基于DGPS技術(shù)的煤場(chǎng)智能裝運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉增寶　張紅巖　邊紅星　靳明　任賀賀

摘 要：由于煤場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，煤炭種類(lèi)繁多，易發(fā)生裝載機(jī)錯(cuò)裝、混裝，會(huì)給公司帶來(lái)不必要的損失，文章設(shè)計(jì)了一種基于DGPS（Differential Global Positioning System）技術(shù)的煤場(chǎng)智能裝運(yùn)系統(tǒng)。以STM32為主處理器，利用差分定位技術(shù)設(shè)計(jì)差分定位信息采集模塊，以獲取裝載機(jī)車(chē)定位信息，利用GPRS（General Packet Radio Service）通信技術(shù)設(shè)計(jì)GPRS通信模塊為裝載機(jī)提供車(chē)輛調(diào)度，差分定位、稱(chēng)重信息的上傳，煤種信息的獲取等服務(wù)，利用軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)監(jiān)控終端和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器提供煤種區(qū)域劃分、地圖更新，裝載機(jī)差分定位位置實(shí)時(shí)分析，裝載機(jī)錯(cuò)裝警告，裝載歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能，以提高工作效率。測(cè)試表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)能力強(qiáng)，能夠滿足應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：裝載機(jī)；DGPS；GPRS；過(guò)程監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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，煤炭裝載過(guò)程中對(duì)煤種劃分不明確，在裝載運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)車(chē)輛定位信息的不精確，無(wú)法對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，不利于提高煤礦裝運(yùn)效率，影響煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。如何能夠提供一套有效的煤場(chǎng)智能裝運(yùn)機(jī)制是解決煤場(chǎng)監(jiān)管問(wèn)題的關(guān)鍵，技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展為煤場(chǎng)裝載流程的管理提供了新的方法。

高精度GPS差分定位技術(shù)（DGPS）[2]是指固定在某一地點(diǎn)的基站接收機(jī)和另一臺(tái)移動(dòng)站接收機(jī)同時(shí)連續(xù)觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星，根據(jù)已知的參考點(diǎn)定位信息，計(jì)算出參考點(diǎn)定位信息的修正系數(shù)，通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給移動(dòng)站接收機(jī)，改進(jìn)移動(dòng)站接收機(jī)的定位精度，經(jīng)過(guò)測(cè)試定位精度可以達(dá)到20cm以?xún)?nèi)，可以滿足對(duì)裝載機(jī)實(shí)時(shí)位置的精確定位。RFID技術(shù)[3]可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛信息的讀取，

GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與接收，借助這些信息化技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一套基于DGPS技術(shù)的煤場(chǎng)智能裝運(yùn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裝載機(jī)實(shí)時(shí)定位信息查看、裝載量的統(tǒng)計(jì)、裝載機(jī)合理調(diào)度、裝載過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)管，防止發(fā)生司機(jī)故意錯(cuò)裝，偷懶等不良的煤炭裝運(yùn)現(xiàn)象，提高裝運(yùn)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

煤場(chǎng)智能裝運(yùn)系統(tǒng)由裝載機(jī)智能裝運(yùn)差分定位移動(dòng)終端、差分定位服務(wù)基站、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和GIS定位服務(wù)器等幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)可以通過(guò)差分定位移動(dòng)終端、GIS定位服務(wù)器和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器完成對(duì)儲(chǔ)煤場(chǎng)地圖的標(biāo)定，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行調(diào)度[4-5]。通過(guò)定位衛(wèi)星差分定位服務(wù)基站獲取差分校準(zhǔn)值，將校準(zhǔn)值發(fā)送給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器再將校準(zhǔn)值信息通過(guò)GPRS通信發(fā)送給差分定位移動(dòng)終端，從而精確地獲取裝載機(jī)實(shí)時(shí)定位信息；通過(guò)射頻識(shí)別模塊完成對(duì)IC卡車(chē)輛信息的讀取；通過(guò)GPRS通訊模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收與傳輸數(shù)據(jù)[6]。過(guò)磅系統(tǒng)通過(guò)儲(chǔ)煤場(chǎng)專(zhuān)網(wǎng)，將運(yùn)煤車(chē)輛過(guò)磅信息傳輸給數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)分析。系統(tǒng)可以完成車(chē)輛信息傳輸，定位信息、計(jì)量信息的上傳，調(diào)度信息的讀取等服務(wù)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

2 差分定位終端硬件設(shè)計(jì)

