一種基於4G技術的礦用防爆車輛無線監控系統的製作方法
2023-09-14 23:47:00 2
本發明涉及礦用車輛運行監控系統技術領域，具體涉及一種對礦用防爆膠輪車輛運行參數、視頻及語音通信的多信息監控系統。
背景技術：
當前煤礦安全生產新技術在不斷的推廣應用，管理水平也在不斷的提高，煤炭調度管理人員對高速率的井下運行車輛實時數據業務、語音業務和視頻業務的需求越來越迫切。同時，隨著無人駕駛技術在民用車輛的不斷發展，適合煤礦井下的無人駕駛車輛技術的開發必然是大勢所趨。但是煤礦井下不同於地面環境，開發合適的無人車輛運行數據、視頻遠程傳輸及監控系統是煤礦無人駕駛技術所必然面臨的問題。
目前車載遠程信息傳輸及監控技術在非防爆汽車上的應用已經非常成熟。但是與地面的同類產品相比，礦用井下的無線數據監控系統發展較為緩慢，主要是針對單機現場監控，在遠程狀態實時監測、遠程故障診斷和遠程控制等方面的研究還處於起步階段。目前國內有部分廠家已經開發出類似的產品，但都存在監控數據不夠全面，實時性不高等問題，並且數據傳輸多採用射頻技術、wifi或3g網絡無線傳輸方式，由於傳輸帶寬、傳輸距離等限制難以提供寬帶綜合通信能力，多存在上傳數據不全面，無法完整反映運行車輛整體狀況，不能實時傳輸視頻監控數據，調度人員無法進行及時、直觀的監控，網絡不穩定，車輛運行容易脫網等問題。隨著移動通信技術的發展，4g網絡開始在我國一些煤礦推廣應用，相比目前國內膠輪車監控系統所使用的射頻技術、wifi、3g等通信技術等無線傳輸方式，礦用4g無線網絡有無論從運行穩定性和傳輸速率方面，具有極大的提高，可滿足車輛大數據及視頻語音信息的遠程穩定傳輸。因此急需開發一種集大數據量上傳、高清視頻監控與實時語音通話於一體的礦用防爆車輛監控系統。
技術實現要素：
本發明克服現有技術存在的不足，所要解決的技術問題為：提供一種基於4g技術的礦用防爆車輛無線監控系統，實現礦用防爆車輛的全方位監測以及監測數據的實時上傳。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種基於4g技術的礦用防爆車輛無線監控系統，包括上位機和設置在礦用防爆車輛上的無線監控單元，所述無線監控單元包括柴油機保護裝置、柴油機控制裝置、柴油機電控換擋裝置、數據顯示屏、視頻顯示屏、4g無線傳輸終端以及泊車輔助裝置；所述柴油機保護裝置用於採集電噴柴油機的保護參數，所述柴油機控制裝置用於採集電噴柴油機的燃油控制參數，所述柴油機電控換擋裝置用於採集車輛行駛基本參數，所述泊車輔助裝置用於採集行車視頻信號；所述柴油機保護裝置、柴油機控制裝置和柴油機電控換擋裝置的數據輸出端與所述4g無線傳輸終端和數據顯示屏連接，所述數據顯示屏用於將接收到的電噴柴油機的保護參數，控制參數和車輛行駛基本參數進行實時顯示並發送到所述4g無線傳輸終端；所述4g無線傳輸終端包括本安交換機、視頻分配器、視頻伺服器和4g通訊模塊，所述泊車輔助裝置與所述視頻分配器連接，所述視頻分配器將泊車輔助裝置傳輸的視頻信號分為兩路，一路傳輸給視頻伺服器，另一路傳輸給所述視頻顯示屏顯示；所述數據顯示屏和所述視頻伺服器與本安交換機連接，所述本安交換機與所述4g通訊模塊連接，所述本安交換機用於將視頻伺服器發送的視頻信號數據或數據顯示屏發送的車輛運行數據選擇轉發至所述4g通訊模塊，並通過所述4g通訊模塊發送至上位機。
所述4g無線傳輸終端與所述上位機的實時數據通信遵循tcp傳輸協議，當進行車輛運行數據傳輸時，傳輸過程為：上位機首先以本地ip及埠建立數據接收伺服器，並開啟監聽數據；4g無線傳輸終端作為客戶端向上位機數據接收伺服器申請連接，連接成功後將數據分包發送至上位機伺服器端，上位機數據接收伺服器接收數據後進行數據解析；當進行視頻信號數據傳輸時，傳輸過程為：以4g無線傳輸終端的入網ip及埠建立伺服器，上位機為客戶端；當4g無線傳輸終端入網後，該伺服器進行監聽；當上位機客戶端有視頻申請時，與4g無線傳輸終端的伺服器進行握手連接，連接成功後，實現視頻信息的調取。
