一种基于4G技术的矿用防爆车辆无线监控系统的制作方法

本发明涉及矿用车辆运行监控系统技术领域，具体涉及一种对矿用防爆胶轮车辆运行参数、视频及语音通信的多信息监控系统。

背景技术：

当前煤矿安全生产新技术在不断的推广应用，管理水平也在不断的提高，煤炭调度管理人员对高速率的井下运行车辆实时数据业务、语音业务和视频业务的需求越来越迫切。同时，随着无人驾驶技术在民用车辆的不断发展，适合煤矿井下的无人驾驶车辆技术的开发必然是大势所趋。但是煤矿井下不同于地面环境，开发合适的无人车辆运行数据、视频远程传输及监控系统是煤矿无人驾驶技术所必然面临的问题。

目前车载远程信息传输及监控技术在非防爆汽车上的应用已经非常成熟。但是与地面的同类产品相比，矿用井下的无线数据监控系统发展较为缓慢，主要是针对单机现场监控，在远程状态实时监测、远程故障诊断和远程控制等方面的研究还处于起步阶段。目前国内有部分厂家已经开发出类似的产品，但都存在监控数据不够全面，实时性不高等问题，并且数据传输多采用射频技术、wifi或3g网络无线传输方式，由于传输带宽、传输距离等限制难以提供宽带综合通信能力，多存在上传数据不全面，无法完整反映运行车辆整体状况，不能实时传输视频监控数据，调度人员无法进行及时、直观的监控，网络不稳定，车辆运行容易脱网等问题。随着移动通信技术的发展，4g网络开始在我国一些煤矿推广应用，相比目前国内胶轮车监控系统所使用的射频技术、wifi、3g等通信技术等无线传输方式，矿用4g无线网络有无论从运行稳定性和传输速率方面，具有极大的提高，可满足车辆大数据及视频语音信息的远程稳定传输。因此急需开发一种集大数据量上传、高清视频监控与实时语音通话于一体的矿用防爆车辆监控系统。

技术实现要素：

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于4g技术的矿用防爆车辆无线监控系统，实现矿用防爆车辆的全方位监测以及监测数据的实时上传。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于4g技术的矿用防爆车辆无线监控系统，包括上位机和设置在矿用防爆车辆上的无线监控单元，所述无线监控单元包括柴油机保护装置、柴油机控制装置、柴油机电控换挡装置、数据显示屏、视频显示屏、4g无线传输终端以及泊车辅助装置；所述柴油机保护装置用于采集电喷柴油机的保护参数，所述柴油机控制装置用于采集电喷柴油机的燃油控制参数，所述柴油机电控换挡装置用于采集车辆行驶基本参数，所述泊车辅助装置用于采集行车视频信号；所述柴油机保护装置、柴油机控制装置和柴油机电控换挡装置的数据输出端与所述4g无线传输终端和数据显示屏连接，所述数据显示屏用于将接收到的电喷柴油机的保护参数，控制参数和车辆行驶基本参数进行实时显示并发送到所述4g无线传输终端；所述4g无线传输终端包括本安交换机、视频分配器、视频服务器和4g通讯模块，所述泊车辅助装置与所述视频分配器连接，所述视频分配器将泊车辅助装置传输的视频信号分为两路，一路传输给视频服务器，另一路传输给所述视频显示屏显示；所述数据显示屏和所述视频服务器与本安交换机连接，所述本安交换机与所述4g通讯模块连接，所述本安交换机用于将视频服务器发送的视频信号数据或数据显示屏发送的车辆运行数据选择转发至所述4g通讯模块，并通过所述4g通讯模块发送至上位机。

所述4g无线传输终端与所述上位机的实时数据通信遵循tcp传输协议，当进行车辆运行数据传输时，传输过程为：上位机首先以本地ip及端口建立数据接收服务器，并开启监听数据；4g无线传输终端作为客户端向上位机数据接收服务器申请连接，连接成功后将数据分包发送至上位机服务器端，上位机数据接收服务器接收数据后进行数据解析；当进行视频信号数据传输时，传输过程为：以4g无线传输终端的入网ip及端口建立服务器，上位机为客户端；当4g无线传输终端入网后，该服务器进行监听；当上位机客户端有视频申请时，与4g无线传输终端的服务器进行握手连接，连接成功后，实现视频信息的调取。

