矿井架空人车无线监控系统毕业设计.docx
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矿井架空人车无线监控系统毕业设计
前言
架空人车作为斜坡道的运输工具应用非常广泛，主要应用在煤矿斜井、斜坡道码头、旅游景点等地。
架空人车主要由驱动装置、驱动轮、钢丝绳、托绳轮、车厢、变坡点装置、尾轮装置及张紧装置等部件组成[1]。
其工作原理为钢丝绳绕过驱动轮和尾轮，呈无极封闭型，由驱动装置带动驱动轮旋转，靠摩擦驱动使钢丝绳连续循环运行，在地面上沿着一定轨迹行走，从而达到输送目的。
架空人车主要用于大高差地段上人员和货物的提升，相对于其它运输工具，架空人车的主要特点是提升能力强，线路坡度可以相当大。
在某些特殊地段，架空人车可以发挥其它运输工具不可替代的作用。
架空人车作为交通工具在国外使用非常广泛，比如：
城市轨道交通、港口运输以及旅游景点载客等。
特别是作为港口运输工具，历史悠久。
●美国西部海港城市旧金山，架空人车仍是重要的交通工具，其牵引和制动方式如下：
在两条铁轨中间有一凹槽，槽内有一连续移动的钢缆，为架空人车提供牵引动力。
车厢底部有一具夹固装置，伸入凹槽内。
驾驶员操纵控制杆，即能使夹固装置牢牢夹住钢缆，钢缆牵引车厢前进。
反之，若夹固装置松开钢缆，则车厢失去牵引力，减速行驶，驾驶员通过手动制动器可以将车厢停住。
●瑞士架空人车公司设计的架空人车系统:
该系统由两台车厢组成，靠一套平衡驱动绳联在一起，两台缆车在同一个轨道上行驶，在斜坡中间有一个让车道，会车时，可以错开行驶，同时该系统具有过载保护、地震保护等安全措施。
●锡金首都甘托克架空人车情况:
由一套270kw的柴油发电机提供动力，另外还有一套热备用的发电机，在紧急情况下可以投入运行。
我国早期的架空人车基本从矿用斜井人车发展而来，技术相对落后，安全性不足。
本设计中的架空人车监控系统主要是面向煤矿生产过程。
架空人车系统是煤矿生产的一个重要组成部分，它担负着井下工作人员的运输，井下环境恶劣，很容易出现突发事故，架空人车运行情况的正常与否直接关系到工人的生命安全和煤矿生产任务的完成。
在生产过程中，主控室要随时和车厢中的工作人员保持联系，实时了解车厢内部的情况，方便做出相应调整，保证架空人车的正常运行。
同时，如有突发事故，车厢内工作人员可以通过紧急按钮告知主控室采取有效措施，并及时向控制中心报告车厢及周边的状况，降低甚至可以避免事故对生命财产造成的损失，也对事后的事故产生原因分析提供了第一手材料，为煤矿的安全生产提供了有效保障。
无线通讯技术概述
1.1无线通讯技术的发展
远距离无线传输已经有一百多年的历史，可以追溯到1901年马可尼将电报信号发送到1800英里外的大西洋彼岸。
无线传输技术在过去的一个世纪里经历了无线电、雷达、电视、卫星和移动电话等不同的发展和应用阶段。
在20世纪70年代后期，蜂窝无线和个人通信系统进入加速发展期，这个阶段是无线通讯技术发展的黄金时期，相继成功引入了第一代（1G）、第二代（2G）和第三代（3G）蜂窝系统，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、数据、图像等诸多的需求。
无线通讯网络，顾名思义是利用无线电波而非线缆来实现与计算机设备位置无关的网络数据传输系统，是现代数据通信系统发展的一个重要方向。
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网络化智能传感器，使得工业现场的数据能够通过无线链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环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能。
无线传输进入工业控制领域的趋势无可质疑。
目前主流无线通讯技术与标准主要包括WLAN、Bluetooth、Zigbee、WiMax、GSM/GPRS/CDMA等[2]。
1.2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是：
对于可用于现场设备层的无线短程网，采用的主流协议是IEEE802.15.4（如ZigBee）；对于大数据容量的短程无线通信，则是IEEE802.15.3；而对于适应较大传输覆盖面和较大信息传输量的无线局域网，采用的是IEEE802.11系列。
其应用的重点是无线短程网、无线局域网及GPRS/CDMA网络。
1）无线传感器网络（SensorNetworks）
现场设备层无线通信迅速进入工控领域，其中一个突破口是现场总线和无线通信技术的结合。
以Zigbee网络为例，其特点是：
（1）功耗低：
由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用休眠模式。
