基于DGPS技术的煤场智能装运系统设计与实现

刘增宝　张红岩　边红星　靳明　任贺贺

摘 要：由于煤场环境复杂，煤炭种类繁多，易发生装载机错装、混装，会给公司带来不必要的损失，文章设计了一种基于DGPS（Differential Global Positioning System）技术的煤场智能装运系统。以STM32为主处理器，利用差分定位技术设计差分定位信息采集模块，以获取装载机车定位信息，利用GPRS（General Packet Radio Service）通信技术设计GPRS通信模块为装载机提供车辆调度，差分定位、称重信息的上传，煤种信息的获取等服务，利用软件设计技术，设计监控终端和数据处理服务器提供煤种区域划分、地图更新，装载机差分定位位置实时分析，装载机错装警告，装载历史数据查询等功能，以提高工作效率。测试表明，该系统数据准确，信号转发能力强，能够满足应用需求。

关键词：装载机；DGPS；GPRS；过程监控

中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）17-0001-04

Abstract： Due to the complex coal yard environment and the variety of coal， it is easy to misload and mix the loader， which will bring unnecessary losses to the company. This paper designs an intelligent loading system of coal yard based on DGPS （Differential Global Positioning System） technology. With STM32 as the main processor， the differential positioning information acquisition module is designed using differential positioning technology to obtain the positioning information of the loader， and by using the GPRS （General Packet Radio Service） communication technology， the GPRS communication module is designed to provide the vehicle scheduling for the loader. Differential positioning， weighing information upload， coal information acquisition and other services， using software design technology， design monitoring terminal and data processing server to provide coal classification， map update， loader differential positioning location real-time analysis， loader error loading warning， loading historical data query and other functions to improve work efficiency. The test results show that the system has accurate data， strong signal forwarding ability and can meet the application requirements.

Keywords： loader； DGPS； GPRS； process monitoring

目前，煤炭裝载过程中对煤种划分不明确，在装载运输过程中对车辆定位信息的不精确，无法对装载机进行实时监管，不利于提高煤矿装运效率，影响煤矿产业发展[1]。如何能够提供一套有效的煤场智能装运机制是解决煤场监管问题的关键，技术的不断进步与发展为煤场装载流程的管理提供了新的方法。

高精度GPS差分定位技术（DGPS）[2]是指固定在某一地点的基站接收机和另一台移动站接收机同时连续观测相同的GPS卫星，根据已知的参考点定位信息，计算出参考点定位信息的修正系数，通过GPRS通信网络发送给移动站接收机，改进移动站接收机的定位精度，经过测试定位精度可以达到20cm以内，可以满足对装载机实时位置的精确定位。RFID技术[3]可以实现对车辆信息的读取，

GPRS通信技术实现数据的传输与接收，借助这些信息化技术，本文设计了一套基于DGPS技术的煤场智能装运系统，可以实现对装载机实时定位信息查看、装载量的统计、装载机合理调度、装载过程的实时监管，防止发生司机故意错装，偷懒等不良的煤炭装运现象，提高装运效率。

1 系统总体设计

煤场智能装运系统由装载机智能装运差分定位移动终端、差分定位服务基站、数据处理服务器和GIS定位服务器等几个部分组成。系统可以通过差分定位移动终端、GIS定位服务器和数据处理服务器完成对储煤场地图的标定，也可以通过数据服务器对装载机进行调度[4-5]。通过定位卫星差分定位服务基站获取差分校准值，将校准值发送给数据处理服务器，数据服务器再将校准值信息通过GPRS通信发送给差分定位移动终端，从而精确地获取装载机实时定位信息；通过射频识别模块完成对IC卡车辆信息的读取；通过GPRS通讯模块实现实时接收与传输数据[6]。过磅系统通过储煤场专网，将运煤车辆过磅信息传输给数据处理服务器，以实现联动分析。系统可以完成车辆信息传输，定位信息、计量信息的上传，调度信息的读取等服务。系统网络架构如图1所示。

2 差分定位终端硬件设计

差分定位终端由薄膜按键、蜂鸣器、指示灯、射频模块、差分定位模块、液晶显示、GPRS模块、主处理器等几个部分组成。差分定位终端的硬件框架如图2所示，终端选用芯片型号为STM32F103VET6作为主处理器[7-8]，是一款基于ARM Cortex-M3 32位的微处理器，CPU最高速度达72MHz，内置大容量存储器，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设，具有价格低廉，外设丰富，性能优异等优点。计量终端通過RS232电路将计量信息通过串口发送给处理器，同时，处理器接收差分定位模块所获取的定位信息并通过GPRS模块实时地将差分定位等相关信息上传到服务器[9]。当网络无法连接时，电源控制开关能够控制GPRS模块进行重启，也可以处理刷卡信息，并在液晶屏上进行显示。系统发生异常时，蜂鸣器会发送警报。薄膜按键负责录入按键数据，指示灯显示系统当前工作状态。

2.1 电源管理模块设计

电源管理部分采用LM2596S芯片，它是一款降压开关调整器，具有3A负载能力，LM2596S能够输出固定电压，也可以输出小于37V的各种电压。LM2596S工作频率为159KHz，效率最大达90%，带有限流、过热、短路保护功能。LM2596S工作范围支持-40℃-125℃，最大支持40V电压输入，最小支持4.5V电压输入[10-11]，图3为电源管理模块设计原理图。电路中使用0欧电阻1个，100uF/50V电容1个，100uH电感1个，型号为SS34二极管1个，0.1uf电容1个，330uF/25V电容一个，LM2594S-5.0降压芯片1个。电源管理模块是将电源电压转换成各个模块的工作电压，使整个系统进入稳定工作状态。