所述4g无线传输终端还包括can隔离模块和can-lan模块，所述柴油机保护装置、柴油机控制装置和柴油机电控换挡装置的数据输出端通过can总线与数据显示屏连接，所述数据显示屏的输出端通过can总线与所述can隔离模块连接，所述can隔离模块通过can-lan模块与本安交换机连接；通信时，所述4g无线传输终端作为通信主设备，实时从柴油机保护装置、柴油机控制装置和柴油机电控换挡装置依次进行请求获取数据，获取数据时间间隔为0.5s，若获取数据未通过帧验证，主设备进行重复请求。

所述无线监控单元还包括数据打包单元，所述柴油机保护装置、柴油机控制装置和柴油机电控换挡装置的数据输出端通过can总线与所述数据显示屏的can通信单元连接，所述数据显示屏还用于将接收到的数据通过数据打包单元打包后，由rs232通讯接口传输到本安交换机。

所述电喷柴油机的保护参数包括车辆的机油压力、排气温度、冷却水温度、发动机表面温度、补水箱水位、水洗箱水位、柴油箱油位，甲烷浓度，所述电喷柴油机的控制参数包括电喷发动机冷却水温、机油温度、燃油温度、进气温度、进气压力、机油压力、油门位置、氮氧化物浓度、一氧化碳浓度、曲轴信号状态、凸轮信号状态、电控换挡电磁阀工作状态、燃油喷射电磁阀工作状态；所述柴油机电控换挡装置采集的车辆行驶基本参数包括车号、车速、车辆行驶方向、车辆行驶当前档位、发动机转速，行驶里程、发动机运行时间、车辆行驶时间。

所述泊车辅助装置包括泊车主机、多路高清模拟摄像头和多路倒车雷达，所述高清模拟摄像头和倒车雷达与所述泊车主机连接，所述高清模拟摄像头用于采集行车视频信号，所述泊车主机与所述4g无线传输终端连接，用于实现视频信号的采集、存储、输出，以及倒车距离检测。

所述无线监控单元还包括数据存储模块，所述数据存储模块用于存储所述电喷柴油机的保护参数，控制参数和车辆行驶基本参数，所述数据存储模块包括控制单元，数据通信单元及存储单元，数据通信单元实现数据打包单元与数据存储模块的通信，控制单元控制车辆运行数据到存储单元的存储。

所述的一种基于4g技术的矿用防爆车辆无线监控系统，还包括设置在各个矿用防爆车辆车载台上的车载语音通话装置，各个防爆车辆之间以及防爆车辆与调度手机之间通过所述车载语音通话装置实现语音和视频通话。

所述的一种基于4g技术的矿用防爆车辆无线监控系统，还包括本安供电装置，所述本安供电装置包括隔爆开关和隔爆兼本安电源，所述隔爆兼本安电源通过隔爆开关与电源调节器连接，所述隔爆开关用于切断系统供电，所述隔爆兼本安电源包括多个本安电源转换单元，所述本安电源转换单元用于给所述4g无线传输终端、数据存储单元和车载语音通话装置提供本安电源。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的一种基于4g技术的矿用防爆车辆无线监控系统，包括柴油机保护装置、柴油机控制装置、柴油机电控换挡装置、数据打包单元、数据显示屏、视频显示屏、4g无线传输终端、泊车辅助装置以及4g语音通话装置；通过柴油机保护装置、柴油机控制装置和柴油机电控换挡装置采集车辆运行数据，通过泊车辅助装置采集车辆视频数据，并通过4g无线传输终端传输到上位机，可以实现矿用防爆车辆的全方位监测以及监测数据的实时上传；

此外，本发明中，4g无线传输终端与所述上位机的实时数据通信遵循tcp传输协议，当进行车辆运行数据传输时，传输过程为：上位机首先以本地ip及端口建立数据接收服务器，并开启监听数据；车载4g终端作为客户端向该上位机数据接收服务器申请连接，连接成功后将数据分包发送至上位机服务器端，该服务器接收数据后进行数据解析；当进行视频信号传输时，传输过程为：车载4g终端的入网ip及端口建立服务器，上位机为客户端；当车载4g终端入网后，该服务器进行监听；当上位机客户端有视频申请时，与该服务器进行握手连接，连接成功后，实现视频信息的调取，可以实现车辆运行数据和车辆视频数据的实时高速上传。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于4g技术的矿用防爆车辆无线监控系统的总体结构逻辑示意图；