（2）数据传输可靠性高：
采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。
（3）网络容量大：
一个Zigbee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络。
（4）时延小：
针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。
设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为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[3]。
（7）实现成本低：
模块的初始成本较低。
典型的产品和应用为：
2004年Honeywell推出的基于ZigBee无线传输协议的无线变送器XYR5000系列；ABB在瑞典的Boliden加工厂利用Ember的无线技术进行的无线通信评估试验。
2）无线局域网（WirelessLAN）
自从1977年第一个民用网系统ARCnet投入运行以来，有线局域网以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功并得到了迅速发展。
然而，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域网很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。
在工业自动化领域，有成千上万的感应器，检测器，计算机，PLC，读卡器等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是RS-232或RS-485。
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串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网IEEE802.11和以太网络IEEE802.3标准，支持标准的TCP/IP网络通信协议，有效的扩展了工业设备的联网通信能力。
利用无线局域网组建自动化工业网络，相比之下具有有线固定网络无法比拟的优势：
（1）无线网络拓扑更适合工业网络应用：
支持RS-232工业设备点到点的连接。
支持广播的拓扑，多个RS-232工业设备可组成对等网络，相互通信。
（RS-232通信协议无法支持多点通信）。
客户机/服务器的拓扑，每个RS-232工业设备都可以方便、快捷的接入无线网络中，极大的提高了信息处理能力[4]。
（2）无需布线，省去了施工的麻烦：
无线局域网利用无线电波传输数据信号，适合于难于布线的环境中搭建数据传输网络。
在工业现场，铺设的线缆容易受到频繁的触碰损坏，无线网络则保证了网络的安全性。
（3）覆盖范围广：
无线局域网在开放空间覆盖半径达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。
现主要应用在远程视频传输、门禁/考勤管理系统、安防管理系统、生产设备联网自动化、电信/光纤网络监控、医疗/实验仪器联网自动化、工业/流程联网控管等领域。
3）蓝牙技术（Bluetooth）
蓝牙是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数字通信的技术标准。
自从提出该技术以来，蓝牙技术的发展异常迅速。
蓝牙Bluetooth作为一种新的短距离无线通信技术标准，受到全世界越来越多工业界生产厂家和研究机构的广泛关注。
蓝牙是取代数据电缆的短距离无线通信技术，工作频段是全球开放的2.4GHz频段，可以同时进行数据和语音传输，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。
蓝牙技术的应用非常广泛而且极具潜力。
它可以应用于无线设备（如PDA、手机、智能电话、无绳电话）、图像处理设备（照相机、打印机、扫描仪）、安全产品（智能卡、身份识别、票据管理、安全检查）、消费娱乐（耳机、MP3、游戏）、汽车产品（GPS、ABS、动力系统、安全气袋）、家用电器（电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机）、医疗健身、建筑、玩具等领域。
4）GPRS技术
GPRS（GeneralPacketRadioService，通用分组无线业务）是一个叠加在GSM（GlobalSystemforMobile）上专为高速数据通信而设计的新网络，属于一种分组交换的数据承载和传输方式，称为2.5G数字移动通信技术，是GSM向3G移动通信发展的必经阶段。
