物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下礦山監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)研究

張照淵，舒正渝

（1.甘肅省教育考試院，甘肅 蘭州 730010；2.蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730300）

礦山監(jiān)管系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)獲取礦山環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳到調(diào)度中心，調(diào)度中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之后對安全生產(chǎn)狀況進(jìn)行調(diào)度。然而實(shí)際應(yīng)用場景中存在大量各種不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器網(wǎng)絡(luò)采用不同的通信協(xié)議，不同的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性差，抗干擾能力弱，更嚴(yán)重的會出現(xiàn)“信息孤島”現(xiàn)象[1]，為了解決上述問題，設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下礦山安全監(jiān)控統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)，通過設(shè)計網(wǎng)關(guān)主控和路由模塊屏蔽底層接入設(shè)備的異構(gòu)性，同時設(shè)計了搶占式調(diào)度算法，保證優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)具有優(yōu)先處理能力，增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)的實(shí)時信息交互能力，提高系統(tǒng)響應(yīng)性能。

1 礦山監(jiān)控統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)設(shè)計

1.1 統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計

礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)使用傳感器獲取礦山環(huán)境參數(shù)，然后通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)降V山安全調(diào)度中心，調(diào)度中心分析數(shù)據(jù)得到具體的情況，并做出針對性的反應(yīng)。由于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)采用不同的傳輸協(xié)議，如RS232，RS485，CAN，ZigBee，6LowPAN[2]或者Wifi，因此統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)需要具備數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換和實(shí)時傳輸能力，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦歉删W(wǎng)絡(luò)中，從而完成多協(xié)議監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸。礦山監(jiān)控統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計如圖1所示。

1.2 硬件總體設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計主要包括主控模塊設(shè)計，路由模塊設(shè)計和相關(guān)接口電路的設(shè)計：主控模塊主要包括微處理器，電路系統(tǒng)，存儲模塊和協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊；路由模塊主要包括路由芯片，wifi收發(fā)模塊，以太網(wǎng)接口，數(shù)據(jù)存儲模塊。接口電路主要包括高性能收發(fā)模塊，負(fù)責(zé)多協(xié)議數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

在硬件設(shè)計上，主控模塊選擇STM32F429IGT6處理器[3]，并搭載最小電力系統(tǒng)以及存儲系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)多協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，路由模塊選擇MT7620A處理器[4]，搭載WiFi收發(fā)模式和存儲模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計

1.3 軟件總體設(shè)計

統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)的軟件包括主控模塊和路由模塊兩部分，主控模塊以μCOS-Ⅲ[5]為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，任務(wù)調(diào)度，資源共享和內(nèi)存管理等功能，路由模塊以O(shè)penWrt為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)wifi連接，路由管理，隊列管理等功能。總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)軟件總體設(shè)計

2 礦山監(jiān)控統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)算法設(shè)計

圖3 隊列擁塞控制反饋系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)所有隊列都能夠獲取有效的網(wǎng)絡(luò)帶寬，在網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況下，希望保障高優(yōu)先級隊列數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯拢蛢?yōu)先級數(shù)據(jù)包也能夠?qū)崿F(xiàn)有效的傳輸，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)的公平性。設(shè)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸隊列的平均長度為avgq，最大長度閾值maxth，最小長度閾值minth，多次反饋調(diào)節(jié)之后平均長度計算公式如下：

其中q表示采樣時隊列長度，wq為當(dāng)前隊列長度的權(quán)重，數(shù)據(jù)包的丟棄概率P取決于minth，maxth和Pmaxth，隊列的長度和閾值之間大小決定數(shù)據(jù)包的丟包概率。

網(wǎng)關(guān)隊列管理算法從本質(zhì)上來說是反饋控制系統(tǒng)，在網(wǎng)關(guān)隊列管理算法中，設(shè)不同優(yōu)先級隊列平均長度的控制目標(biāo)為avgq，丟棄概率的控制目標(biāo)為P，通過增加指數(shù)加權(quán)平均參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。隊列擁塞控制的反饋系統(tǒng)如圖3所示。

3 模型測試

3.1 任務(wù)調(diào)度算法驗證

圖4 兩種系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度相應(yīng)時間對比

為了驗證物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下礦山監(jiān)控統(tǒng)一調(diào)度網(wǎng)關(guān)在多任務(wù)搶占式調(diào)度中的效果，本文采用kei15[6]嵌入式開發(fā)平臺進(jìn)行仿真。在本實(shí)驗中分別模擬井下瓦斯?jié)舛龋聹貪穸纫约熬滤桓叨热齻€傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送，其優(yōu)先級分別為2，4，5，三個任務(wù)的分別添加到就緒任務(wù)列表中，然后在正式仿真測試時，隨機(jī)產(chǎn)生3類任務(wù)，然后添加到任務(wù)調(diào)度列表中。在多優(yōu)先級任務(wù)調(diào)度過程中，響應(yīng)時間的長度是衡量嵌入式操作系統(tǒng)性能的指標(biāo)，通過分析對比μCOS-Ⅲ和μCOS-Ⅱ在同樣任務(wù)的調(diào)度結(jié)果，有圖4所示。

從上圖可以看出，在相同的任務(wù)環(huán)境下，μCOS-Ⅲ對多任務(wù)調(diào)度切換所需的相應(yīng)時間比μCOS-Ⅱ要短，且隨著優(yōu)先級任務(wù)數(shù)量的增加，該趨勢更加明顯，而改進(jìn)μCOS-Ⅲ系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間和最大響應(yīng)時間更接近，說明μCOS-Ⅲ的實(shí)時響應(yīng)性能更穩(wěn)定。

3.2 網(wǎng)關(guān)隊列管理算法驗證

為了對比測試，本文用RED算法和ARED算法做對比測試。測試時間為60s，從30s開始加大網(wǎng)絡(luò)流量，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞程度增加，鏈路傳輸波動性變大，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，三種算法的統(tǒng)計結(jié)果如下。

表1 仿真結(jié)果統(tǒng)計

相對于其他兩種算法，本文算法的加權(quán)wq由分類業(yè)務(wù)的多個參數(shù)決定，平均隊列長度的波動幅度更小，數(shù)據(jù)丟包率更低，同時可有效降低全局同步的概率，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定。

4 結(jié)語

為了應(yīng)對礦山安全監(jiān)控中設(shè)備接口協(xié)議多，數(shù)據(jù)傳輸可靠性差的問題，設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下礦山安全監(jiān)控統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)，并針對性的設(shè)計了網(wǎng)關(guān)主控和路由模塊并實(shí)現(xiàn)搶占式調(diào)度算法，增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)的實(shí)時信息交互能力，提高系統(tǒng)響應(yīng)性能。