休眠激活的延时都非常短。
设备搜索延时典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入延时为15ms。
5）兼容性：
与现有的控制网络标准无缝集成。
通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取。
为了可靠传递，提供全面的握手协议。
6）安全性：
Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
7）实现成本低：
模块的硬件成本较低。
典型的产品和应用为：
2004年Honeywell推出的基于ZigBee协议的无线变送器XYR5000系列；
OMRON的无线链接DeviceNet现场总线主机WD30-ME和从机WD30-SE；
德国schildknecht公司推出的无线Profibus-DP产品DE3000系列；
ABB在瑞典的Boliden加工厂利用Ember协议的无线技术进行的无线通信评估试验。
（2）无线局域网WLAN（WirelessLAN）
自从1977年第一个民用网络系统ARCnet投入运营以来，无线局域网以其广泛的适用性和价格较低等方面的优势，获得了成功并得到了快速的发展。
然而，在天津大学硕士学位论文《基于无线通讯技术的管网叠压装置集散监控系统》的研究现场，一些工业环境限制了使用电缆进行通讯，有线局域网络很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了进一步的发展和应用。
随着近年来微电子技术的不断革新和发展，无线局域网络技术将在工业控制的网络中发挥不可替代的作用。
在工业自动化控制领域，有成千上万的测量元件、感应器，检测器，计算机，PLC，读卡器等设备，需要相互连接在一个控制网络上，通常这些设备提供的都是RS-232或RS-485通讯协议的借接口。
无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的RS-232串口通讯信号与无线局域网及以太网络信号之间进行相互转换，符合无线局域网IEEE802.11b和以太网络IEEE802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通讯协议，高效的解决了工业设备的联网通讯问题。
无线网通讯协议可采用IEEE802.3来实现点一对一的无线传输方式或采用IEEE802.11实现多对一的无线传输方式，也可以在普通局域网的基础上，通过无线Hub、无线接入站、无线网桥、无线Modem及无线网卡等来实现，在这些方法中，工业现场以无线网卡使用最为普遍。
有线固定网络与无线局域网相比之下，无线局域网组建自动化工业网络更有优势：
1.无线网络拓扑更适合工业控制网络的应用：
支持RS-232工业设备一对一的连接。
2.支持广播的拓扑：
多个RS-232工业设备可组成对等的网络，互相通讯。
（RS-232通讯协议无法支持多对一通讯）。
客户机/服务器的拓扑，每个RS-232工业设备都可以简单、快捷的接入无线网络中，极大程度的提高了信息分析处理能力。
3.无需重新布线，省去了施工造成的成本：
无线局域网利用无线电波传输信号，解决了于难于布线的环境中搭建数据传输网络的技术性难题。
4.稳定安全性提升：
在工业控制现场，铺设的线缆及其容易受到外界的接触导致破损，无线网络则保证了网络的安全性与稳定性。
5.覆盖范围较广：
无线局域网在开放空间覆盖半径可达达550米，室内一般覆盖半径为300-400米，通过室外无线设备传输距离可以达到几十公里，可是同样存在着缺点，那就是无限信号的穿墙能力弱。
无线局域网现主要应用在远程视频传输、安防管理系统、生产设备联网自动化、医疗/实验仪器联网自动化、工业/流程联网控管等领域。
（3）蓝牙无线技术（Bluetooth）
蓝牙无线通讯技术是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年，共同提出的近距离无线数字通讯的技术标准。
从提出该技术至今，蓝牙技术的发展极其迅速。
蓝牙作为一种新生的，短距离无线通讯技术标准，受到全世界范围内的越来越多的工业生产厂家与研究机构的重点关注。
近几年来，世界上一些权威的标准化组织，也都在考虑蓝牙技术的标准是否有缺陷。
例如，IEEE的标准化机构，已经成立了802.15工作组，专门关注有关蓝牙技术标准的兼容性问题和未来的发展方向等问题。
IEEE802.15.2TG2是探讨蓝牙如何与IEEE802．11b无线局域网技术共存的问题；
而IEEE802.15.3TG3则是研究未来蓝牙技术，向着更高速（如10-20Mbits/s）传输发展的问题。
国内的一些生产厂家与研究部门也准备开始组织蓝牙技术产品的研发。
蓝牙是取代数据电缆的短距离无线通讯技术，工作频段是全球开放的民用的2.4GHz频段，可以同时进行数据、语音、图像等传输，传输速率可达到10Mb/s，使得在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源共享。
蓝牙技术的应用极其广泛且富有潜力。
它可以应用于无线设备、图像处理设备、安全设备、娱乐设备、汽车产品设备、家用电器、医疗健身、建筑、玩具等领域。
（4）GPRS技术
GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分组无线通讯业务）是一个叠加在GSM上专为高速数据通讯而设计的新型网络，属于分组交换数据的承载和传输的一种方式，称为2.5G数字移动通讯技术，是GSM向3G移动通讯发展的必经阶段。
它充分利用了现有的移动通讯网络的设备，通过在GSM网络上增加一些硬件设备和软件算法上的升级形成的一个新型的网络逻辑实体，手机通话继续使用GSM，而数据传输则使用GPRS。
它采用分组交换方式传输数据，理论上最高数据速率可达170Kbps，客户可以在移动状态通话的同时使用各种高速数据传输业务。
