煤矿物联网中智能终端的设计与实现

奚锦锦，丁恩杰，史岩岩，张 耀

（中国矿业大学 物联网（感知矿山）研究中心，江苏 徐州 221008)

如何提高煤矿安全生产水平是各个煤矿企业一直关注的焦点问题。这个问题的解决，不仅需要企业建立健全科学的管理制度，更需要在煤炭生产技术、装备上展开研究。本世纪初，部分国有大型煤矿实施了以有线工业以太网为核心的通信网络的煤矿综合自动化系统。该系统的实施提高了煤矿自动化生产水平，减少了井下作业人员。从安全角度看，在灾害、事故发生的情况下，井下工作人员的相应减少，意味着相应人员损失的减少。因此，煤矿综合自动化系统对提高煤矿安全生产水平有一定的帮助。但是，煤矿综合自动化系统基本是矿山原来各种系统的简单集成，并没有给矿山安全带来明显的改善。煤矿物联网技术作为煤矿综合自动化系统的进一步升华，则在总体规划和技术实现层面为大幅度提高煤矿安全生产水平提供了新的思路和技术架构。

在煤矿综合自动化建设的基础上，煤矿物联网建设的核心问题是“三个感知”：(1)感知井下人员周围的安全环境，实现主动式安全保障与预警；(2)感知矿山重大灾害风险，实现各种灾害事故的预警预报；(3)感知矿山重大设备工作健康状态，实现预知维修[1-2]。本设计研发的智能终端是对煤矿物联网第一个感知的具体实现。

1 功能设计

目前，矿工对工作环境的感知方式属于被动感知。与安全生产相关的各种环境参数，如甲烷浓度、矿业数据等都需要先传输到地面调度室。地面调度室再对数据进行监控预警，当检测到有异常情况发生时，调度人员才通过广播系统或者其他方式通知井下作业人员。被动感知如图1所示。由于信息传输、处理机制等因素的影响，这种被动感知的方式，会造成在突发情况下，井下作业人员不能及时获得预警信息，从而错过逃生时机，造成人员伤亡。

本文设计的智能终端设备可实现主动感知当前的工作环境，提高矿工应急处理能力。如图2所示，矿工可以直接从监控系统中获取数据，当有异常情况发生时，即使调度室没有及时通知，智能终端也能主动报警，将周围发生危险情况报告给井下人员，从而使他们安全撤离现场。

因此，为满足主动感知的要求，智能终端的设计需实现如下主要功能：

(1)具备实时监测周围环境参数的能力。即能实现对周围甲烷含量、温度以及人员当前活动状态进行监控。

(2)具备与周围安全监控设备以及调度室通信的能力。智能终端能接收到调度室的相关通知，在灾变期间能够及时接收撤离及逃生指令。智能终端可将数据发送到地面或者其他终端，提高井下工作人员的应急通信能力。

(3)具备对煤矿井下人员精确实时定位功能。利用智能终端能实现对煤矿井下人员的精确实时定位，有利于地面调度人员对井下人员活动的管理，有利于灾害发生后，提供井下人员的可能位置，提高救援效率。

2 智能终端硬件设计

智能终端硬件设计框图如图3所示。智能终端选用低功耗SoC GS1011[3]模块作为核心处理器，采用WiFi通信协议实现双向通信：通过呼救键将预存的呼救信息发送给地面调度室，通过消息键显示来自地面调度室的短信息；实现基于WiFi的人员实时定位，地面调度室通过人员定位系统可以获得智能终端在煤矿井下的位置信息；采用甲烷传感器MCJ4/2.8J[4]、温度传感器DS18B20、加速度传感器ADXL345对矿井人员周围环境进行监测，采集环境温度、甲烷浓度值、煤矿井下人员的健康状况，并将采集的值传输给中央调度室，当采集的甲烷浓度超限时蜂鸣器会发生报警；采用OLED液晶屏对采集的甲烷浓度、温度值、电池电量、时间、信号强度以及发送的呼救信息、接收的短消息进行显示。

3 智能终端软件设计

GS1011由两个 ARM7处理器：WLAN处理器和APP处理器组成。相应的节点的软件部分由运行在WLAN处理器上的WLAN固件WFW和运行在APP处理器上的应用程序固件AFW两部分组成。APP处理器通过WFW 提供的主机接口HI(Host Interface)利用一组专门的寄存器Mailbox进行通信。

WFW主要功能是控制无线链路,并给系统的其余部分提供WLAN服务。AFW包括GEPS和应用程序，GEPS包括实时嵌入式系统μ-velosity、GHNet TCP/IP协议栈。应用程序是根据实际功能需求进行开发的,调用GEPS提供的接口，从而更好地实现产品的功能。

