基于WiFi的煤矿井下智能终端设计.pdf

第 3 9卷 第 4期 2 O l 3年 4月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a nd M i ne Aut oma t i on Vo【 _ 3 9 NO ． 4 Ap r ． 2 01 3 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 3 0 4 0 0 0 5 0 4 D OI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 2 吴静然 ， 李 秀凤 ， 吴倩． 基于 Wi F i 的煤矿井下智能终端设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 4 5 - 8 ． 基于 Wi F i 的煤矿井下智能终端设计 吴静 然 ， 李 秀凤 ， 吴倩 1 ． 中国矿业大学 信息与电气工程学 院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄0 5 0 0 1 8 摘要 针对现有智能终端灵活性差、 功能较单一等缺点， 提 出了一种基 于 wi F i 的煤矿井下智能终端设 计 方案 ， 详 细介 绍 了该终 端的硬 件 与软 件设 计 。该 终端 集环 境 信 息采 集 、 人 员定位 和 信 息 交互 功 能 于一 体 ， 利用采集的井下环境温度 、 瓦斯体积分数等 实现对井下环境信 息和人 员信息的实时感知； 通过获得 AP的 R S S I 反 馈 给监控 中心进行 井下人 员定 位 ； 矿 工 通过人 机 交 互界 面查 看 监控 中心 发 送 的调 度 信 息 、 救 援 信 息 或者发送报警信息到监控 中心 。该终端功耗低、 实时性高、 灵活性强， 具有 良好的应用前景 。 关键 词 煤矿 监控 ；智 能终端 ； 数 据 采 集 ； Wi F i ； G 1 0 1 1 中 图分类 号 T D6 5 5 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 3 0 4 一 O 1 1 3 2 1 网络 出 版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 4 0 1 ． 1 3 2 1 ． 0 0 2 ． h t ml De s i g n o f un de r gr o u n d i n t e l l i g e n t t e r mi n a l b a s e d o n W i Fi W U J i n g r a n ．LI Xi u f e n g ． W U Qi a n 1． Sc ho ol o f I nf or ma t i o n a nd El e c t r i c a l Engi n e e r i ng，Chi n a Uni v e r s i t y of M i ni n g a nd Te c hno l o gy， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；2 ． S c h o o l o f El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，He b e i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 1 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r b a d f l e x i b i l i t y a n d s i n gl e f un c t i o n i n e x i s t i ng un de r g r ou nd i nt e l l i g e nt t e r mi n a l ，a d e s i gn s c he m e o f und e r g r o un d i nt e l l i ge nt t e r mi na l ba s e d o n W i Fi wa s pr o po s e d．d e s i gn o f ha r d wa r e a n d s of t wa r e o f t he t e r mi na l we r e i nt r o du c e d i n de t a i l s ． The t e r mi na l i nt e gr a t e s e nv i r o nme n t i n f o r m a t i o n c o l l e c t i on， pe r s o nne l l oc a t i on a nd i nf or ma t i o n i nt e r a c t i on t og e t h e r ， w h i c h us e s c o l l e c t e d t e m p e r a t u r