它充分利用现有移动通信网络设备，通过在GSM网络上增加一些硬件设备和软件升级形成一个新的网络逻辑实体，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171.2Kbps，客户可以在移动状态下通话的同时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（E-SMS）、GPRS分组数据计费（即根据数据量计费）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明显优势，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，能更有效地利用无线网络信息资源，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，理论峰值达171.2Kbps；按数据流量计费的核算方式更加灵活；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，并以此为基础实现矿山井下架空人车的监控、通讯功能。
矿山井下架空人车简介
架空人车组成：
矿山井下架空人车主要由驱动装置、尾轮、牵引钢丝绳、托绳轮、双人吊篮、变坡点装置等部件组成。
架空人车原理：
矿山井下架空乘人装置（车厢）由驱动装置输出动力带动钢丝绳循环无极运转，从而实现运送矿工上、下井，以求缩短矿工上、下井的时间和减少矿工的体力消耗，从而达到输送的目的。
图2-1矿山井下架空人车实景图
Fig.2-1UndergroundaerialvehicleVirtualMap
驱动装置：
既能架空又能落地安装，结构简单，效率高，体积小，重量轻，运行安全、平稳，噪音低，可适应连续运行，便于维修保养。
图2-2驱动装置
Fig.2-2Drivingdevice
双人吊篮：
双人吊篮由抱索器和座椅两部分组成，抱索器结构新颖，设计合理，安装方便，移位简单，锁紧可靠。
双人吊篮宜人式设计，上下便捷，式样美观。
托绳轮：
安装简便，轮衬材料具有耐压、耐磨、阻燃、抗静电等性能。
图2-3托绳轮
Fig.2-3Ropesupportingwheel
变坡点装置：
配合双托轮组、多托轮组等组合使用，平衡受力，自动定位。
应用于不同的变坡情况。
图2-4变坡点装置
Fig.2-3Pointofgradientchangedevice
煤矿架空人车具有先进的机头、机尾过位保护、速度保护、沿线紧急停车保护等主要保护系统。
钢丝绳速度适中，吊椅距离地面高度低，上下方便，绝对确保安全。
其次，架设煤矿架空人车非常便捷，它适合矿山倒班，工作人员随到随行，有舒适美观的乘人座椅，实现快捷的机械化运输。
煤矿架空人车还有很多优点：
1、适应性强，适应大倾角，长距离及复杂变坡巷道环境的安装使用。
各种形式的抱索器可满足不同用户的需求。
2、经济，设备一次性投资少，运行和维修成本低。
3、环保，噪音低，无污染，改善职工的工作条件。
架空人车轿厢机监控系统总体思路
架空人车轿厢机监控系统的基本功能是通过无线传输对车厢进行实现监控。
通过监控系统可以了解到车厢内是否有工作人员以及工作人员的人数。
车厢内的工作人员可以通过无线通讯来和主控室进行双相通话[5]。
工作人员还可以在意外事故发生后按下紧急按钮通知地面主控制室采取有效措施，防止灾难发生。
图3-1系统设计框图
Fig.3-1Systemblockdiagram
总体方案主要分为三个部分：
上位机（控制室系统），节点机，轿厢机（车厢系统）。
设计思路是在每个车厢中安装一个轿厢机，在矿井内部车厢缆绳轨道附近安装节点机，同时在地面控制室安装上位机，如图3-1所示。
车厢与控制室通过节点机收发无线信号进行语音通信，车厢中的工人可以随时向地面控制室报告车厢的情况并请求相关指示，控制室也可以随时询问各个车厢的运行状况以便做出调整[6]。
图3-2系统功能结构图
Fig.3-2Systemfunctionstructurechart
系统设计完成之后，控制室可以一对一选择不同车厢进行通讯，也可以广播的方式对各车厢播报信息，每个车厢中工人也可主动要求与控制室通讯，实现双向通讯。
系统的各部分功能如图3-2所示。
轿厢机是系统被监控的主体，是整个设计的核心，也是本次设计的对象。
这部分中主要分为这几个模块：
无线模块，语音模块，音乐播放模块和电源模块。
另外，为了提供良好的人机交互界面和操作方便，车厢内部还有按键部分。
图3-3为轿厢机系统组成。
图3-3车厢系统组成
Fig.3-3Subsystemsofcablecar
无线模块实现了数据的无线传输，可以将主控芯片采集到的语音数据传输到节点机上，也可以接受到节点机传输来的控制信息返回给主控芯片。
主控芯片通过判断控制信息执行相应的操作。
语音模块实现了对语音信号的采集。