所述4g無線傳輸終端還包括can隔離模塊和can-lan模塊，所述柴油機保護裝置、柴油機控制裝置和柴油機電控換擋裝置的數據輸出端通過can總線與數據顯示屏連接，所述數據顯示屏的輸出端通過can總線與所述can隔離模塊連接，所述can隔離模塊通過can-lan模塊與本安交換機連接；通信時，所述4g無線傳輸終端作為通信主設備，實時從柴油機保護裝置、柴油機控制裝置和柴油機電控換擋裝置依次進行請求獲取數據，獲取數據時間間隔為0.5s，若獲取數據未通過幀驗證，主設備進行重複請求。
所述無線監控單元還包括數據打包單元，所述柴油機保護裝置、柴油機控制裝置和柴油機電控換擋裝置的數據輸出端通過can總線與所述數據顯示屏的can通信單元連接，所述數據顯示屏還用於將接收到的數據通過數據打包單元打包後，由rs232通訊接口傳輸到本安交換機。
所述電噴柴油機的保護參數包括車輛的機油壓力、排氣溫度、冷卻水溫度、發動機表面溫度、補水箱水位、水洗箱水位、柴油箱油位，甲烷濃度，所述電噴柴油機的控制參數包括電噴發動機冷卻水溫、機油溫度、燃油溫度、進氣溫度、進氣壓力、機油壓力、油門位置、氮氧化物濃度、一氧化碳濃度、曲軸信號狀態、凸輪信號狀態、電控換擋電磁閥工作狀態、燃油噴射電磁閥工作狀態；所述柴油機電控換擋裝置採集的車輛行駛基本參數包括車號、車速、車輛行駛方向、車輛行駛當前檔位、發動機轉速，行駛裡程、發動機運行時間、車輛行駛時間。
所述泊車輔助裝置包括泊車主機、多路高清模擬攝像頭和多路倒車雷達，所述高清模擬攝像頭和倒車雷達與所述泊車主機連接，所述高清模擬攝像頭用於採集行車視頻信號，所述泊車主機與所述4g無線傳輸終端連接，用於實現視頻信號的採集、存儲、輸出，以及倒車距離檢測。
所述無線監控單元還包括數據存儲模塊，所述數據存儲模塊用於存儲所述電噴柴油機的保護參數，控制參數和車輛行駛基本參數，所述數據存儲模塊包括控制單元，數據通信單元及存儲單元，數據通信單元實現數據打包單元與數據存儲模塊的通信，控制單元控制車輛運行數據到存儲單元的存儲。
所述的一種基於4g技術的礦用防爆車輛無線監控系統，還包括設置在各個礦用防爆車輛車載臺上的車載語音通話裝置，各個防爆車輛之間以及防爆車輛與調度手機之間通過所述車載語音通話裝置實現語音和視頻通話。
所述的一種基於4g技術的礦用防爆車輛無線監控系統，還包括本安供電裝置，所述本安供電裝置包括隔爆開關和隔爆兼本安電源，所述隔爆兼本安電源通過隔爆開關與電源調節器連接，所述隔爆開關用於切斷系統供電，所述隔爆兼本安電源包括多個本安電源轉換單元，所述本安電源轉換單元用於給所述4g無線傳輸終端、數據存儲單元和車載語音通話裝置提供本安電源。
本發明與現有技術相比具有以下有益效果：本發明的一種基於4g技術的礦用防爆車輛無線監控系統，包括柴油機保護裝置、柴油機控制裝置、柴油機電控換擋裝置、數據打包單元、數據顯示屏、視頻顯示屏、4g無線傳輸終端、泊車輔助裝置以及4g語音通話裝置；通過柴油機保護裝置、柴油機控制裝置和柴油機電控換擋裝置採集車輛運行數據，通過泊車輔助裝置採集車輛視頻數據，並通過4g無線傳輸終端傳輸到上位機，可以實現礦用防爆車輛的全方位監測以及監測數據的實時上傳；
此外，本發明中，4g無線傳輸終端與所述上位機的實時數據通信遵循tcp傳輸協議，當進行車輛運行數據傳輸時，傳輸過程為：上位機首先以本地ip及埠建立數據接收伺服器，並開啟監聽數據；車載4g終端作為客戶端向該上位機數據接收伺服器申請連接，連接成功後將數據分包發送至上位機伺服器端，該伺服器接收數據後進行數據解析；當進行視頻信號傳輸時，傳輸過程為：車載4g終端的入網ip及埠建立伺服器，上位機為客戶端；當車載4g終端入網後，該伺服器進行監聽；當上位機客戶端有視頻申請時，與該伺服器進行握手連接，連接成功後，實現視頻信息的調取，可以實現車輛運行數據和車輛視頻數據的實時高速上傳。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的一種基於4g技術的礦用防爆車輛無線監控系統的總體結構邏輯示意圖；