2.2 差分定位信息采集设计

差分定位信息采集模块采用Hemisphere系列P201全新一代高性能的三星七频RTK定位接收机，支持BDS B1，B2，B3；GPS L1，L2；GLONASSG1，G2[12]。P201支持单精度差分和高精度差分模式，当无校准值信息时，进入单精度差分模式，定位精度大5m以内，当接收到校准值信息，进入高精度差分模式，定位精度达20cm以内。它具有372个数据通道，三个全双工串口，1个外部DGPS差分专用端口，1个USB接口，支持ROX，RTCM2，RTCM3.0，RTCM3.2，CMR，CMR+等多种差分数据格式。图4是差分定位信息采集模块部分的原理图。电路中使用10K电阻2个，1K电阻1个，SS8050三极管1个，型号为AO3401mos管1个，0欧电阻1个。该部分电路主要实现差分定位信息的获取及转发。当模块无法工作时可以控制GPS_C引脚对模块进行重启。

2.3 GPRS数据输出设计

GPRS数据输出模块采用有人物联网系列USR_GPRS232_7S3无线数据透传模块，通过AT指令设置，实现串口到网络的双向数据透明传输[13]。该模块支持四频通信，全球通用，使用2G网络，支持4路网络连接同时在线，具有短信透传模式、网络透传模式、HTTPD模式、UDC模式四种工作模式，可以使用扩展指令集建立、维持及关闭网络连接。图5是GPRS模块的原理图。电路中使用1K电阻5个，LED二极管2个，SS8050三极管3个，10K电阻2个，型号为AO3401mos管1个，0欧电阻1个，0.1uf电容1个，100uF/16V电容1个。该部分电路主要实现网络数据的传输与接收。当模块无法工作时可以控制GPRS_C引脚对模块进行重启，模块正常工作时D12指示灯常亮，当模块与网络通信时，D13指示灯点亮。

2.4 射频信号处理及液晶显示部分

射频信号部分采用MFRC522模块，MFRC522是一款高度集成射频芯片，发送模块利用调制和解调的原理[3]，将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中（13.56MHz），支持多种工作模式，其内部集成电路，可直接与IC卡进行通信。在读写模式中通信距离高达50mm，支持SPI接口，串口UART接口和I2C接口，本次设计采用标准的SPI数据接口，最大传输速率为10Mbit/s，拥有64bit的发送和接收缓存区，具有硬复位功能。

液晶显示部分采用武汉中显科技有限公司旗下SDWe系列VGUS4.3高亮串口屏。该液晶屏分辨率为480*272，拥有1000亮度流明，128K变量存储空间和256字节寄存器空间，以及128M字节Flash存储器空间，可扩展到1G字节。单页最大支持128个显示变量，集成实时时钟RTC，支持背光亮度调节，自动待机屏保功能，可外接矩阵键盘，同时采用了JPG数据压缩算法和连续存储模式[14]，极大地提高了存储效率和存储图片的数量。

3 定位终端软件设计

系统采用C语言编程，在Keil5环境下编译、调试，基于DGPS技术的煤场智能装运系统主程序流程图如图6所示。系统上电后对硬件进行初始化，实现各个模块功能的初始化，接着差分定位模块通过定位天线寻找定位信息，通过GPRS天线寻找无线网络，连接网络后，进行网络初始化，连接服务器。接着初始化应用，开辟数据存储区，执行装载机装运流程程序 [15]。主处理器持续采集装载机差分定位信息，如果有其他任务要处理，先处理其他任务，然后通过GPRS网络将定位信息转发到服务器，如果没有其他任务要处理，直接转发信息到服务器，最后等待新的差分定位信息到来。

4 系统运行效果

如图7所示，差分定位移动终端实物图。在实验环境中分别测试差分定位模块定位精度、服务器的数据收包率。

首先对差分定位终端差分定位精度进行测试，测试人员携带一个差分移动终端，差分定位终端STM32处理器会采集差分定位信息，通过串口向测试软件发送差分定位信息，测试软件显示效果如图8所示，同时根据经纬度坐标，我们在地图上找到该位置，显示与测试人员位置一致，经过反复测试，结果显示本系统所采用的差分定位模块定位精确，定位精度在20cm以内。

接着对服务器的数据收包率进行测试，通过调整定位终端的程序，人为规定定位终端1分钟内30个数据包，通过服务器的观察发现，每分钟内收包个数都在29-30之间，且都是正确数据。

在长时间的测试下，系统稳定运行，由此可见，本文设计的基于DGPS技术的煤场智能装运系统具有定位精确，数据准确，数据转发能力强，稳定性高等优点。

基于DGPS技术的煤场智能装运系统，结合DGPS定位，重量测算，安全预警技术、数据采集、数据传输、数据处理等技术，完成了煤场装运系统的智能化，可以减少煤矿企业由于分类不清导致的损失，提升装载机设备，监测和优化煤炭装置流程，提高工作效率，为企业提供跨平台服务。

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