e a n d g a s c on c e nt r a t i on t o a c hi e v e r e a l t i me pe r c e p t i o n of m i ne e nv i r o nme nt a nd p e r s o nn e l i n f o r ma t i o n， a nd s e nd RSSI of A P t o m o ni t or i n g c e n t e r i n o r de r t o r e a l i z e pe r s o nne l l oc a t i on． The mi ne r c a n r e a d s c he d ul i n g i n f or ma t i on，r e s c ue i n f or ma t i on s e nt by m o ni t or i ng c e n t e r a n d c a n s e nd a l a r m i n f o r m a t i o n t h r o u gh t he i nt e r a c t i v e i nt e r f a c e ． The t e r m i n a l h a s c ha r a c t e r i s t i c s o f l ow po we r c o ns umpt i o n， g oo d r e a l t i m e pe r f or ma nc e a nd s t r o ng f l e x i bi l i t y，whi c h ha s g o od a p pl i c a t i o n pr o s p e c t s． Ke y wo r d s c o a l m i n e mo ni t or i n g；i n t e l l i g e n t t e r m i n a l ；d a t a a c q u i s i t i o n；W i Fi ；GS1 0 1 1 0 引 言 随着 国家对 煤 矿 安 全 生产 的 日益 重 视 ， 部分 国 有 大 型煤矿 采用 了以有 线工业 以太 网为核 心骨 干 网 的煤矿综合 自动化系统 ， 使煤矿灾害在一定程度上 得到了控制 ， 但仍然存 在很 多问题 。为了更好地进 行煤 矿开 采 ， 尽量 预 防和减 少煤 矿灾 害的发 生 ， 最 大 限度 地保 护 矿工 的生 命 安 全 ， 需 要 一 套 完 善 的煤 矿 生 产监测 系 统 。智 能 终端作 为煤 矿生 产监 测 系统 中 最关键的一环， 起着举足轻重的作用 。然而， 现有的 终端功能比较单一 ， 不能同时兼具环境信息采集 、 人 员定位和信息交互等功能 ， 大多采用 R S 4 8 5等总线 收稿 日期 2 o 1 2 1 2 - 2 8 。 基金项 目 国家 自然科学 基金 资助项 目 6 0 9 7 2 0 5 9 。 作者简介 吴静然 1 9 8 9 一 ， 女 ， 河北保定人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为无线传感器 网络 ， E - ma i l 1 0 2 5 1 0 8 7 0 8 q q ．c。m 。 6 工矿 自动化 2 0 1 3年 第 3 9卷 与监 控 中心 服务器 通 信 ， 不 能 随身携 带 ， 灵 活性 比较 差 j 。为 此 ， 笔 者 设 计 了一 种 基 于 Wi F i Wi r e l e s s F e d i l i t y 的煤 矿 井 下 智 能 终 端 ， 充 分 利 用 煤 矿 井 下 现有 的工 业 以 太 网 和 无 线 Wi F i 技 术 的无 缝 结 合 ， 不但 避免 了井 下 复 杂 环 境 中现 场 总 线 布 线 难 的 问 题 ， 还可 以实 现煤 矿井 下 网络无 缝 全覆 盖 ， 兼具 环境 信息采集 、 人员定位 、 信息交互等功能 ， 具有功耗低、 安 全性 高 、 实 时性 好 、 灵 活性强 等优 点 。 1 Wi Fi 简介 wi F i 技 术 又 称 无 线 宽 带 技 术 ] ， 符 合 I E E E 8 0 2 ． 1 1 b标 准 ， 数 据 传 输 速 率 可 达 到 l 1 Mb i t ／ s ， 具 有 传输 速率 高 、 带 宽 宽和 成本低 的优点 ， 可 组成 有基 础设 施 的无 线 网络 ， 利 用 基 站 B S B a s e S t a t i o n 或 者 接入 点 A P Ac c e s s P o i n t 节 点 和 无 线 网 卡 进 行 组 网 。Wi F i 技术 在短 距离 通 信 中应用 比较 成熟 ， 其 覆 盖范 围广 ， 传 输距 离可 达几 百米 ， 性 能 明显优 于蓝 牙 、 Z i g B e e等 技 术 ； wi F i 技 术 工 作 于 2 ． 4 GHz和 5 GHz ， 本 设计 选 取 公用 频 段 2 ． 4 GHz 作 为 无线 信 道 ， 参 考 文 献 [ 4 ]等 在 理 论 上 证 明 了 煤 矿 井 下 2 ． 