图2为本发明实施例中无线监控单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中数据显示屏的显示示意图；

图4为本发明实施例中4g无线传输终端的结构示意图；

图5为本发明实施例中供电装置的连接示意图；

图6为本发明另一实施例中4g无线传输终端的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提出了一种基于4g技术的矿用防爆车辆无线监控系统，包括设置在矿用防爆车辆上的无线监控单元和上位机，无线监控单元通过4g网络与上位机通信连接，如图2所示，所述无线监控单元包括柴油机保护装置、柴油机控制装置、柴油机电控换挡装置、数据打包单元、数据显示屏、视频显示屏、4g无线传输终端以及泊车辅助装置。

其中，柴油机保护装置用于采集电喷采油机的保护参数，它通过实时采集设置在矿用防爆车辆上的本安型温度传感器、压力传感器、和转速传感器的信号，来得到车辆的机油压力、排气温度、冷却水温度、发动机表面温度、补水箱水位、水洗箱水位、柴油箱油位，甲烷浓度等参数；柴油机控制装置用于采集电喷柴油机的燃油控制参数，它通过实时采集设置在矿用防爆车辆上的温度、压力、转速、浓度、位移等矿用本安型传感器，得到电喷发动机冷却水温、机油温度、燃油温度、进气温度、进气压力、机油压力、油门位置、氮氧化物浓度、一氧化碳浓度（浓度传感器）、曲轴转速状态、凸轮转速状态（转速传感器）、4组电控换挡电磁阀工作状态、6组燃油喷射电磁阀工作状态、燃油电喷系统故障代码（76种）等参数；所述柴油机电控换挡装置采集的车辆行驶基本参数包括车号、车速、行驶方向、行驶档位、发动机转速，行驶里程、发动机运行时间、车辆行驶时间等等；

如图2所示，所述泊车辅助装置包括泊车主机，4路高清模拟摄像头和4路倒车雷达，其中4路高清摄像头采用低照度高清摄像头，其清晰度不低于520tv线，最低照度不低于0.01lux，在煤矿井下光线较差的环境下能保证较好的视频采集效果，4路倒车雷达为本质安全型超声波传感器，其探测距离为2m，可实现倒车防碰撞预警功能，泊车主机具备视频信号采集和输出功能，可配置为车辆前置两路摄像头分屏显示实现行车记录功能，后置两路摄像分屏显示实现倒车监控功能，视频信号可通过按钮进行切换，并将视频信号合成为一路视频av信号传输给4g无线传输终端。此外，泊车主机还具有32gb容量的本地存储空间，可将视频信息进行本地存储，所存储视频清晰度为480p或720p可设置，在保证视频清晰度的同时，满足不低于24小时的历史视频存储时间。

如图1所示，所述柴油机保护装置、柴油机控制装置和柴油机电控换挡装置的数据输出端通过can总线与所述数据显示屏的can通信单元连接，所述数据显示屏用于将接收到的电喷柴油机的保护参数，控制参数和车辆行驶基本参数通过数据打包单元打包成车辆运行数据后发送到4g无线传输终端，还用于显示接收到的电喷柴油机的保护参数，控制参数和车辆行驶基本参数。

进一步地，所述数据打包单元和所述数据显示屏集成在采用arm11内核开发的高清本质安全型数字显示屏内，工作电压为12v，工作电流小于1a。该显示屏具有的can通信端口，分别连接柴油机保护装置、柴油机燃油控制装置和柴油机电控换挡装置，收到数据后，同时将所有数据打包后通过1路rs232端口发送至4g无线传输终端。由于数据显示屏本地显示数据量较多，为了保证显示效果简洁直观，数据显示屏采用模仿汽车仪表台的图形化分屏显示方式，其显示界面分别如图3所示。图3中第一界面将柴油车辆车速及发动机转速设置为圆形仪表，将车辆档位、行进方向、甲烷及一氧化碳浓度等重要参数在屏幕中央显示，方便司机驾驶过程中观察。图3中第二界面是柴油机燃油控制参数显示屏，将所有传感器参数、电磁阀工作状态及故障代码分区显示，直观清晰。