3.1 终端程序运行流程

系统工作流程如图4所示。系统启动分为冷启动和热启动。第一次上电启动称为冷启动，而热启动过程发生在终端从待机唤醒来处理事件，唤醒原因主要有定时器唤醒和外部报警唤醒两种。所有的任务完成后，终端为了节省能耗，将进入待机状态。

系统每次启动时首先通过低频时钟RTC维持dc_dc_cntl管脚输出高电平来控制外部电源芯片为GS1011剩余模块提供核心电压。等到电压稳定之后将启动44 MHz的高速晶振，同时复位WLAN处理器，然后WLAN处理器将运行存储在BootROM中的引导码，通过两次检验后将运行存储于WLAN Flash中的WFW，完成系统的初始化以及对APP处理器的复位。

APP处理器启动后将调用主函数，完成对终端处理器的初始化，创建用户程序运行的线程，然后启动实时操作系统。初始化完成之后，终端将通过扫描、关联、认证尝试加入无线局域网，并初始化网络协议栈，采集完需要的数据后通过网络协议栈将数据发送到服务器。

所有任务完成后，终端进入工作电流小于 10 μA的低功耗待机模式。

3.2 数据采集及双向通信实现

当传感器读取定时器溢出时，终端从待机状态进入热启动，采集并处理传感器数据。数据采集包括三种传感器数据及人员定位信息，然后按照规定的协议与特定的帧格式将采集的数据发送给服务器，并等待接收服务器的回复，实现终端的双向通信。

三种传感器数据的采集主要是通过单总线接口访问DS18B20完成对温度的采集、通过I2C总线操作ADXL345完成对加速度的采集以及通过ADC1得到甲烷浓度值，并在数据超出设定的阈值时进行报警。

采集人员定位信息是通过终端扫描特定的信道并将扫描得到的AP的MAC地址、信标帧的RSSI值、信道号以及SSID等信息储存起来，并将MAC地址和RSSI值同上述三种传感器数据一起打包发送给服务器。

所有数据采集完成后一并封包，由终端通过UDP协议将数据发送给数据服务器。在完成数据包的发送后，终端需要等待一段可配置的时间Wait Time来接收数据服务器的回复ACK，然后立即进入待机状态。

3.3 定位功能实现

智能终端收集周围AP信息,并将信息传输到定位服务器；定位服务器利用这些信息采用基于RSSI的定位算法[5-6]实现对终端的实时定位。因此，智能终端需要获取周围AP信息。

根据IEEE 802.11协议簇规定，智能终端实现了主动扫描和被动扫描两种模式[7]。扫描周围AP并获取相应的信息主要利用SDK提供的WDD系列函数实现。由于IEEE 802.11协议簇的信道个数有限，因此调用相应的函数,对所有可能通信信道的通信模式进行扫描,即可实现获取周围AP信息。智能终端所设计的扫描流程如图5所示。

4 应用效果

4.1 数据采集及双向通信效果

液显键按下后，智能终端显示矿井人员所处环境的各种参数，包括信号强度值、甲烷浓度值、温度、智能终端剩余电量及当前时间。当矿井人员发现周围环境异常，如发生透水、着火、塌方或矿工身体状况出现异常时，可以按下呼救键，发送预存的呼救信息。

智能终端可以接收地面上位机的逃生指令，按下消息键后显示屏显示接收到的指令内容。

4.2 定位效果

根据智能终端发送的RSSI值，定位服务器对矿井人员实现了实时定位监控。

智能终端作为煤矿物联网中人员感知思想的具体体现，实现了对井下工作人员周围瓦斯、温度等信息的获取，实现了井下工作人员之间以及和地面调度室的通信，还为地面管理人员提供相应的定位信息。实现矿工从被动感知周围环境到主动感知周围环境的转换，有利于提高煤矿安全生产水平。智能终端在徐矿集团夹河煤矿实施的感知矿山物联网示范工程中进行了实施和应用，得到了专家和现场工作人员的充分肯定。

[1]张申，丁恩杰，徐钊,等.物联网与感知矿山专题讲座之二——感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化[J].工矿自动化，2010(11)：129-132.

[2]张申，丁恩杰，徐钊,等.物联网与感知矿山专题讲座之三——感知矿山物联网的特征与关键技术[J].工矿自动化，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]腾景忠.智能瓦斯传感器的研制[D].山东：山东科技大学,2010.

[5]戴立伟,李向阳,程赟.无线传感器网络的RSSI定位技术研究[J].计算机工程与设计,2009,30(19):4395-4397.

[6]王伟,陈岱,周勇.基于测距修正和位置校正的RSSI定位算法[J].计算机工程与设计,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.