通俗的说，GPRS是一项高速数据处理的科技，它是以分组交换技术作为技术基础，将移动用户和数据网络之间建立起来联系，用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务。
GPRS目前支持TCP/IP和X.25业务、GPRS空中接口加密、GPRS附加业务、增强型短信业务、GPRS分组数据计费等等，其中最显著的是TCP/IP和X.25功能，可以通过TCP/IP和X.25提供电子邮件、WWW浏览、专用数据、LAN接入等业务。
GPRS采用分组交换技术，在数据业务的承载和支持上具有显著的优势，每个用户可同时占用多个无线传输通道，同一无线传输通道又可支持由多个用户互相共享，能将无线网络上的信息资源利用的更加充分，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输；
支持的数据传输速率更高，理论最快速度可达170Kbps；
按数据流量计费的计算方式更加灵活；
GPRS还支持在进行数据传输的同时进行语音通话。
本次系统设计根据应用的实际情况采用Zigbee无线通讯技术，并以此为基础实现架空人车系统的监控、控制、语音通讯等功能。
2架空人车通讯监控系统整体方案设计
2.1整体系统结构及功能的设计
矿山井下架空人车通讯监控系统的主要功能是地面控制室人员对架空车厢进行实现监控，架空车厢内的人员可以在意外事故发生时按下紧急按钮，及时的通知地面控制室采取有效的安全措施，阻止事故的发生。
由于架空人车在工作中不停的移动，传统的有线传输无法在架空人车上进行安装，因此本设计采用无线通讯模块作为架空人车和地面控制室人员进行信息交换和语音传输的传输工具。
但是井下和地面间的距离太远，而且线路不是直线，单纯的只用无线模块无法将数据完好的传输至地面的控制台，由于这种现实情况的限制，我们在井下和地面间设立了中继站，中继站通过无线模块和架空人车通讯，再通过CAN总线将数据传输至控制台，进而间接地实现了架空人车和控制台的通讯。
综上所述，可将整个系统主要分为三个部分：
架空人车的轿厢通讯机（以下简称轿厢机），中继站和控制台（地面的总控制室）。
轿厢机安装在架空人车的轿厢内，控制台安装在地面的控制室内，控制室的人员通过控制台监控轿厢的运行状况并与轿厢内的人员通讯。
中继站安装在轿厢运行的巷道内，将轿厢机的数据通过无线接收到中继站，再将接收到的数据通过CAN总线传输到控制台。
在地面控制室安装控制台，地面人员通过控制台和轿厢内人员进行语音通讯，并监控各个轿厢运行状况。
系统设计的整体框图如图2-1所示。
图2-1系统设计整体框图
Fig.2-1Allsystemblockdiagram
车厢与上控制台通过中继站收发无线信号进行语音通信，轿厢中的工人可以随时向地面控制室报告车厢的运行状态并请求相关指令，控制台也可以随时询问各个车厢的运行状态以便做出相应的调整。
如果地面控制台距离较远，可以在矿井和控制台间增加中继站以确语音保通讯的质量和轿厢的信息指令准确。
系统设计完成以后，控制台可以一对一选择不同的车厢进行通讯，也可以以广播的方式对各车厢播报一些信息，每个车厢中工人也可主动要求与控制室进行通讯，实现双向通讯。
系统的各部分功能及实现方案如图2-2所示。
图2-2系统功能结构图
Fig.2-2Systemfunctionstructurechart
2.2轿厢机系统设计
轿厢机是本系统被监控的主要部分，是整个设计的核心。
在这部分中主要分为无线通讯模块，语音编解码模块，电源模块以及主控制器。
另外，为了提供更好的人机交互界面和方便的可操作性，轿厢内部还设有有按键部分。
图2-3为轿厢机系统的组成。
图2-3轿厢机系统组成
Fig.2-3Subsystemsofcablecar
2.3中继站系统设计
中继站作为控制台和轿厢机间的纽带，用于传输控制台和轿厢机的数据，主要工作方式是通过无线模块接收轿厢机的信号并读出其中的数据，然后再经CAN总线将接收的数据发送给控制台。
其主要由电源模块，无线通讯模块，CAN总线接口以及主控制器组成。
其结构框图如图2-4所示。
图2-4中继站系统组成
Fig.2-4Nodemachinesubsystems
2.4控制台系统设计
控制台主要完成与轿厢机系统的通讯，确保监控功能与语音通讯的实现。
在控制台的工作人员可以通过按键来设置通讯方式，选择是以广播方式发布消息，还是一对一的方式和某一个车厢进行通话这时需要通过按键来选择通讯的对象，同时在显示屏上可以实时显示当前控制器所处的工作模式和通话轿厢的编号，如图2-5所示为控制台系统的结构框图，其中包括语音通讯与处理模块，键盘控制模块，主控制器模块、显示模块以及CAN总线接口。
图2-5控制台系统组成
Fig.2-5Controlroomsystemcomponents
上述为系统的总体结构的设计，下面主要对轿厢机，中继站和控制台三部分进行介绍。
3轿厢机系统设计
3.1轿厢机结构设计
轿厢机系统安装在架空的乘人轿厢中，车内的人员通过轿厢机系统与井上控制台人员通讯。
轿厢作为被监控的对象，是整个系统设计的主要组成部分。
工作人员在乘轿厢下井的过程中，需要随时和地面上的控制台保持联系，为了确保轿厢正常运行和工作人员的人身安全。
如图3-1所示，在轿厢机系统中，装有主控芯片，无线通讯模块，语音编解码模块等。
工人可以随时向控制台发出通话请求建立通讯，同时也可以在没有通话时接收控制台的广播信息，方便执行任务。
图3-1轿厢机系统
Fig.3-1cablecarsystemcomponents
3.2轿厢机的硬件设计
3.2.1轿厢机主控制器电路
主控制器是整个设计的控制核心，无线通讯和语音的编解码都由单片机的控制来完成。
考虑到整个系统对单片机的运算速度和资源的要求，本设计中采用的主控制器芯片是MK60DN512ZVLQ10（简称K60）。
MK60DN512ZVLQ10单片机是
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