圖2為本發明實施例中無線監控單元的結構示意圖；
圖3為本發明實施例中數據顯示屏的顯示示意圖；
圖4為本發明實施例中4g無線傳輸終端的結構示意圖；
圖5為本發明實施例中供電裝置的連接示意圖；
圖6為本發明另一實施例中4g無線傳輸終端的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例；基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，本發明實施例提出了一種基於4g技術的礦用防爆車輛無線監控系統，包括設置在礦用防爆車輛上的無線監控單元和上位機，無線監控單元通過4g網絡與上位機通信連接，如圖2所示，所述無線監控單元包括柴油機保護裝置、柴油機控制裝置、柴油機電控換擋裝置、數據打包單元、數據顯示屏、視頻顯示屏、4g無線傳輸終端以及泊車輔助裝置。
其中，柴油機保護裝置用於採集電噴採油機的保護參數，它通過實時採集設置在礦用防爆車輛上的本安型溫度傳感器、壓力傳感器、和轉速傳感器的信號，來得到車輛的機油壓力、排氣溫度、冷卻水溫度、發動機表面溫度、補水箱水位、水洗箱水位、柴油箱油位，甲烷濃度等參數；柴油機控制裝置用於採集電噴柴油機的燃油控制參數，它通過實時採集設置在礦用防爆車輛上的溫度、壓力、轉速、濃度、位移等礦用本安型傳感器，得到電噴發動機冷卻水溫、機油溫度、燃油溫度、進氣溫度、進氣壓力、機油壓力、油門位置、氮氧化物濃度、一氧化碳濃度（濃度傳感器）、曲軸轉速狀態、凸輪轉速狀態（轉速傳感器）、4組電控換擋電磁閥工作狀態、6組燃油噴射電磁閥工作狀態、燃油電噴系統故障代碼（76種）等參數；所述柴油機電控換擋裝置採集的車輛行駛基本參數包括車號、車速、行駛方向、行駛檔位、發動機轉速，行駛裡程、發動機運行時間、車輛行駛時間等等；
如圖2所示，所述泊車輔助裝置包括泊車主機，4路高清模擬攝像頭和4路倒車雷達，其中4路高清攝像頭採用低照度高清攝像頭，其清晰度不低於520tv線，最低照度不低於0.01lux，在煤礦井下光線較差的環境下能保證較好的視頻採集效果，4路倒車雷達為本質安全型超聲波傳感器，其探測距離為2m，可實現倒車防碰撞預警功能，泊車主機具備視頻信號採集和輸出功能，可配置為車輛前置兩路攝像頭分屏顯示實現行車記錄功能，後置兩路攝像分屏顯示實現倒車監控功能，視頻信號可通過按鈕進行切換，並將視頻信號合成為一路視頻av信號傳輸給4g無線傳輸終端。此外，泊車主機還具有32gb容量的本地存儲空間，可將視頻信息進行本地存儲，所存儲視頻清晰度為480p或720p可設置，在保證視頻清晰度的同時，滿足不低於24小時的歷史視頻存儲時間。
如圖1所示，所述柴油機保護裝置、柴油機控制裝置和柴油機電控換擋裝置的數據輸出端通過can總線與所述數據顯示屏的can通信單元連接，所述數據顯示屏用於將接收到的電噴柴油機的保護參數，控制參數和車輛行駛基本參數通過數據打包單元打包成車輛運行數據後發送到4g無線傳輸終端，還用於顯示接收到的電噴柴油機的保護參數，控制參數和車輛行駛基本參數。
進一步地，所述數據打包單元和所述數據顯示屏集成在採用arm11內核開發的高清本質安全型數字顯示屏內，工作電壓為12v，工作電流小於1a。該顯示屏具有的can通信埠，分別連接柴油機保護裝置、柴油機燃油控制裝置和柴油機電控換擋裝置，收到數據後，同時將所有數據打包後通過1路rs232埠發送至4g無線傳輸終端。由於數據顯示屏本地顯示數據量較多，為了保證顯示效果簡潔直觀，數據顯示屏採用模仿汽車儀表臺的圖形化分屏顯示方式，其顯示界面分別如圖3所示。圖3中第一界面將柴油車輛車速及發動機轉速設置為圓形儀表，將車輛檔位、行進方向、甲烷及一氧化碳濃度等重要參數在屏幕中央顯示，方便司機駕駛過程中觀察。圖3中第二界面是柴油機燃油控制參數顯示屏，將所有傳感器參數、電磁閥工作狀態及故障代碼分區顯示，直觀清晰。
