煤礦物聯網中智能終端的設計與實現

奚錦錦，丁恩杰，史巖巖，張 耀

（中國礦業大學 物聯網（感知礦山）研究中心，江蘇 徐州 221008)

如何提高煤礦安全生產水平是各個煤礦企業一直關注的焦點問題。這個問題的解決，不僅需要企業建立健全科學的管理制度，更需要在煤炭生產技術、裝備上展開研究。本世紀初，部分國有大型煤礦實施了以有線工業以太網為核心的通信網絡的煤礦綜合自動化系統。該系統的實施提高了煤礦自動化生產水平，減少了井下作業人員。從安全角度看，在災害、事故發生的情況下，井下工作人員的相應減少，意味著相應人員損失的減少。因此，煤礦綜合自動化系統對提高煤礦安全生產水平有一定的幫助。但是，煤礦綜合自動化系統基本是礦山原來各種系統的簡單集成，并沒有給礦山安全帶來明顯的改善。煤礦物聯網技術作為煤礦綜合自動化系統的進一步升華，則在總體規劃和技術實現層面為大幅度提高煤礦安全生產水平提供了新的思路和技術架構。

在煤礦綜合自動化建設的基礎上，煤礦物聯網建設的核心問題是“三個感知”：(1)感知井下人員周圍的安全環境，實現主動式安全保障與預警；(2)感知礦山重大災害風險，實現各種災害事故的預警預報；(3)感知礦山重大設備工作健康狀態，實現預知維修[1-2]。本設計研發的智能終端是對煤礦物聯網第一個感知的具體實現。

1 功能設計

目前，礦工對工作環境的感知方式屬于被動感知。與安全生產相關的各種環境參數，如甲烷濃度、礦業數據等都需要先傳輸到地面調度室。地面調度室再對數據進行監控預警，當檢測到有異常情況發生時，調度人員才通過廣播系統或者其他方式通知井下作業人員。被動感知如圖1所示。由于信息傳輸、處理機制等因素的影響，這種被動感知的方式，會造成在突發情況下，井下作業人員不能及時獲得預警信息，從而錯過逃生時機，造成人員傷亡。

本文設計的智能終端設備可實現主動感知當前的工作環境，提高礦工應急處理能力。如圖2所示，礦工可以直接從監控系統中獲取數據，當有異常情況發生時，即使調度室沒有及時通知，智能終端也能主動報警，將周圍發生危險情況報告給井下人員，從而使他們安全撤離現場。

因此，為滿足主動感知的要求，智能終端的設計需實現如下主要功能：

(1)具備實時監測周圍環境參數的能力。即能實現對周圍甲烷含量、溫度以及人員當前活動狀態進行監控。

(2)具備與周圍安全監控設備以及調度室通信的能力。智能終端能接收到調度室的相關通知，在災變期間能夠及時接收撤離及逃生指令。智能終端可將數據發送到地面或者其他終端，提高井下工作人員的應急通信能力。

(3)具備對煤礦井下人員精確實時定位功能。利用智能終端能實現對煤礦井下人員的精確實時定位，有利于地面調度人員對井下人員活動的管理，有利于災害發生后，提供井下人員的可能位置，提高救援效率。

2 智能終端硬件設計

智能終端硬件設計框圖如圖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通信協議實現雙向通信：通過呼救鍵將預存的呼救信息發送給地面調度室，通過消息鍵顯示來自地面調度室的短信息；實現基于WiFi的人員實時定位，地面調度室通過人員定位系統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對礦井人員周圍環境進行監測，采集環境溫度、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度室，當采集的甲烷濃度超限時蜂鳴器會發生報警；采用OLED液晶屏對采集的甲烷濃度、溫度值、電池電量、時間、信號強度以及發送的呼救信息、接收的短消息進行顯示。

3 智能終端軟件設計

GS1011由兩個 ARM7處理器：WLAN處理器和APP處理器組成。相應的節點的軟件部分由運行在WLAN處理器上的WLAN固件WFW和運行在APP處理器上的應用程序固件AFW兩部分組成。APP處理器通過WFW 提供的主機接口HI(Host Interface)利用一組專門的寄存器Mailbox進行通信。