如图3所示，所述4g无线传输终端包括本安交换机、视频分配器、视频服务器和4g通讯模块，所述泊车辅助装置与所述视频分配器连接，所述视频分配器将泊车辅助装置传输的视频信号分为两路，一路传输给视频服务器，另一路传输给所述视频显示屏显示；其中，视频显示屏为7.0英寸本质安全型视频显示屏；所述数据打包单元和所述视频服务器与本安交换机连接，所述本安交换机用于将视频信号数据和车辆运行数据选择转发至所述4g通讯模块，并通过所述4g通讯模块发送至上位机。4g无线传输终端通过视频分配器可以实现视频信号的两路传输，一路通过本安交换机和4g通讯模块上传给上位机，另一位传输给本地的视频显示屏进行本地实时显示。

其中，视频服务器实现将视频信号转化为以太网信号，本安交换机具有3个10/100mbps自适应的标准rj-45接口和2个155mbps(单纤、双纤可选)fc/st/sc光纤接口，可适用于两路光口、三路电口以内的网络交换，具有自诊断和故障指示等功能。4g通讯模块主要由核心板，底板和4g射频模块组成，其中核心板包括了cpu，ram和flash核心器件，其上运行linux操作系统，负责支撑业务、功能软件运行以及32gb容量的视频数据存储功能实现；底板负责系统的电源供电，接口电路的实现；4g通讯模块采用基于tdd-lte通信模组设计开发，实现信息的4g无线传输功能，其无线通信频率为1785-1805mhz，信号发射功率小于25dbm。

本发明中，车辆运行数据的实时传输通信遵循tcp传输协议，传输过程为上位机端首先以本地ip及端口（默认为9711）建立数据接收服务器，并开启监听数据。车载4g无线传输终端在入网的情况下，作为客户端向该上位机数据接收服务器申请连接，连接成功后将数据分包发送至上位机服务器端，该服务器接收数据后将数据解析，从而完成数据显示、存储等功能。具体ip及端口号可由技术人员通过web浏览器进行配置。

本发明中，视频信号的实时传输的通信协议同样遵循tcp传输协议，与车辆运行数据传输原理不同的是，视频传输以车载4g无线传输终端的入网ip及端口（默认为3000）建立服务器，上位机为客户端。当车载4g无线传输终端入网后，该服务器进行监听。当上位机客户端有视频申请时，与该服务器进行握手连接，连接成功后，实现视频信息的调取。

进一步地，如图2所示，本实施例的矿用防爆车辆无线监控系统还包括数据存储模块，数据存储模块采用基于arm内核的32位stm32单片机设计，所述数据存储模块所述数据显示屏的输出端连接，用于存储所述车辆运行数据，车辆运行数据包括电喷柴油机的保护参数、电喷柴油机的燃油控制参数以及车辆行驶基本参数；所述数据存储模块包括控制单元，数据通信单元及存储单元，数据通信单元实现数据打包单元与数据存储模块的通信，控制单元控制车辆运行数据到存储单元的存储，存储单元包括文件管理系统芯片ch367h及sd存储模块。数据通信单元可以为rs232通信模块，数据存储模块通过rs232通信模块监听数据打包单元发送的rs232串口数据，实现对车辆运行各参数的存储，存储时间间隔为每2s保存一帧数据。

进一步地，如图1所示，本实施例的矿用防爆车辆无线监控系统还包括设置在防爆车辆的车载台上的车载语音通话装置，各个防爆车辆之间以及防爆车辆与本安型的调度手机之间通过所述车载语音通话装置实现语音和视频通话。所述车载语音通话装置是本安型主控一体化宽带集群车载台，采用基于4gtdd-lte技术，专网覆盖区域能同时支持点对点呼叫、组呼、短信彩信、宽带数据接入、视频调度业务及多业务并发功能。该装置在矿用防爆车辆上的应用，有助于视线调度人员对车辆司机、司机与司机之间的实时通话，可进一步提高车辆运行管理水平。在4g网络覆盖情况下可实现车辆与本安4g专网视频手机、车与车之间的语音通话、视频对讲功能；在无4g网络情况下可实现车辆与本安4g专网视频手机、车与车之间的固定频段实时对讲功能。