差分定位終端由薄膜按鍵、蜂鳴器、指示燈、射頻模塊、差分定位模塊、液晶顯示、GPRS模塊、主處理器等幾個(gè)部分組成。差分定位終端的硬件框架如圖2所示，終端選用芯片型號(hào)為STM32F103VET6作為主處理器[7-8]，是一款基于ARM Cortex-M3 32位的微處理器，CPU最高速度達(dá)72MHz，內(nèi)置大容量存儲(chǔ)器，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，具有價(jià)格低廉，外設(shè)豐富，性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)量終端通過(guò)RS232電路將計(jì)量信息通過(guò)串口發(fā)送給處理器，同時(shí)，處理器接收差分定位模塊所獲取的定位信息并通過(guò)GPRS模塊實(shí)時(shí)地將差分定位等相關(guān)信息上傳到服務(wù)器[9]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連接時(shí)，電源控制開(kāi)關(guān)能夠控制GPRS模塊進(jìn)行重啟，也可以處理刷卡信息，并在液晶屏上進(jìn)行顯示。系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)送警報(bào)。薄膜按鍵負(fù)責(zé)錄入按鍵數(shù)據(jù)，指示燈顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)。

2.1 電源管理模塊設(shè)計(jì)

電源管理部分采用LM2596S芯片，它是一款降壓開(kāi)關(guān)調(diào)整器，具有3A負(fù)載能力，LM2596S能夠輸出固定電壓，也可以輸出小于37V的各種電壓。LM2596S工作頻率為159KHz，效率最大達(dá)90%，帶有限流、過(guò)熱、短路保護(hù)功能。LM2596S工作范圍支持-40℃-125℃，最大支持40V電壓輸入，最小支持4.5V電壓輸入[10-11]，圖3為電源管理模塊設(shè)計(jì)原理圖。電路中使用0歐電阻1個(gè)，100uF/50V電容1個(gè)，100uH電感1個(gè)，型號(hào)為SS34二極管1個(gè)，0.1uf電容1個(gè)，330uF/25V電容一個(gè)，LM2594S-5.0降壓芯片1個(gè)。電源管理模塊是將電源電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊的工作電壓，使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2.2 差分定位信息采集設(shè)計(jì)

差分定位信息采集模塊采用Hemisphere系列P201全新一代高性能的三星七頻RTK定位接收機(jī)，支持BDS B1，B2，B3；GPS L1，L2；GLONASSG1，G2[12]。P201支持單精度差分和高精度差分模式，當(dāng)無(wú)校準(zhǔn)值信息時(shí)，進(jìn)入單精度差分模式，定位精度大5m以?xún)?nèi)，當(dāng)接收到校準(zhǔn)值信息，進(jìn)入高精度差分模式，定位精度達(dá)20cm以?xún)?nèi)。它具有372個(gè)數(shù)據(jù)通道，三個(gè)全雙工串口，1個(gè)外部DGPS差分專(zhuān)用端口，1個(gè)USB接口，支持ROX，RTCM2，RTCM3.0，RTCM3.2，CMR，CMR+等多種差分?jǐn)?shù)據(jù)格式。圖4是差分定位信息采集模塊部分的原理圖。電路中使用10K電阻2個(gè)，1K電阻1個(gè)，SS8050三極管1個(gè)，型號(hào)為AO3401mos管1個(gè)，0歐電阻1個(gè)。該部分電路主要實(shí)現(xiàn)差分定位信息的獲取及轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)模塊無(wú)法工作時(shí)可以控制GPS_C引腳對(duì)模塊進(jìn)行重啟。

2.3 GPRS數(shù)據(jù)輸出設(shè)計(jì)

GPRS數(shù)據(jù)輸出模塊采用有人物聯(lián)網(wǎng)系列USR_GPRS232_7S3無(wú)線數(shù)據(jù)透?jìng)髂K，通過(guò)AT指令設(shè)置，實(shí)現(xiàn)串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸[13]。該模塊支持四頻通信，全球通用，使用2G網(wǎng)絡(luò)，支持4路網(wǎng)絡(luò)連接同時(shí)在線，具有短信透?jìng)髂Ｊ?、網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ?、HTTPD模式、UDC模式四種工作模式，可以使用擴(kuò)展指令集建立、維持及關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接。圖5是GPRS模塊的原理圖。電路中使用1K電阻5個(gè)，LED二極管2個(gè)，SS8050三極管3個(gè)，10K電阻2個(gè)，型號(hào)為AO3401mos管1個(gè)，0歐電阻1個(gè)，0.1uf電容1個(gè)，100uF/16V電容1個(gè)。該部分電路主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸與接收。當(dāng)模塊無(wú)法工作時(shí)可以控制GPRS_C引腳對(duì)模塊進(jìn)行重啟，模塊正常工作時(shí)D12指示燈常亮，當(dāng)模塊與網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，D13指示燈點(diǎn)亮。

