煤礦物聯(lián)網(wǎng)中智能終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

奚錦錦，丁恩杰，史巖巖，張 耀

（中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)（感知礦山）研究中心，江蘇 徐州 221008)

如何提高煤礦安全生產(chǎn)水平是各個(gè)煤礦企業(yè)一直關(guān)注的焦點(diǎn)問題。這個(gè)問題的解決，不僅需要企業(yè)建立健全科學(xué)的管理制度，更需要在煤炭生產(chǎn)技術(shù)、裝備上展開研究。本世紀(jì)初，部分國有大型煤礦實(shí)施了以有線工業(yè)以太網(wǎng)為核心的通信網(wǎng)絡(luò)的煤礦綜合自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實(shí)施提高了煤礦自動化生產(chǎn)水平，減少了井下作業(yè)人員。從安全角度看，在災(zāi)害、事故發(fā)生的情況下，井下工作人員的相應(yīng)減少，意味著相應(yīng)人員損失的減少。因此，煤礦綜合自動化系統(tǒng)對提高煤礦安全生產(chǎn)水平有一定的幫助。但是，煤礦綜合自動化系統(tǒng)基本是礦山原來各種系統(tǒng)的簡單集成，并沒有給礦山安全帶來明顯的改善。煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為煤礦綜合自動化系統(tǒng)的進(jìn)一步升華，則在總體規(guī)劃和技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面為大幅度提高煤礦安全生產(chǎn)水平提供了新的思路和技術(shù)架構(gòu)。

在煤礦綜合自動化建設(shè)的基礎(chǔ)上，煤礦物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心問題是“三個(gè)感知”：(1)感知井下人員周圍的安全環(huán)境，實(shí)現(xiàn)主動式安全保障與預(yù)警；(2)感知礦山重大災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)各種災(zāi)害事故的預(yù)警預(yù)報(bào)；(3)感知礦山重大設(shè)備工作健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)預(yù)知維修[1-2]。本設(shè)計(jì)研發(fā)的智能終端是對煤礦物聯(lián)網(wǎng)第一個(gè)感知的具體實(shí)現(xiàn)。

1 功能設(shè)計(jì)

目前，礦工對工作環(huán)境的感知方式屬于被動感知。與安全生產(chǎn)相關(guān)的各種環(huán)境參數(shù)，如甲烷濃度、礦業(yè)數(shù)據(jù)等都需要先傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室。地面調(diào)度室再對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警，當(dāng)檢測到有異常情況發(fā)生時(shí)，調(diào)度人員才通過廣播系統(tǒng)或者其他方式通知井下作業(yè)人員。被動感知如圖1所示。由于信息傳輸、處理機(jī)制等因素的影響，這種被動感知的方式，會造成在突發(fā)情況下，井下作業(yè)人員不能及時(shí)獲得預(yù)警信息，從而錯(cuò)過逃生時(shí)機(jī)，造成人員傷亡。

本文設(shè)計(jì)的智能終端設(shè)備可實(shí)現(xiàn)主動感知當(dāng)前的工作環(huán)境，提高礦工應(yīng)急處理能力。如圖2所示，礦工可以直接從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，即使調(diào)度室沒有及時(shí)通知，智能終端也能主動報(bào)警，將周圍發(fā)生危險(xiǎn)情況報(bào)告給井下人員，從而使他們安全撤離現(xiàn)場。

因此，為滿足主動感知的要求，智能終端的設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)如下主要功能：

(1)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測周圍環(huán)境參數(shù)的能力。即能實(shí)現(xiàn)對周圍甲烷含量、溫度以及人員當(dāng)前活動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

(2)具備與周圍安全監(jiān)控設(shè)備以及調(diào)度室通信的能力。智能終端能接收到調(diào)度室的相關(guān)通知，在災(zāi)變期間能夠及時(shí)接收撤離及逃生指令。智能終端可將數(shù)據(jù)發(fā)送到地面或者其他終端，提高井下工作人員的應(yīng)急通信能力。

(3)具備對煤礦井下人員精確實(shí)時(shí)定位功能。利用智能終端能實(shí)現(xiàn)對煤礦井下人員的精確實(shí)時(shí)定位，有利于地面調(diào)度人員對井下人員活動的管理，有利于災(zāi)害發(fā)生后，提供井下人員的可能位置，提高救援效率。

