矿用车载监控系统的设计与实现①

□□ 郑俊华，李栋庆

(1.山西职业技术学院，山西 太原 030006；2.山西科达自控股份有限公司，山西 太原 030006)

引言

目前世界上固体矿产采集技术的2/3采用露天开采技术。露天开采技术能够对矿山资源进行充分的利用，非常适合大型机械施工，但从20世纪90年代以来，随着机械设备自动化程度的提高和露天矿规模的扩大，煤炭的采运成本越来越高，其中运输成本为采运成本的主要因素，因运输过程中容易发生事故[1-3]。当前露天煤矿车辆包括大型矿车和外委工程车辆。运输车辆中60%以上的车辆为外委车辆，采场内交通条件较差、车辆较多、人员相对复杂；采场内道路使用周期短、采矿路径转弯多且半径小，容易造成交通事故[4-7]。无车辆定位、实时定位、车辆时速、车辆轨迹等无法查看，驾驶员长时间工作易疲劳，无法对驾驶员疲劳驾驶、打电话、遮挡摄像头等行为进行监控，车辆存在盲区，无防碰撞提醒，容易发生交通事故。因此，露天矿中外委车辆运输的安全问题占据着重要地位[8-9]，急需开发车载监控系统，对上述情况进行监控、预警，从而减少交通事故，进一步为露天矿的开采节约人力和便于管理。

为了对露天矿的车辆实现实时监控，提高工作效率，以大型矿用自卸卡车为监控对象，对传统的人工调度系统进行改造，设计了露天矿用车载监控系统，采用车辆定位、防碰撞提醒、Zigbee自组网技术、驾驶员行为分析等技术对车辆进行实时监控，提高外委车辆的运输安全。进一步对大型矿用自卸卡车的调度进行了优化，提高了矿区的生产安全。

1 系统组成

车载监控系统主要由车载监控终端和软件平台构成。主要实现车载防碰撞预警、预警分析、电子围栏、违章报警的功能。车辆碰撞预警：车辆即将发生碰撞时，通过声音提示驾驶者；预警分析：统计驾驶行为、分析违章数据、提供安全策略；电子围栏：规定各类车辆的行驶区域、区域内的测速；违章报警：主要对超速、越界、非法断电、驾驶行为等违章行为进行报警。系统架构如图1所示。

图1 系统组成

2 硬件设计

车载监控系统的硬件组成如图2所示。车载终端安装于车辆的内部，基于ZigBee无线自组网技术，实现防碰撞功能，当碰撞半径<100 m时，及时播报来车方位及距离；基于交通部808协议，精确定时上传GPS定位数据至平台服务器，平台可对终端功能进行设置及数据查询；支持短信参数修改功能，防止意外情况下参数设置错误；支持超速预警和报警、高低压报警等功能，结合电子围栏技术，实现分区域报警；内置电池，车辆熄火后仍可定时上传车辆状态信息；支持平台广播信息的语音下发；支持一键紧急呼救功能；9～36 V宽电压范围设计，适用于大部分车辆、全网通低功耗设计。

图2 硬件电路

2.1 电源电路

稳定可靠的电源是任何电子产品可靠运行的基础，车载终端要面对不同矿用车辆复杂的电磁环境和强烈的振动考验，同时还应满足宽范围输入要求，同时设计防接反功能，车载终端设计及实际功耗≯6 W。基于以上选择开关电源芯片TPS54340，最大为42 V输入，后级降压功率为10 W，5 V/2 A输出。

2.2 处理器

处理器是车载终端的核心，控制所有外设动作及数据处理，车载终端处理业务较多，为了保证实时性，同时增加设备使用寿命，选择A20核心板作为控制器，基于linux系统设计应用软件，核心板自带电池充电功能。

2.3 语音电路

车载终端需要播放的语音较多，考虑后期可能会有其他新的语音播放需求，选择国产语音芯片SYN6288，处理器通过UART接口控制其语音合成，功放选择3WD类数字功放，喇叭为8 Ω/2 W，配合结构音腔，发出的音量足以应对车辆嘈杂的环境。

2.4 电池切换电路

电池切换电路可实现外部电源与电池供电之间的无缝切换，当外部主电源工作时，车载终端电源由外部电源供电，同时给电池充电；当外部电源掉电时，自动切换为电池供电，电池为2 000 mA锂电池，可满足车载终端满负载工作0.5 h以上。

2.5 AD采集电路

AD采集电路通过分压与电压跟随器获取外部电源电压到处理器，实时监测外部电源是否正常，高压或欠压状况下终端通过语音发出警报，提醒司机及时排查车辆故障。

2.6 4G驱动电路

4G模块是数据通信的核心，驱动电路的稳定性关系着整个电路系统的稳定运行，采用上海移远通信EC20系列数据模块，该模块为全网通，其瞬间峰值电流最大可达到2.0 A，为防止电压跌落到3.3 V，选用开关降压芯片SY8009，并在滤波退藕上做了优化。

2.7 其他

RF模块采用德瑞紫蜂ZigBee模块，定时将车辆自身位置信息以广播方式发送给周围车辆，以此来获取相互间的位置信息。GPS模块采用U-blox M8Q系列模块，定位精度较高，可满足性能要求。按键主要用于紧急求救功能，长按可获取车辆编号，指示灯用于指示网络状态和定位状态。

3 软件设计

软件主要功能模块如图3所示。

图3 软件功能

主线程负责所有功能模块的创建，所有外设的初始化，定时上报定位信息、车辆状态到平台服务器，控制指示灯状态，车辆熄火后定时关机等。

ZigBee处理模块在准确定位后，定时向外广播自身的坐标信息与方位信息，一旦收到其他车辆的广播信息，立即与自身的位置信息比较计算，计算出相对距离与相对方向，如有必要，通过语音给出相应的提示。

GPS处理模块用于从GPS模块获取车辆自身的坐标信息、速度信息等。

短信模块用于通过短信对终端参数进行设置，主要包括IP地址、端口、超速值、数据上报间隔的设置。

808协议模块用于终端与平台的通信，在遵循标准协议大框架的同时做了轻微的改动，实时获取平台的请求信息，并给出相应的反馈信息。

拨号模块监测终端网络状况，在异常断网的情况下迅速拨号，尽可能保证终端在线。

语音处理模块根据不同的播报需求，不同紧急情况播报必要的语音信息。

4 测试结果

该车载监控系统在陕西西湾露天煤矿、内蒙胜利露天煤矿等地大量装机使用，故障率低，使用方便，反馈效果良好。系统能够实现车辆信息的实时监控，并能通过上位机界面进行显示。测量结果如图4所示。

图4 测试结果

5 结语

该车载监控系统在硬件上采用了ZigBee无线自组网技术、GPS与北斗组合定位技术、4G无线通信技术、计算机网络传输技术、地理信息系统、嵌入式开发等技术。在软件上采用了嵌入式开发技术，通过采用交通部的808协议实现硬件终端与软件平台的通信，实现了露天矿用生产指挥监控所需的车载防碰撞预警、预警分析、电子围栏、违章报警功能。通过软件平台使用，可以使调度室的人员对车辆及驾驶员行为进行实时监控。