礦井一體化智能通信終端的研究與設計

張德勝

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京市朝陽區，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京市朝陽區，100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京市朝陽區，100013)

目前，井下作業人員一般需要佩戴三參數氣體檢測儀、人員定位卡、礦燈、手機等多種設備，設備佩戴不僅繁瑣，而且各個設備功能單一且智能化程度較低，不能及時有效地對井下安全狀況進行預警與管控，不利于礦井的安全化生產及人員健康防護。

《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》(國發〔2017〕35號)文件提出發展“利用人工智能提升公共安全保障能力視頻圖像信息分析識別技術”，原國家安全生產監督管理總局印發的《煤礦安全生產“十三五”規劃》(安監總煤裝〔2017〕64號)中提出要加強井下安全預警機制的建設，因此建立一套智能化和一體化智能終端勢在必行。

本文針對現有井下作業人員攜帶設備較多和設備智能化程度較低等問題，采用安卓系統作為開發平臺，利用機電一體化技術，在安卓平臺基礎上實現環境參數檢測、人員位置采集、照明、通話調度、拍照攝像的有機結合，檢測到的數據自動保存在嵌入式數據庫中，并形成數據報表和數據曲線，同時數據可通過井下無線網絡上傳到井上服務器，為井下作業指導以及安全防護提供了數據支持。

1 智能終端總體設計

智能終端主要由環境參數檢測模塊、人員定位模塊、無線通信模塊、拍照攝錄模塊、歷史數據模塊以及照明模塊組成，其結構框圖如圖1所示。

圖1 智能終端結構框圖

由圖1可以看出，環境參數檢測模塊可檢測空氣中的甲烷、氧氣和一氧化碳這3個參數；人員定位模塊采用UWB技術，利用終端內置板卡天線與人員定位基站進行通信，獲取位置信息；無線通信模塊由WIFI通信和4G通信模塊組成，可通過井下無線網絡進行數據通信；拍照攝錄模塊由數字式低照度USB攝像頭組成，可在井下黑暗環境中進行拍照攝像；歷史數據模塊由歷史報表和歷史曲線組成，歷史報表包含時間、人員位置以及環境參數信息，可進行精確歷史查詢。歷史曲線以時間為橫坐標，以環境數據為縱坐標，可通過拉伸方式進行查看；照明模塊采用高強度LED燈做為光源，可實現遠近光自由切換。

2 智能終端硬件設計

考慮到系統的穩定性，硬件設計時智能終端主要模塊分別設計不同板卡，其中環境參數檢測模塊、人員定位模塊為獨立板卡，其他模塊集成在ARM核心板上。所有獨立板卡以及外設與ARM核心板之間通過標準接口進行通信和控制，終端硬件結構圖如圖2所示。

由圖2可以看出，環境參數檢測模塊由甲烷探頭、一氧化碳探頭、氧氣探頭、信號處理電路和信號轉換電路組成，探頭經過處理電路后轉換為3路電壓信號，電壓信號通過信號轉換電路后通過1路串口與ARM核心板進行通信，實時采集環境參數信息并通過液晶顯示；人員定位模塊由測距模塊、板卡天線、按鍵、蜂鳴器組成，測距模塊通過板卡天線與井下人員定位基站進行通信，采集人員位置信息，人員位置信息通過1路串口與ARM核心板進行通信，實時采集人員位置信息并通過液晶顯示；ARM核心板通過USB驅動模塊控制USB攝像頭進行拍照攝錄，同時通過輸出電壓信號的方式控制LED燈進行照明。

