井下无线物联网与智能终端应用研究

姚 磊 张明泉 周 泉

（淮北矿业（集团）有限责任公司机电装备部，安徽 淮北 235000）

1 研究背景

近年来，随着煤矿信息化、自动化技术的不断发展，自动控制、设备状态监测、工作环境监测、语音通讯、视频监视等系统不断扩容升级，井上下数据交互、各类通讯设备大量增加，导致井下存在网络结构复杂、多系统重复建设、管理维护困难等问题，且淮北矿区存在地质构造复杂、灾害多的特点，井下巷道多，截面小，拐弯多，作业地点多，人员分散，难以有效地进行生产调度指挥管理。主要存在以下问题：

（1）各系统均为独立建设，存在数据传输设备、线路重复投入建设的问题。

（2）建设标准不统一，设备通用性差，各系统数据集成困难，系统间协同配合处理能力弱，存在“信息孤岛”现象。

（3）因各系统数据均通过有线网络传输，导致各类监测传感器、通讯电话、广播、摄像头等设备安装位置相对固定，不能及时地随着工作环境的变化而变化，采掘工作面等复杂工作环境下的工况信息很难及时、有效的传递，制约了矿井智能化建设。

（4）井下工作人员随身携带矿灯、瓦斯监测仪、人员定位卡等装备，各装备均为独立携带。现场工作人员缺乏即时通讯的手段，不能与地面调度及其他人员进行直接通信交流及协同配合，影响工作效率，同时也不便于井下作业人员的统一管理。

为提升煤矿综合管控水平，保障井上下信息、数据传输的及时性，统一智能传感、智能控制、调度通信、环境监测等数据的传输通道，实现多系统融合、联动，提高人员协作配合能力，提升人员定位精度，实现工人佩戴设备智能化、少量化，研究井下无线物联网与智能终端应用，为矿井智能化建设打下坚实基础。

2 主要研究内容

2.1 开发融合智能调度平台

融合调度平台基于主流的IP技术，采用模块化设计，集有线调度通信、无线调度通信、应急广播、视频、智能矿灯、人员定位及环境监测等功能为一体，实现有线、无线、广播、视频等系统的统一调度、统一管理、统一维护。

为了实现融合智能调度，系统采用了“以人为本”的调度理念，将所有调度终端作为寻找到人的技术保障手段。系统通过人员位置信息自动发现所找的人的周边语音设备信息，大幅度提高调度效率。

高度标准化SIP协议是基于IP技术融合调度的核心，支持语音、视频、文件传输，具备高度的灵活性以及传统程控调度无法实现的功能，如调度系统跨地域部署，与视频、应急广播、环境监测等系统融合联动，结合煤矿GIS地图实现基于位置的音视频调度等。融合调度平台架构如图1所示。

图1 融合调度平台架构图

2.2 开发综合物联网基站

基于WiFi通讯技术设计综合物联网基站，具备WiFi终端探测、WiFi传输、WiFi桥接、以太网、现场总线扩展以及窄带无线接入扩展等功能，为构建井下物联网通道提供基础硬件支撑。综合物联网基站结构示意如图2所示。

（1）WiFi覆盖和桥接，采用2.4G和5.8G双频WiFi基站，2.4G实现WiFi信号覆盖、终端接入，5.8G实现基站间无线桥接，同时基站能够为附近设备提供标准的以太网接口。

（2）集成蓝牙、ZigBee等窄带无线接入模块，适应不同类型的终端接入，扩展RS485、CAN等现场总线接入模块，为具备现场总线的终端设备提供数据传输通道。

2.3 开发智能终端

结合智能终端与矿灯特点，在未改变矿灯形态的基础上，将智能芯片、喇叭、麦克、按键、摄像头等部件与矿灯集成，实现智能终端编写，且具有完善的管理制度、管理措施。

硬件平台核心芯片选择集成度高、功耗低的智能机方案，摄像头选择低照度、高清、专业级sony 1/2.8、200万像素的图像传感器，按键、喇叭、麦克、指示灯等部件与灯头一体化设计，防护等级Ip67，本安电路与通信部件协同设计，达到Ia级。智能矿灯示意图如图3、图4所示，开发智能矿灯软件程序，实现智能矿灯功能“软件定义”。

图2 综合基站构成框图

图3 智能矿灯构成框图

图4 矿灯实体图

2.4 基于WiFi的定位算法

井下人员定位主要采用RFID区域定位技术，存在协议私有化、接入复杂、功能单一（不具备传输语音、视频、文件等功能）等特点，不利于矿山多系统融合、智能化的发展。

WiFi传输协议802.11x的底层，具有信号强度（RSSI）、数据传输时间（TOF）等信息以及WiFi终端探测特性，利用WiFi基站探测特性快速捕捉区域内WiFi终端，结合WiFi传输协议的RSSI、ToF信息，开发定位算法，进行距离计算，实现人员的精确定位，将定位与信息传输融合，简化井下设备配置，降低系统复杂度。