2 智能終端硬件設(shè)計(jì)

智能終端硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。智能終端選用低功耗SoC GS1011[3]模塊作為核心處理器，采用WiFi通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙向通信：通過呼救鍵將預(yù)存的呼救信息發(fā)送給地面調(diào)度室，通過消息鍵顯示來自地面調(diào)度室的短信息；實(shí)現(xiàn)基于WiFi的人員實(shí)時(shí)定位，地面調(diào)度室通過人員定位系統(tǒng)可以獲得智能終端在煤礦井下的位置信息；采用甲烷傳感器MCJ4/2.8J[4]、溫度傳感器DS18B20、加速度傳感器ADXL345對礦井人員周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，采集環(huán)境溫度、甲烷濃度值、煤礦井下人員的健康狀況，并將采集的值傳輸給中央調(diào)度室，當(dāng)采集的甲烷濃度超限時(shí)蜂鳴器會發(fā)生報(bào)警；采用OLED液晶屏對采集的甲烷濃度、溫度值、電池電量、時(shí)間、信號強(qiáng)度以及發(fā)送的呼救信息、接收的短消息進(jìn)行顯示。

3 智能終端軟件設(shè)計(jì)

GS1011由兩個(gè) ARM7處理器：WLAN處理器和APP處理器組成。相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的軟件部分由運(yùn)行在WLAN處理器上的WLAN固件WFW和運(yùn)行在APP處理器上的應(yīng)用程序固件AFW兩部分組成。APP處理器通過WFW 提供的主機(jī)接口HI(Host Interface)利用一組專門的寄存器Mailbox進(jìn)行通信。

WFW主要功能是控制無線鏈路,并給系統(tǒng)的其余部分提供WLAN服務(wù)。AFW包括GEPS和應(yīng)用程序，GEPS包括實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)μ-velosity、GHNet TCP/IP協(xié)議棧。應(yīng)用程序是根據(jù)實(shí)際功能需求進(jìn)行開發(fā)的,調(diào)用GEPS提供的接口，從而更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。

3.1 終端程序運(yùn)行流程

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。系統(tǒng)啟動分為冷啟動和熱啟動。第一次上電啟動稱為冷啟動，而熱啟動過程發(fā)生在終端從待機(jī)喚醒來處理事件，喚醒原因主要有定時(shí)器喚醒和外部報(bào)警喚醒兩種。所有的任務(wù)完成后，終端為了節(jié)省能耗，將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

系統(tǒng)每次啟動時(shí)首先通過低頻時(shí)鐘RTC維持dc_dc_cntl管腳輸出高電平來控制外部電源芯片為GS1011剩余模塊提供核心電壓。等到電壓穩(wěn)定之后將啟動44 MHz的高速晶振，同時(shí)復(fù)位WLAN處理器，然后WLAN處理器將運(yùn)行存儲在BootROM中的引導(dǎo)碼，通過兩次檢驗(yàn)后將運(yùn)行存儲于WLAN Flash中的WFW，完成系統(tǒng)的初始化以及對APP處理器的復(fù)位。

APP處理器啟動后將調(diào)用主函數(shù)，完成對終端處理器的初始化，創(chuàng)建用戶程序運(yùn)行的線程，然后啟動實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。初始化完成之后，終端將通過掃描、關(guān)聯(lián)、認(rèn)證嘗試加入無線局域網(wǎng)，并初始化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，采集完需要的數(shù)據(jù)后通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。

所有任務(wù)完成后，終端進(jìn)入工作電流小于 10 μA的低功耗待機(jī)模式。

3.2 數(shù)據(jù)采集及雙向通信實(shí)現(xiàn)

當(dāng)傳感器讀取定時(shí)器溢出時(shí)，終端從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入熱啟動，采集并處理傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集包括三種傳感器數(shù)據(jù)及人員定位信息，然后按照規(guī)定的協(xié)議與特定的幀格式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，并等待接收服務(wù)器的回復(fù)，實(shí)現(xiàn)終端的雙向通信。

三種傳感器數(shù)據(jù)的采集主要是通過單總線接口訪問DS18B20完成對溫度的采集、通過I2C總線操作ADXL345完成對加速度的采集以及通過ADC1得到甲烷濃度值，并在數(shù)據(jù)超出設(shè)定的閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