圖2 智能終端硬件結構圖

ARM核心板內置電源管理模塊、聲光報警模塊、液晶顯示模塊、WIFI模塊、4G模塊、外設控制模塊以及SD卡等。其中電源管理模塊可實現充放電的保護和控制以及分級管理功能，設計時將人員定位、照明和其他模塊功能設置為三級電源優先級，其中人員定位優先級為一級，照明優先級為二級，其他模塊功能優先級為三級，通過設置模塊電源閾值,在電量不足的情況下確保高優先級模塊優先工作；聲光報警模塊可實現環境參數異常、低電等情況下的報警，報警時聲報警采用ARM核心板內置蜂鳴器進行，光報警采用LED燈閃爍方式進行；液晶顯示模塊可實時顯示終端檢測到的數據，同時數據可通過核心板上內置的WIFI模塊和4G模塊上傳到井上服務器。

3 智能終端軟件設計

軟件設計時，采用安卓系統多線程機制，設計4個線程，分別為主線程、文本數據采集線程、工況數據采集線程、數據上傳線程。智能終端軟件流程圖如圖3所示。

圖3 智能終端軟件流程圖

主線程采用Android Service實現，利用發送與接收廣播(Broadcast)機制,與其它子線程進行消息交互。

(1)文本數據采集過程。主線程開始后先進行外設的初始化，初始化完成后開啟定時器，當定時時間T完成后，開始發送數據采集命令通知文本數據采集線程進行環境參數采集與人員位置信息采集。環境參數檢測板卡接收到數據請求幀后立即采集一幀環境參數信息(甲烷、氧氣和一氧化碳)；人員定位板卡立即采集一幀人員位置信息(包含人員定位基站號、人員定位卡號、定位卡與定位基站距離以及方向信息)，數據采集完成后進行時間標記，并存儲在本地嵌入式數據庫中。

其中環境參數一幀數據共14個字節，波特率為9600 bps，幀格式見表1。人員位置一幀數據共10個字節，波特率為9600 bps，幀格式見表2。

表1 環境參數數據幀格式

表2 人員位置數據幀格式

(2)工況數據采集過程。使用過程中，有時需要對作業人員周圍工況信息進行采集。此時可通過主線程發送采集命令給工況數據采集線程，驅動USB攝像頭進行拍照或攝錄，采集的圖片和視頻存儲在本地SD卡中。

(3)數據傳輸過程。采集后的文本數據、圖像以及視頻信息需要上傳時，可啟動數據上傳線程。為了減小帶寬占用，提高傳輸的可靠性，需要對數據進行壓縮，視頻信息采用H.264標準對視頻數據進行壓縮；圖片信息采用Webp格式對數據進行壓縮；文本信息(環境參數信息與人員位置信息)采用http方式對數據進行壓縮，利用JSON格式最大程度減少數據冗余，節省帶寬。壓縮后的數據可通過井下WIFI或4G網絡傳輸到井上監控平臺。

4 智能終端性能測試

2016年，該智能終端在神東煤炭集團錦界煤礦進行了工業試驗，該礦作業人員攜帶智能終端在井下大巷、變電所、工作面等不同區域測試，實現了井下環境參數、人員位置、工況圖片視頻的實時采集、在線傳輸以及歷史查詢等功能。智能終端井下應用拓撲圖如圖4所示，具體性能測試見表3，測試時智能終端實時定位界面和歷史報表界面如圖5所示。

圖4 智能終端井下應用拓撲圖

表3 智能終端性能測試

5 結論

為了實現井下照明、人員定位、環境參數檢測、拍照攝像等功能的有機融合與數據的實時監控，采用安卓系統作為開發平臺，研制了礦井一體化智能通信終端，利用多線程機制實現多源數據的采集，并借助井下無線網絡實現了數據的實時傳輸。本設計具有以下優點：

(1)設備集成度高，極大地減輕了井下作業人員所需佩戴的設備數量，而且設備的智能化程度較高。

(2)實現了環境參數數據、人員位置數據、工況圖片視頻數據的采集與無線上傳，所有數據可在同一管理平臺進行實時監控，最大程度地為井下安全預警提供數據支持。

(3)采用安卓系統作為開發平臺，支持后期功能擴展，可由礦山物聯網與礦井多系統進行聯動控制。