（1）基于RSSI定位

接收信号强度指示RSSI（Receive signal Strength Indicator），通过测得接收节点的接收功率以及信号强度，计算得到被测目标与基站间的距离，结合信息传播造成的损耗，利用信号传播衰减模型计算得到节点间的距离。

井下巷道环境复杂，由于巷道尺寸、粗糙度、侧壁倾斜度、四周材料的介电常数不同，电波在巷道传播特性较为复杂，需要建立各种模型进行配合测试。

（2）基于信号到达时间差 TDOA

通过测量不同基站接收被测目标所发信号的时间差或同一基站接收同一被测目标所发不同速度信号的时间差，计算各基站与被测目标距离的方法为TDOA测距法。

利用两个基站接收到同一被测目标所发信号的时间差，确定被测目标位于以这两个基站为焦点的双曲线上。

3 关键技术

（1）WiFi定位模式与算法设计

采用WiFi进行定位，使定位技术更加标准化和通用化，实现了井下通信与定位融合，智能终端不借助第三方定位技术进行自主定位。

（2）IP语音通话以及回音抑制与降噪技术

采用标准的SIP音视频通信协议，实现调度台与智能装备、应急广播等设备的语音、视频对讲，优化软件算法，加强回音抑制，做到在0.5m处声音80dB无啸叫，同时对不同地方的噪音做到动态调整，降低底噪。

（3）实时视频编解码、码率帧率自适应网络技术

根据网络情况对实时视频编解码、码率帧率进行处理。在网络状况一般时，维持常用的状况，不做特殊复杂处理；在网络状况不好时采用降低码率方案，如降低源头帧率、降低目标分辨率、降低幅度，根据网络状况决定是否采用连续阶梯降码率。

（4）网络漫游技术

为了避免智能终端在不同的AP（无线访问接入点）之间切换时，出现网络通讯中断的现象，采用基于矿井的独特的网络漫游算法，保障在跨基站移动中数据通信不中断。

（5）节电技术

智能判断智能装备“空闲”或“非满负荷”状态，结合软硬件特性，使用节电技术，降低设备功耗。

4 创新点

（1）复杂工矿条件下高可靠无线传输技术

淮北矿区井下巷道具有距离短、截面小、设备多等特点，工矿环境复杂，无线物联网应用过程中会发生多径效应、电磁噪声干扰等问题，通过对基站天线、软件算法的研究设计，解决了复杂工矿环境下WiFi无线传输距离短、稳定性不足的问题，并实现了数据传输跨基站无线漫游等功能。

（2）小型化、多功能、实用性装备设计

采用低功耗、本安化的集成设计，将有线以太环网、WiFi、CAN、RS485、I/O等硬件设备集成至小型化综合物联网基站中，打通井下各系统数据接入通道“最后一米”。在不改变矿灯产品形态的基础上，集成超低功耗智能处理芯片、摄像头、喇叭等模块，在矿灯上实现音视频通讯、人员定位、语音报警等功能。通过蓝牙模块，为瓦检仪、智能手环等装备提供数据传输通道，实现“一机多能”。

（3）算法及协议深度优化设计

通过对WiFi算法、VOIP协议等进行深度优化设计，实现WiFi数据终端用户大并发接入及传输，实现基于WiFi协议的连续、精准人员定位，在井下恶劣环境下实现低带宽、高质量、稳定的IP音视频通话。

（4）通用、融合、共享的平台开发

实现在一个平台上对语音调度、定位、通信、应急广播等多个系统一体化调度管理，无需专用调度台，实现局/矿两级分级调度管理。

5 结语

物联网、智能装备是国家大力倡导的发展方向，本次应用研究是一个新技术集成、融合、创新的项目。

（1）融合调度平台实现了调度通讯、人员定位、应急广播等多系统的统一调度管理，并实现集团统筹管控、矿井综合调度管理、作业现场实时调度指挥多级管控模式，提升了矿井综合管控水平。

（2）基于WiFi的物联网综合基站，通过优化设计，对复杂工矿环境适应性强，具有功能全、成本低、升级方便的特点，为各类监测、监控系统提供统一的数据传输通道，解决煤矿井下设备多、通信网络繁杂、多系统重复建设的问题，可在各种类型的矿井推广应用。

（3）智能终端的应用，在不增加井下作业人员负担的情况下，可实时掌握井下作业人员的地理位置、生命特征，提升个人安全防护水平，通过实时音视频通讯功能，提高矿井生产调度及应急指挥能力，提升安全生产效率。