进一步地，本发明的矿用防爆车辆无线监控系统，还包括本安型的供电装置，如图5所示，所述本安供电装置包括隔爆开关和隔爆兼本安电源，所述隔爆兼本安电源通过隔爆开关与电源调节器连接，所述隔爆开关用于切断系统供电，所述隔爆兼本安电源包括3个电源转换单元，所述电源转换单元分别用于给无线监控系统中的4g无线传输终端、数据存储单元和车载语音通话装置提供本安电源。本发明的系统整机平均功耗约为12w，在车载电池供电情况下，可实现长时间低功耗运行。其中隔爆开关为系统总开关，可独立切断整套系统供电，便于维修。车辆运行过程中，前级由电源调节器供电，由于矿用防爆车辆运行过程中采用发电机和电源调节器提供直流电，电源波动范围较大，为了避免车辆运行中“拖档”、“大油门”等运行方式造成的电源波动对系统的影响，电源转换单元可以采用mornsun的urb2412ld模块，其供电范围为9~36v，额定电流为1.7a，以满足车辆在不同路况下行车引起的供电波动要求。

本发明实施例中，上位机采用.net平台开发，主要由登陆界面、车辆信息管理界面、车辆实时监控界面、历史数据查询界面、曲线绘制界面等部分组成，实现监控调度对井下车辆的实时监控、车辆运行参数存储以及车辆运行图像视频信息监控功能；对所采集历史数据可实现查询、绘制曲线、生成报表等功能，从而可协助矿方及车辆生产厂家完成对车辆的故障预诊断与车辆维修、调度的统一管理。

如图6所示，为本发明另一实施例提出的一种基于4g技术的矿用防爆车辆无线监控系统的无线监控单元的结构示意图，该实施例与第一实施例的区别为：所述4g无线传输终端还包括can隔离模块、can-lan模块，所述柴油机保护装置、柴油机控制装置和柴油机电控换挡装置的数据输出端直接通过can总线与数据显示屏连接，数据显示屏的输出端与所述can隔离模块通信连接，所述can隔离模块通过can-lan模块与本安交换机连接。由于can总线直接可以根据地址码区分各个帧的数据，所以本实施例中，不需要设置数据打包单元即可以实现柴油机保护装置、柴油机控制装置和柴油机电控换挡装置的数据输出到所述4g无线传输终端，并发送到上位机的过程。其中，can隔离模块实现本安/非安电路的光电隔离功能，can-lan转换模块采用microchip的mcp2510和philips的tja1050作为can控制器和收发器，同时将can信号转换为以太网网络信号，实现以太网网关功能。此外，与第一实施例相同，本实施例中，无线监控单元也可以包括数据显示屏、视频显示屏，数据存储模块、车载语音通话装置等等。

本实施例中，can总线通信，采用现场总线通用的主从通信方式进行通信，即本质安全型的4g无线传输终端作为通信主设备，实时从柴油机保护装置、柴油机控制装置和柴油机电控换挡装置依次进行请求获取数据，获取数据时间间隔为0.5s，若获取数据未通过帧验证，主设备进行重复请求，从而保证了数据的保证了系统的强实时性和通信优先级的可控性。所述的can通信协议是基于can2.0b技术规范设计的，通信报文采用can2.0b扩展帧格式，主要包括主设备数据请求帧、从设备数据应答帧、电喷柴油机保护装置数据帧、电喷柴油机燃油控制装置数据帧、电控换挡装置数据帧等部分组成，长度固定为13个字节，包括1字节帧头、4个字节的帧标识以及8个字节的帧数据，针对所采集的各个数据长度不同，对每帧格式进行了详细赋值，并将尾帧字节定义为8位crc校验字节，确保设备获取数据的准确性，数据帧每个字节的详细赋值如表1所示。

表1can数据通信数据帧格式赋值表

本实施例将4g无线传输终端设置为本安型通信主设备，实时向设备电喷柴油机保护装置、电喷柴油机燃油控制装置、电控换挡装置依次进行请求获取数据，若获取数据未通过帧验证，主设备进行重复请求，从而保证了数据的保证了系统的强实时性和通信优先级的可控性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。