2.4 射頻信號(hào)處理及液晶顯示部分

射頻信號(hào)部分采用MFRC522模塊，MFRC522是一款高度集成射頻芯片，發(fā)送模塊利用調(diào)制和解調(diào)的原理[3]，將它們完全集成到各種非接觸式通信方法和協(xié)議中（13.56MHz），支持多種工作模式，其內(nèi)部集成電路，可直接與IC卡進(jìn)行通信。在讀寫(xiě)模式中通信距離高達(dá)50mm，支持SPI接口，串口UART接口和I2C接口，本次設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI數(shù)據(jù)接口，最大傳輸速率為10Mbit/s，擁有64bit的發(fā)送和接收緩存區(qū)，具有硬復(fù)位功能。

液晶顯示部分采用武漢中顯科技有限公司旗下SDWe系列VGUS4.3高亮串口屏。該液晶屏分辨率為480*272，擁有1000亮度流明，128K變量存儲(chǔ)空間和256字節(jié)寄存器空間，以及128M字節(jié)Flash存儲(chǔ)器空間，可擴(kuò)展到1G字節(jié)。單頁(yè)最大支持128個(gè)顯示變量，集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，支持背光亮度調(diào)節(jié)，自動(dòng)待機(jī)屏保功能，可外接矩陣鍵盤(pán)，同時(shí)采用了JPG數(shù)據(jù)壓縮算法和連續(xù)存儲(chǔ)模式[14]，極大地提高了存儲(chǔ)效率和存儲(chǔ)圖片的數(shù)量。

3 定位終端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程，在Keil5環(huán)境下編譯、調(diào)試，基于DGPS技術(shù)的煤場(chǎng)智能裝運(yùn)系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)上電后對(duì)硬件進(jìn)行初始化，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊功能的初始化，接著差分定位模塊通過(guò)定位天線尋找定位信息，通過(guò)GPRS天線尋找無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，連接網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，連接服務(wù)器。接著初始化應(yīng)用，開(kāi)辟數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，執(zhí)行裝載機(jī)裝運(yùn)流程程序 [15]。主處理器持續(xù)采集裝載機(jī)差分定位信息，如果有其他任務(wù)要處理，先處理其他任務(wù)，然后通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將定位信息轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，如果沒(méi)有其他任務(wù)要處理，直接轉(zhuǎn)發(fā)信息到服務(wù)器，最后等待新的差分定位信息到來(lái)。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

如圖7所示，差分定位移動(dòng)終端實(shí)物圖。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中分別測(cè)試差分定位模塊定位精度、服務(wù)器的數(shù)據(jù)收包率。

首先對(duì)差分定位終端差分定位精度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試人員攜帶一個(gè)差分移動(dòng)終端，差分定位終端STM32處理器會(huì)采集差分定位信息，通過(guò)串口向測(cè)試軟件發(fā)送差分定位信息，測(cè)試軟件顯示效果如圖8所示，同時(shí)根據(jù)經(jīng)緯度坐標(biāo)，我們?cè)诘貓D上找到該位置，顯示與測(cè)試人員位置一致，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，結(jié)果顯示本系統(tǒng)所采用的差分定位模塊定位精確，定位精度在20cm以?xún)?nèi)。

接著對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)收包率進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)調(diào)整定位終端的程序，人為規(guī)定定位終端1分鐘內(nèi)30個(gè)數(shù)據(jù)包，通過(guò)服務(wù)器的觀察發(fā)現(xiàn)，每分鐘內(nèi)收包個(gè)數(shù)都在29-30之間，且都是正確數(shù)據(jù)。

在長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試下，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，由此可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的基于DGPS技術(shù)的煤場(chǎng)智能裝運(yùn)系統(tǒng)具有定位精確，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。

基于DGPS技術(shù)的煤場(chǎng)智能裝運(yùn)系統(tǒng)，結(jié)合DGPS定位，重量測(cè)算，安全預(yù)警技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，完成了煤場(chǎng)裝運(yùn)系統(tǒng)的智能化，可以減少煤礦企業(yè)由于分類(lèi)不清導(dǎo)致的損失，提升裝載機(jī)設(shè)備，監(jiān)測(cè)和優(yōu)化煤炭裝置流程，提高工作效率，為企業(yè)提供跨平臺(tái)服務(wù)。

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