模块通过传感器（驻极话筒）将语音信号转换成模拟电信号，模块中的编码芯片在将模拟电信号转换成编码后的数字信号。
送入主控芯片。
MP3模块主要实现对MP3音乐文件的解码播放，为工作人员营造一个良好的工作环境，从而提高工作人员的工作效率。
按键模块可分为两部分，一部分用来检测车厢内的人数情况，另一部分用来实现人机之间的信息交换。
电源模块主要为系统提供一个稳定的可用电源，可以在输入电压不稳定的情况下输出一个稳定的电压值，使得各个模块可以正常工作。
在设计完成之后，可以查看车厢内的人员情况，实现与轿厢的实时语音通信、车厢报警以及MP3播放等功能。
控制室可以通过上位机来监控轿厢机内的情况以及和任何一个轿厢进行语音通信，以实现控制室对每个轿厢内状态的监控。
上述为轿厢机监控系统的总体结构简述，下面来对系统做详细说明。
架空人车轿厢机监控系统硬件设计
4.1轿厢机监控系统的结构
车厢是整个设计系统的监控的对象。
工作人员在乘架空人车下井的过程中需要随时和地面上的控制室保持联系，以确保车厢正常运作和工作人员的人身安全。
如图4-1所示，在轿厢机中，装有主控芯片，无线模块，语音模块等。
工人可以随时向控制室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室的广播信息，方便执行任务。
另外，车厢内还安装了音乐播放模块，在存储曲库后可任意播放，为工作人员在下井的漫漫等待中消磨时间，提供娱乐。
图4-1轿厢机的组成
Fig.4-1Figurecablecarsystemcomponents
4.2主控电路的设计
主控电路也可称为CPU模块，是整个设计的核心。
负责对整个设计中所有数据的处理、存储、设备控制等工作。
考虑到整个系统对处理速度和外置资源的要求，设计中采用的控制芯片是STM32F103RBT6。
STM32F103RBT6来自意法半导体Cortex-M3系列。
这款芯片因为采用了ARM公司的高性能“Cortex-M3”内核，所以比较以往的8位单片机在性能上有很大的提升。
内部资源非常丰富，有2个12位模数转换器、7通道DMA控制器、7个定时器、2个I2C接口、3个USART接口等资源，可以满足设计的需要。
其特点是集高性能，低功耗，技术成熟，可靠性好，抗干扰实，实时应用，内部资源较多，有很多可供利用的片上资源，它在汽车电子、工业控制、中高档机电产品等应用领域具有广泛的用途。
同时主控制芯片还包括USB程序下载端口，结合机载软件可实现程序的单步跟踪功能。
复位端口，当系统处于不稳定状态，异或不能正常工作时，可按下复位键使系统恢复原始设定。
稳压电源芯片，将电压稳定在芯片的工作电压3.3V。
晶振电路，提供给主芯片工作频率，它决定着系统工作速率的快慢。
电源指示LED灯，在电源给电情况下，指示灯亮，LED灯功耗小，是稳定的冷光源，不易故障，稳定时间可达10年之久。
系统主控电路如图4-2所示。
图4-2轿厢机的主控电路
Fig.4-2Themaincontrolcircuitofthecablecar
4.3语音处理模块的设计
语音处理模块的框图如图4-3所示，其中AMBE-1000是语音处理模块的核心，它起要解压语音信息的功能。
当压码时，它通过话筒采集语音信息，将其压缩，然后被主控制芯片读取，将语音数据必送出去。
处于解码状态时，主控制芯片将语音处理发送给语音芯片，语音芯片解压语音编码，能过D/A转换器，然后将模拟信号放大，再通过喇叭广播出去。
图4-3语音通信模块框图
Fig.4-3Voicecommunicationsblockdiagram
根据对语音构成的分析，应运而生了多种对音频信号的压缩编码算法，如CELP、RELP、VSELP、MP-MLQ、LPC-10、MBE等，它们通过不同的算法，实现对音频信号的压缩。
这些压缩编码算法的压缩率、语音质量各有所长，其中美国DVSI（DigitalVoiceSystemInc）公司提出的先进多带激励AMBE（AdvancedMulti-BandExcitation）压缩编码算法是其中的杰出代表。
AMBE是基于MBE技术的低比特率、高质量语音压缩算法，具有语音音质好和编码速率低等优点，AMBE-1000是一款高性能多速率语音编码/解码芯片，语音编码解码速率可以在2400～9600bps之间以50bps的间隔变化，即使在2400bps的时候，仍能保持自然的声音质量和语音可懂度。
在芯片内部有相互独立的语音编码单元和解码单元，可同时完成语音的编码和解码任务。
并且所有的编码和解码操作都能在芯片内部完成，不需要额外的存储器[7]。
这些特性使它非常适合于数字语音通信、语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场合。
AMBE-1000芯片如图4-4所示。