采集人員定位信息是通過終端掃描特定的信道并將掃描得到的AP的MAC地址、信標(biāo)幀的RSSI值、信道號以及SSID等信息儲存起來，并將MAC地址和RSSI值同上述三種傳感器數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送給服務(wù)器。

所有數(shù)據(jù)采集完成后一并封包，由終端通過UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)器。在完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送后，終端需要等待一段可配置的時(shí)間Wait Time來接收數(shù)據(jù)服務(wù)器的回復(fù)ACK，然后立即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

3.3 定位功能實(shí)現(xiàn)

智能終端收集周圍AP信息,并將信息傳輸?shù)蕉ㄎ环?wù)器；定位服務(wù)器利用這些信息采用基于RSSI的定位算法[5-6]實(shí)現(xiàn)對終端的實(shí)時(shí)定位。因此，智能終端需要獲取周圍AP信息。

根據(jù)IEEE 802.11協(xié)議簇規(guī)定，智能終端實(shí)現(xiàn)了主動掃描和被動掃描兩種模式[7]。掃描周圍AP并獲取相應(yīng)的信息主要利用SDK提供的WDD系列函數(shù)實(shí)現(xiàn)。由于IEEE 802.11協(xié)議簇的信道個(gè)數(shù)有限，因此調(diào)用相應(yīng)的函數(shù),對所有可能通信信道的通信模式進(jìn)行掃描,即可實(shí)現(xiàn)獲取周圍AP信息。智能終端所設(shè)計(jì)的掃描流程如圖5所示。

4 應(yīng)用效果

4.1 數(shù)據(jù)采集及雙向通信效果

液顯鍵按下后，智能終端顯示礦井人員所處環(huán)境的各種參數(shù)，包括信號強(qiáng)度值、甲烷濃度值、溫度、智能終端剩余電量及當(dāng)前時(shí)間。當(dāng)?shù)V井人員發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境異常，如發(fā)生透水、著火、塌方或礦工身體狀況出現(xiàn)異常時(shí)，可以按下呼救鍵，發(fā)送預(yù)存的呼救信息。

智能終端可以接收地面上位機(jī)的逃生指令，按下消息鍵后顯示屏顯示接收到的指令內(nèi)容。

4.2 定位效果

根據(jù)智能終端發(fā)送的RSSI值，定位服務(wù)器對礦井人員實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)定位監(jiān)控。

智能終端作為煤礦物聯(lián)網(wǎng)中人員感知思想的具體體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了對井下工作人員周圍瓦斯、溫度等信息的獲取，實(shí)現(xiàn)了井下工作人員之間以及和地面調(diào)度室的通信，還為地面管理人員提供相應(yīng)的定位信息。實(shí)現(xiàn)礦工從被動感知周圍環(huán)境到主動感知周圍環(huán)境的轉(zhuǎn)換，有利于提高煤礦安全生產(chǎn)水平。智能終端在徐礦集團(tuán)夾河煤礦實(shí)施的感知礦山物聯(lián)網(wǎng)示范工程中進(jìn)行了實(shí)施和應(yīng)用，得到了專家和現(xiàn)場工作人員的充分肯定。

[1]張申，丁恩杰，徐釗,等.物聯(lián)網(wǎng)與感知礦山專題講座之二——感知礦山與數(shù)字礦山、礦山綜合自動化[J].工礦自動化，2010(11)：129-132.

[2]張申，丁恩杰，徐釗,等.物聯(lián)網(wǎng)與感知礦山專題講座之三——感知礦山物聯(lián)網(wǎng)的特征與關(guān)鍵技術(shù)[J].工礦自動化，2010(12)：117-121.

[3]Gain Span Corporation.GS1011 Ultra low-power wireless system-on-chip DATA SHEET[DB/OL].USA:GainSpan Corporation,2009.

[4]騰景忠.智能瓦斯傳感器的研制[D].山東：山東科技大學(xué),2010.

[5]戴立偉,李向陽,程赟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的RSSI定位技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2009,30(19):4395-4397.

[6]王偉,陳岱,周勇.基于測距修正和位置校正的RSSI定位算法[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2011,32(2):409-412.

[7]IEEE802.11.Part 11:Wireless LAN medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications[S].LAN/MAN Committee,2007:422-423.