ZigBee技术结合FPGA在矿山斜坡道车辆安全管理中的研究

1、科技信息2010年第7期SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION 0前言 矿井提升系统一般采用两部分接力组成。第一部分采用无轨车辆（电动卡车、沃尔沃等）斜坡道运输方式提升；第二部分采用竖斜井提升方式。随着矿山日处理量的增长，井下出现吉普车、凿岩台车、锚杆台车以及柴油卡车等。然而影响车辆正常行驶速度的致命条件斜坡道截面宽度。在这一限制条件下，每一辆车辆的行驶都会影响到其他车辆的运行速度。然而主要斜坡道矿石的运输系统压力逐年的增长，摆在面前的是必须对井下车辆进行全局考虑，建立一套全新的信号灯控制系统，以大型车辆的运行状况作为条件，综合指挥主斜坡道中的车辆行驶，协调大型

2、车辆的运行，指挥各类小型车辆开车、停车以及避让，从而提高整个主斜坡道中的安全生产效率，保证行车安全，合理的利用时间，避免事故的出现。该系统的运用将做到井下车辆可视化、可控化，提高车辆安全管理效率。1主要问题解决1.1终端信息交互此设计采用目前世界上最先进的微功率通信技术ZigBee 技术，ZigBee 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术，相对现有的各种无线通信技术，ZigBee 技术是低功耗和成本的技术之一。1.2硬件设计设计采用目前世界上领先的的软核处理器技术FPGA 的SOPC 系统嵌入NIOS 32位CPU

3、 和uc/os实时操作系统，可重复编程和动态在线系统重构，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，以这种技术设计出的系统控制板，架构简单，各类元件可直接集成在芯片上，具有丰富的IO 资源，兼容性和可扩展性大大加强。1.3信息传输为了满足系统的扩容，在井下拥有大量设备的时候，选择千兆光纤工业以太环网作为骨架，并以标准TCP/IP协议进行交互。以Cisco 网络设计模型的层次结构为基础结合新一代的光网络技术创新出一种新的网络架构模式EPON （宽带接入技术）。EPON 以光纤为传输媒质，无干扰、无辐射，可以很好地解决以双绞线为传输媒质的xDSL 接入技术在大规模推广中受到用户线路出线率偏低、线

4、间串扰明显等客观限制问题。此外，EPON 通信系统带宽超过1Gbit/s，传输距离达到20km ，业务提供能力和部署灵活性具有较大优势。1.4信号控制信号控制设备包括控制基站和LED 信号显示器两部分组成，分布在斜坡各区段和避让岔道口，由控制基站接受井下控制中心的控制信号，并根据控制信号操作LED 信号显示器进行显示，为车辆驾驶员选择开车、停车、避让、恢复通行等策略提供及时、准确地参考；减少事故，提高生产效率。各控制器具备运行状态的自检功能，并可将自检结果上报控制中心。信号灯控制系统，除接受控制中心的指令控制信号灯外，还以一定的时间间隔发送和指示该信号灯的当前工作状态。通知附近的所有车辆该信号

5、灯当前亮的是那种信号，从而安全正常的运行，有效的预防和减小了事故的发生，有效的提高了安全生产的效率。2总体拓扑结构斜坡信号子系统由井下控制中心、车载信息平台、信号控制平台、斜坡道信息交互平台、监控车辆位置信息的无线车辆定位基站五个组成部分组成。如图1所示。图13信号灯的设计方案信号系统具有自动指挥交通功能，满足多辆车、多种运输方式这一复杂条件下的信号控制。根据电卡及沃尔沃在斜坡道上的车位变化而自动改变信号灯的显示，以向其它车辆发出开车、停车、退出主巷道避让等指示，并实现沃尔沃避让电卡、电卡优先通行，防止发生迎面或追尾事故，确保交通安全，提高通行效率。3.1信号系统的功能3. 1. 1电卡、沃尔

6、沃能够自动定位（定位子系统实现），车上有操作面板可选择自动手动运行方式、可选择运输区间、可临时改变去向，可发出开车、停车、故障指令，并对运行区间、是否允许运行、设备状态进行指示，故障可自动声光报警并能手动解除。3. 1. 2信号显示：红灯停车，小车应退出主巷道（迎面有矿车）；绿灯开车，允许在主巷道上行驶；绿闪让行，慢速车退出主巷道（尾部有矿车）红闪途中故障锁闭，电卡应提前减速，其它车辆禁止驶入锁闭区间。3. 1. 3主巷道上无矿车时，区段信号灯、对应的中段信号灯均亮绿灯。3. 1. 4主巷道上有矿车时，锁闭区段内顺向信号均亮绿闪、反向信号ZigBee 技术结合FPGA 在矿山斜坡道车辆安全管理

7、中的研究应用段银联孙卫东张洪润施俊丽肖伟杰张欣(山东黄金矿业<莱州>三山岛金矿山东莱州261442【摘要】本文分析了矿山斜坡道存在车辆管理困难的现状，提出了采用适合井下通讯的Zigbee 技术结合FPGA 进行设计的思想，满足了斜坡道车辆的安全管理和优化行驶问题，达到国内矿井斜坡道安全运输监控的领先水平。【关键词】ZigBee 技术; FPGA;矿山监控矿业论坛341科技信息SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION2010年第7期灯均亮红灯，对应的中段口信号灯均亮红灯。3. 1. 5矿车运行前，给出区间、开车信号，系统自动锁闭相应区段信号灯，并能自动延