WFW主要功能是控制無線鏈路,并給系統的其余部分提供WLAN服務。AFW包括GEPS和應用程序，GEPS包括實時嵌入式系統μ-velosity、GHNet TCP/IP協議棧。應用程序是根據實際功能需求進行開發的,調用GEPS提供的接口，從而更好地實現產品的功能。

3.1 終端程序運行流程

系統工作流程如圖4所示。系統啟動分為冷啟動和熱啟動。第一次上電啟動稱為冷啟動，而熱啟動過程發生在終端從待機喚醒來處理事件，喚醒原因主要有定時器喚醒和外部報警喚醒兩種。所有的任務完成后，終端為了節省能耗，將進入待機狀態。

系統每次啟動時首先通過低頻時鐘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。等到電壓穩定之后將啟動44 MHz的高速晶振，同時復位WLAN處理器，然后WLAN處理器將運行存儲在BootROM中的引導碼，通過兩次檢驗后將運行存儲于WLAN Flash中的WFW，完成系統的初始化以及對APP處理器的復位。

APP處理器啟動后將調用主函數，完成對終端處理器的初始化，創建用戶程序運行的線程，然后啟動實時操作系統。初始化完成之后，終端將通過掃描、關聯、認證嘗試加入無線局域網，并初始化網絡協議棧，采集完需要的數據后通過網絡協議棧將數據發送到服務器。

所有任務完成后，終端進入工作電流小于 10 μA的低功耗待機模式。

3.2 數據采集及雙向通信實現

當傳感器讀取定時器溢出時，終端從待機狀態進入熱啟動，采集并處理傳感器數據。數據采集包括三種傳感器數據及人員定位信息，然后按照規定的協議與特定的幀格式將采集的數據發送給服務器，并等待接收服務器的回復，實現終端的雙向通信。

三種傳感器數據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，并在數據超出設定的閾值時進行報警。

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據一起打包發送給服務器。

所有數據采集完成后一并封包，由終端通過UDP協議將數據發送給數據服務器。在完成數據包的發送后，終端需要等待一段可配置的時間Wait Time來接收數據服務器的回復ACK，然后立即進入待機狀態。

3.3 定位功能實現

智能終端收集周圍AP信息,并將信息傳輸到定位服務器；定位服務器利用這些信息采用基于RSSI的定位算法[5-6]實現對終端的實時定位。因此，智能終端需要獲取周圍AP信息。

根據IEEE 802.11協議簇規定，智能終端實現了主動掃描和被動掃描兩種模式[7]。掃描周圍AP并獲取相應的信息主要利用SDK提供的WDD系列函數實現。由于IEEE 802.11協議簇的信道個數有限，因此調用相應的函數,對所有可能通信信道的通信模式進行掃描,即可實現獲取周圍AP信息。智能終端所設計的掃描流程如圖5所示。

4 應用效果

4.1 數據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境的各種參數，包括信號強度值、甲烷濃度值、溫度、智能終端剩余電量及當前時間。當礦井人員發現周圍環境異常，如發生透水、著火、塌方或礦工身體狀況出現異常時，可以按下呼救鍵，發送預存的呼救信息。

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

4.2 定位效果

根據智能終端發送的RSSI值，定位服務器對礦井人員實現了實時定位監控。

智能終端作為煤礦物聯網中人員感知思想的具體體現，實現了對井下工作人員周圍瓦斯、溫度等信息的獲取，實現了井下工作人員之間以及和地面調度室的通信，還為地面管理人員提供相應的定位信息。實現礦工從被動感知周圍環境到主動感知周圍環境的轉換，有利于提高煤礦安全生產水平。智能終端在徐礦集團夾河煤礦實施的感知礦山物聯網示范工程中進行了實施和應用，得到了專家和現場工作人員的充分肯定。

[1]張申，丁恩杰，徐釗,等.物聯網與感知礦山專題講座之二——感知礦山與數字礦山、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.物聯網與感知礦山專題講座之三——感知礦山物聯網的特征與關鍵技術[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,2010.

[5]戴立偉,李向陽,程赟.無線傳感器網絡的RSSI定位技術研究[J].計算機工程與設計,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].計算機工程與設計,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.