图4-4AMBE-1000芯片
Fig.4-4AMBE-1000chip
AMBE1000是DigitalVoiceSystems公司的语音编解码芯片，用来实现双工的语音压缩/解压缩功能，能实现低传输速率下高质量的通话。
它采用先进的AMBE压缩算法，压缩速率最低可达2.4Kb/s。
目前，这种算法以其能实现的低传输速率和高通话质量而在世界范围内得到了广泛应用，甚至用在下一代移动通信系统中。
具体来说，AMBE-1000具有如下独特之处：
低硬件成本和高通话质量，无需外围辅助设备，比特差错和背景噪声良好的鲁棒性，可变传输速率2.4Kb/s～9.6Kb/s，可自动插入舒适噪声，可选的串行和并行接口，自带回声抑制功能，DTMF信号的检测与产生，低功耗。
AMBE-1000最基本的组成部分就是一个编码器和一个解码器，两者相互独立。
编码器接收8KHZ采样的语音数据流（16bit线性，8bitA律，8bitU律）并以一定的速率输出信道数据。
相反，解码器接收信道数据并合成语音数据流。
编码器和解码器接口的时序是完全异步的。
AMBE-1000读写一帧数据所需的时间远小于20ms。
也就是说在20ms时间内，除了读1帧或写1帧数据外，处理器还有大量的时间做其它的事。
这使人们有可能在半双工的低速信道内实现全双工的语音通话。
AMBE-1000采用A/D-D/A芯片作为语音信号的接口。
输入输出的语音数据流的格式必须是相同的（16bit线性的，8bitA律，8bitu律），信道接口采用8位或16位的微控制器。
图4-5语音后处理电路
Fig.4-5Voiceprocessingcircuitafter
CSP1027-S是D/A转换芯片，其外接电路如图4-5所示，其主要作用如下所述。
芯片可选择的功能包括回声抵消、VAD（语音激活检测）、电源模式、数据/前向纠错速率的选择等，这些功能由外围管脚或输入到解码器的命令帧数来决定，并且送往解码器用于控制的数据和语音数据是不同的。
A/D-D/A芯片的选择对所设计的系统的声音质量起着关键的作用。
由于A律或U律压扩芯片在采样时对数据做了压缩以减少位数，为了声音质量的考虑，建议采用16位线性的芯片。
选择芯片时要特别注意信噪比以及滤波器的频率响应特性。
A/D-D/A的硬件接口是很灵活的，时钟和激励信号可以由外部送入也可以由内部产生给可编程A/D-D/A发送控制字需要一个额外的接口。
由于D/A转换输出的模拟信号功率很小不能直接驱动喇叭，所以在D/A芯片的后级还需添加一个功放模块，在这个系统中功放模块采用美国国家半导体公司生产的AB类功放芯片LM4871。
该芯片的驱动功率可达2W所以特别试用于大音量场合。
信道接口使芯片易于集成到设计的系统中。
基本的信道接口包括串口和并口，它们都能工作于主动模式和被动模式，模式选择的控制信号可以由芯片内部给出也可以从外部送入。
常规操作时，每20ms编码器输出一帧编码过的数据，解码器需接收到这样的数据。
编码器和解码器的数据需要格式化，格式化的主要目的就是为编码数据流提供对齐信息。
数据的格式包括帧格式和非帧格式。
并口模式只工作于帧格式，串口模式既可工作于帧格式也可工作于非帧格式。
帧格式和非帧格式两种格式都是为了实现相同的功能：
为编码数据流提供定位信息。
工作于帧格式时，每20ms由编码器送出一帧数据，该帧数据有固定的结构，其中包含了用于本地控制的状态标志位。
实际上按一定波特率的编码数据才是帧格式中需要在信道间传送的语音数据。
帧格式下，系统需要在传送编码数据的同时传送足够的信息，这些信息用于在解码器端重构语音数据流。
这些信息可以很具体，但至少要满足用于重构的要求。
非帧格式下，编码器的输出数据可以认为是连续的声音数据流，这些编码数据中包含了帧的信息。
这种格式的优点是不会为信道加重带宽的负载。
缺点是解码器在合成语音波形前需要接收10-12帧的数据才能达到与数据流同步的目的。
同时，非帧格式下，每帧只指定一位用于数据的对齐，在更高误码率的信道中，需要增加更多的对齐位才能达到更高的性能（用帧格式就能很容易实现）。
当工作于帧格式时，信道数据的接口可以是串行的也可以时并行的。
而非帧格式只局限于串行。
另外帧格式使芯片既可以工作于主动模式也可以工作于被动模式，而非帧格式只能工作于被动模式。
总的编码数据由两部分组成：
语音数据和前向纠错数据。
前向纠错数据加到语音数据中使解码器能够纠正一定量的错误而使数据帧不至于报废。
如果信道传输时可能存在较多的错误，那么就应当增加前向纠错数据的位数[8]。
语音处理模块如图4-6所示。
就功能来说，AMBE-1000是一款优秀的语音压缩处理器；就其能达到的最低压缩速率来看，已达到了世界先进水平，而且能够保证高质量的通话质量。
这使得它
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