如圖3所示，所述4g無線傳輸終端包括本安交換機、視頻分配器、視頻伺服器和4g通訊模塊，所述泊車輔助裝置與所述視頻分配器連接，所述視頻分配器將泊車輔助裝置傳輸的視頻信號分為兩路，一路傳輸給視頻伺服器，另一路傳輸給所述視頻顯示屏顯示；其中，視頻顯示屏為7.0英寸本質安全型視頻顯示屏；所述數據打包單元和所述視頻伺服器與本安交換機連接，所述本安交換機用於將視頻信號數據和車輛運行數據選擇轉發至所述4g通訊模塊，並通過所述4g通訊模塊發送至上位機。4g無線傳輸終端通過視頻分配器可以實現視頻信號的兩路傳輸，一路通過本安交換機和4g通訊模塊上傳給上位機，另一位傳輸給本地的視頻顯示屏進行本地實時顯示。
其中，視頻伺服器實現將視頻信號轉化為乙太網信號，本安交換機具有3個10/100mbps自適應的標準rj-45接口和2個155mbps(單纖、雙纖可選)fc/st/sc光纖接口，可適用於兩路光口、三路電口以內的網絡交換，具有自診斷和故障指示等功能。4g通訊模塊主要由核心板，底板和4g射頻模塊組成，其中核心板包括了cpu，ram和flash核心器件，其上運行linux作業系統，負責支撐業務、功能軟體運行以及32gb容量的視頻數據存儲功能實現；底板負責系統的電源供電，接口電路的實現；4g通訊模塊採用基於tdd-lte通信模組設計開發，實現信息的4g無線傳輸功能，其無線通信頻率為1785-1805mhz，信號發射功率小於25dbm。
本發明中，車輛運行數據的實時傳輸通信遵循tcp傳輸協議，傳輸過程為上位機端首先以本地ip及埠（默認為9711）建立數據接收伺服器，並開啟監聽數據。車載4g無線傳輸終端在入網的情況下，作為客戶端向該上位機數據接收伺服器申請連接，連接成功後將數據分包發送至上位機伺服器端，該伺服器接收數據後將數據解析，從而完成數據顯示、存儲等功能。具體ip及埠號可由技術人員通過web瀏覽器進行配置。
本發明中，視頻信號的實時傳輸的通信協議同樣遵循tcp傳輸協議，與車輛運行數據傳輸原理不同的是，視頻傳輸以車載4g無線傳輸終端的入網ip及埠（默認為3000）建立伺服器，上位機為客戶端。當車載4g無線傳輸終端入網後，該伺服器進行監聽。當上位機客戶端有視頻申請時，與該伺服器進行握手連接，連接成功後，實現視頻信息的調取。
進一步地，如圖2所示，本實施例的礦用防爆車輛無線監控系統還包括數據存儲模塊，數據存儲模塊採用基於arm內核的32位stm32單片機設計，所述數據存儲模塊所述數據顯示屏的輸出端連接，用於存儲所述車輛運行數據，車輛運行數據包括電噴柴油機的保護參數、電噴柴油機的燃油控制參數以及車輛行駛基本參數；所述數據存儲模塊包括控制單元，數據通信單元及存儲單元，數據通信單元實現數據打包單元與數據存儲模塊的通信，控制單元控制車輛運行數據到存儲單元的存儲，存儲單元包括文件管理系統晶片ch367h及sd存儲模塊。數據通信單元可以為rs232通信模塊，數據存儲模塊通過rs232通信模塊監聽數據打包單元發送的rs232串口數據，實現對車輛運行各參數的存儲，存儲時間間隔為每2s保存一幀數據。
進一步地，如圖1所示，本實施例的礦用防爆車輛無線監控系統還包括設置在防爆車輛的車載臺上的車載語音通話裝置，各個防爆車輛之間以及防爆車輛與本安型的調度手機之間通過所述車載語音通話裝置實現語音和視頻通話。所述車載語音通話裝置是本安型主控一體化寬帶集群車載臺，採用基於4gtdd-lte技術，專網覆蓋區域能同時支持點對點呼叫、組呼、簡訊彩信、寬帶數據接入、視頻調度業務及多業務並發功能。該裝置在礦用防爆車輛上的應用，有助於視線調度人員對車輛司機、司機與司機之間的實時通話，可進一步提高車輛運行管理水平。在4g網絡覆蓋情況下可實現車輛與本安4g專網視頻手機、車與車之間的語音通話、視頻對講功能；在無4g網絡情況下可實現車輛與本安4g專網視頻手機、車與車之間的固定頻段實時對講功能。