8、伸锁闭区段。3. 1. 6矿车通过后系统自动解锁锁闭区段。3. 1. 7矿车中途退出主巷道，可随时发出停车指令，以解锁其锁闭区段。3. 1. 8矿车中途故障可随时向维修硐室发出故障信号。并可锁闭相应区段。3. 1. 9信号系统的车辆运行情况和信号灯状态，通过光纤环网从中心控制室通过延伸至的信息网络上传至地表调度室及有关部门。3.2对车辆进行分级甲级车辆包括两台电卡，具有最高权限，其他车辆均需要对甲级车辆进行避让。乙级车辆包括五台沃尔沃，对电卡进行避让，其他丙级车辆均需要对乙级车辆进行避让。丙级车辆包括吉普车、其它卡车、铲运机、服务车等车辆，需要对甲、乙级车辆进行避让。丙级车辆的行驶将不影响信号

9、灯的显示。甲级和乙级车辆上安装车载控制台，通过触摸显示屏显示车辆的分布情况和信号灯情况，并可通过车载控制台控制信号灯；丙级车辆上安装车载控制台，可通过车载控制台发送报警信号。3.3制定车辆行驶策略系统根据电卡及沃尔沃在斜坡道上的车位变化而自动改变信号灯的显示，以向其它车辆发出开车、停车、退出主巷道避让等指示，并实现沃尔沃避让电卡、电卡优先通行，防止发生迎面或追尾事故，确保交通安全，提高通行效率。甲级车辆行驶策略：除路面故障外，保证其畅通无阻。车辆开始行驶时，系统将开始对相应范围信号灯进行控制。信号灯控制规则为：逆车辆行驶方向的信号灯显示为红色，顺车辆行驶方向显示为绿色，顺向距离车辆较近的信号灯

10、显示为绿闪（慢车避让，快车顺利通行）。当车辆经过被自己控制的信号灯或者修改行驶方向时，相应信号灯解除控制。乙级车辆：避让甲级的车辆丙级车辆：避让甲、乙两级的车辆；对信号灯没有控制权，按照信号指示开车。4网络的搭建信息交互部分采用三级可伸缩网络结构，在千兆光纤工业以太环网部分，采用标准TCP/IP协议，因此，在需要的时候可以加入支持标准TCP/IP协议的其他应用，在已经搭建好的信息平台上自由的传输，从根本上保护硬件投资。井下信息交互平台，采用无源光纤传输方式、能够提供多种综合业务的宽带接入技术的EPON (EthernetPassive Optical Network 点到多点网络结构的千兆光纤

11、搭建起来的以太网络（TCP/IP协议）构架，见图2。图2以千兆光纤以太网为主干的第一级网络，沿主巷道分布，贯穿井上与井下各巷道，搭建起一个沟通井上-井下、井下-井下双向信息平台，为信息的传递铺设一个高速公路。5结语采用这种世界上最先进的微功率通信技术ZigBee 技术和基于FPGA 的SOPC 系统嵌入NIOS 32位CPU ，同时采用uc/os实时操作系统控制和处理各种通讯任务与控制，达到目前世界上硬件电路固件设计中的领先技术。采用宽带接入技术的EPON 和千兆光纤以太网有效解决通讯信道低，可扩展性差的问题。该技术已应用到三山岛金矿并给三山岛金矿的井下车辆监控系统带来质的飞跃。【参考文献】1

12、孙继平. 矿井移动通信的特点及现有系统分析J.煤矿自动化，1997(4：21-232孙继平. 矿井无线传输的特点J.煤矿设计，1999(4：20213许荣斌，谢莹, 等. 基于直扩通信技术的矿井斜坡道交通信号监控系统M.煤炭工程,2007,05作者简介：段银联（1979），女，陕西渭南人，2002年毕业于安徽理工大学，2008年获硕士学位。现从事三山岛金矿数字矿山研究工作。责任编辑：张新雷科（上接第335页）直至退出使用, 进行最终废弃物处理。一方面，随着低碳经济理念的推广，越来越多的消费者对产品的需求从简单的实现功能，向既能实现产品功能又能保持低能耗、低污染要求的方向转变。即消费者生态产品需

13、求的提高，带动市场需求的变动，对企业产品设计的导向作用，成为产品绿色设计的重要拉动力量。另一方面，低碳经济时代，贸易、消费等领域必然会有越来越多的对产品能耗及污染要求的规则出现，缺乏绿色产品概念的企业比较面临越来越大的政策压力和市场压力。低碳经济时代，产品从设计、生产，到流通、消费，直至使用后的回收处理，都必须考虑到其对资源的消耗的环境的污染，绿色设计是实现低碳经济对产品要求，化解企业生存压力的重要途径。绿色设计构成了低碳经济时代企业可持续发展的核心推动力。各级政府应当认清绿色设计对发展低碳经济的重要意义，关注消费市场观念的转变对绿色设计产生的巨大拉力，以及企业发展观念的转变和化解未来生存压力对绿色设计的需求。在此基础上，从推进产业政策、健全法制法规、完善消费市场等途径为绿色设计制定适当的推进措施，提高企业绿色设计的积极性和消费者对绿色产品的消费能力，让绿色设计成为低碳经济的重要推动力量。【参考文献】1郑平. 低碳经济正在来临J.经济导刊，2009（9）：19-22.2冯之浚，牛文元. 低碳