進一步地，本發明的礦用防爆車輛無線監控系統，還包括本安型的供電裝置，如圖5所示，所述本安供電裝置包括隔爆開關和隔爆兼本安電源，所述隔爆兼本安電源通過隔爆開關與電源調節器連接，所述隔爆開關用於切斷系統供電，所述隔爆兼本安電源包括3個電源轉換單元，所述電源轉換單元分別用於給無線監控系統中的4g無線傳輸終端、數據存儲單元和車載語音通話裝置提供本安電源。本發明的系統整機平均功耗約為12w，在車載電池供電情況下，可實現長時間低功耗運行。其中隔爆開關為系統總開關，可獨立切斷整套系統供電，便於維修。車輛運行過程中，前級由電源調節器供電，由於礦用防爆車輛運行過程中採用發電機和電源調節器提供直流電，電源波動範圍較大，為了避免車輛運行中「拖檔」、「大油門」等運行方式造成的電源波動對系統的影響，電源轉換單元可以採用mornsun的urb2412ld模塊，其供電範圍為9~36v，額定電流為1.7a，以滿足車輛在不同路況下行車引起的供電波動要求。
本發明實施例中，上位機採用.net平臺開發，主要由登陸界面、車輛信息管理界面、車輛實時監控界面、歷史數據查詢界面、曲線繪製界面等部分組成，實現監控調度對井下車輛的實時監控、車輛運行參數存儲以及車輛運行圖像視頻信息監控功能；對所採集歷史數據可實現查詢、繪製曲線、生成報表等功能，從而可協助礦方及車輛生產廠家完成對車輛的故障預診斷與車輛維修、調度的統一管理。
如圖6所示，為本發明另一實施例提出的一種基於4g技術的礦用防爆車輛無線監控系統的無線監控單元的結構示意圖，該實施例與第一實施例的區別為：所述4g無線傳輸終端還包括can隔離模塊、can-lan模塊，所述柴油機保護裝置、柴油機控制裝置和柴油機電控換擋裝置的數據輸出端直接通過can總線與數據顯示屏連接，數據顯示屏的輸出端與所述can隔離模塊通信連接，所述can隔離模塊通過can-lan模塊與本安交換機連接。由於can總線直接可以根據地址碼區分各個幀的數據，所以本實施例中，不需要設置數據打包單元即可以實現柴油機保護裝置、柴油機控制裝置和柴油機電控換擋裝置的數據輸出到所述4g無線傳輸終端，並發送到上位機的過程。其中，can隔離模塊實現本安/非安電路的光電隔離功能，can-lan轉換模塊採用microchip的mcp2510和philips的tja1050作為can控制器和收發器，同時將can信號轉換為乙太網網絡信號，實現乙太網網關功能。此外，與第一實施例相同，本實施例中，無線監控單元也可以包括數據顯示屏、視頻顯示屏，數據存儲模塊、車載語音通話裝置等等。
本實施例中，can總線通信，採用現場總線通用的主從通信方式進行通信，即本質安全型的4g無線傳輸終端作為通信主設備，實時從柴油機保護裝置、柴油機控制裝置和柴油機電控換擋裝置依次進行請求獲取數據，獲取數據時間間隔為0.5s，若獲取數據未通過幀驗證，主設備進行重複請求，從而保證了數據的保證了系統的強實時性和通信優先級的可控性。所述的can通信協議是基於can2.0b技術規範設計的，通信報文採用can2.0b擴展幀格式，主要包括主設備數據請求幀、從設備數據應答幀、電噴柴油機保護裝置數據幀、電噴柴油機燃油控制裝置數據幀、電控換擋裝置數據幀等部分組成，長度固定為13個字節，包括1位元組幀頭、4個字節的幀標識以及8個字節的幀數據，針對所採集的各個數據長度不同，對每幀格式進行了詳細賦值，並將尾幀字節定義為8位crc校驗字節，確保設備獲取數據的準確性，數據幀每個字節的詳細賦值如表1所示。
表1can數據通信數據幀格式賦值表
本實施例將4g無線傳輸終端設置為本安型通信主設備，實時向設備電噴柴油機保護裝置、電噴柴油機燃油控制裝置、電控換擋裝置依次進行請求獲取數據，若獲取數據未通過幀驗證，主設備進行重複請求，從而保證了數據的保證了系統的強實時性和通信優先級的可控性。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。