4 GHz 频段 在煤 矿 井下 的 可 用性 。 同时 wi F i 协 议 限制 网络 功率 ， 发 射 功率不 能 超 过 1 0 0 mW ， 符合 煤 矿井 下设 备本 质安 全性 的要 求 。 2 智 能终端 监 测 系统 总体设 计 基 于 Wi F i 的煤 矿 井下 智 能 终 端 监 测 系统 主要 由以下 4个 部分 组成 地 面监 控 中心 、 井下 以太 骨 干 网 、 本安 A P接人 点 和 W i F i 智 能 终端 。整 个 系统结 构 如 图 1 所 示 。地 面监控 中心 通 过 以太 骨 干 网和相 关 的无线 网络 实现 对 智 能 终 端 的 管 理 、 监 测 。井 下 以太骨 干 网采 用 1 0 0 0 Mb i t ／ s光纤 网络 ， 是 连接 地 面 监控 中心 和 AP的有 效 媒 介 ， 通 过 AP构 成 无 线 Me s h网络 ， 实 现 井 下 网络 的无 线 覆 盖 以 及 终 端 信 息、 网络语音 、 视频信息的传输 。智能终端 由井下作 业人 员 随身 携带 ， 除完 成 基本 照 明功能 外 ， 还可 用于 对井下环境数据和人员信息的实时感知 。终端通过 采集井下环境温度 、 瓦斯体积分数等数据判断矿工 所在位置环境的安全性 ， 定时反馈给井上监控 中心 ， 实现对井下环境 的实时监测 ， 做到提前预防监测 ； 如 相 关传 感器 数 据超 过 本 质 安 全 标 准 ， 终 端 将 进 行本 地 报警 ， 通 知 井下作 业 人员 ， 同时发送 报警 信 号给 井 上监 控 中 心。终 端 也 可 通 过 发 送 其 获 得 AP 的 R S S I 信 号 ， 采 用 相 应 的定 位 算 法 进 行 井 下 人 员 定 位 。 当人 员 发现 井 下 有 异 常情 况 时 ， 可 通 过人 机 界 面 向地 面监控 中心发 送 报 警 消 息 ， 服 务 器 收 到报 警 消息 后 ， 给予 相应 的 回复 以及 援 助支持 。 图 l 智能终端监测系统结构 3智能 终端 硬件 设计 智 能终 端 结 构 如 图 2所 示 ， 主要 由微处 理 器 模 块 、 传感 器模 块 、 人机 交互 模块 、 电源模块 组 成 。 图 2智 能 终 端 结 构 3 ． 1 微 处理 器模 块 微处 理器模 块采 用 GS 1 0 1 1 。GS 1 0 l 1作 为无 线 片上 系 统 S o C ， 硬 件 资 源 丰 富 ， 内含 双 ARM7 内核 ， 丰 富 的 I ／ 外 设 接 口 ， 整 合 了 媒 体 控 制 器 MAC 、 基 带 处 理 器 和 8 0 2 ．1 1无 线 射 频 RF 前端 [ 5 ] 。 8 0 2 ． 1 1 无 线射 频 前 端 支 持 内部 和外 部 2种 不 同工 作方 式 ， 考虑 到设 计 复杂度 、 能 耗和设 计 成本 等 因素 ， 本设计采 用 GS 1 0 1 1内部功率放 大器来驱动 射频信号的收发， 大大简化 了智能终端设计 的复杂 度 和设 计成 本 。 3 ． 2传 感器模 块 传 感 器模 块 主要包 括温 度传 感器 、 甲烷 传感 器 ， 实现 对终 端周 围 的环境 进行 实 时感知 。温 度传 感 器 采用 D S 1 8 B 2 0 ， D S 1 8 B 2 0作 为单 总线 数 字 式 温度 传 感器 ， 其 测 量 温 度 范 围 为 一5 5 ～ 1 2 5℃ ，测 温 分 辨率 可 达 0 ． 0 6 2 5℃ 。DS 1 8 B 2 0不需 要 AD转换 电 2 0 1 3年 第 4期 吴静 然等 基 于 W i F i 的煤 矿 井下智 能终 端设 计 7 路 ， 可直 接将 温度 值转 换 为温度 数 字量 ， 大 大简化 外 围电路 和设 计成 本 。 甲烷 传感 器选 用催 化器 敏传 感 器 MC J 4 ／ 2 ． 8 J ， 元 件具 有 工作 稳 定 、 可 靠 ， 响应 速 度 快 等优 点 ， 可 以用于 工业 现场 的天 然气 、 烷类 等 可燃 性气体及苯 、 酮等有机溶剂蒸气体积分数监测 ， 并且 适用于井下复杂的作业环境 ； 其 中采集的甲烷体积 分数模拟信号需采用 运放 AD C 6 2 0组成 信号调理 电路 ， 放 大 至 GS 1 0 1 1处 理 器 模块 ADC 1管 脚 进 行 处 理 ， 如 图 3所示 。该 电路 具 有 低 噪音 、 低 漂 移 、 低 失 调 电压 等性 能特 点 。 UT UT ADC6 2 0 图 3 ADC 6 2 0信 号 调 理 电路 3 ． 3人 机 交 互 模 块 人 机交 互模 块可 方便 井下 作业 人员 对智 能终 端 的操 作 ， 主要 包 括 3个按 键 以及 1 个 L E D。3个 按 键 主要 用 于液 晶数 据 显示 ， 报 警 以及 短 消息 的接 收 等操 作 ， 最 大程 度简 化 了矿灯 的操 作复 杂度 ， 保证 井 下 作业 人员 能 够 随 时在 L E D获 得 周 围 的 环境 数 据 和报警数据 。L E D显示采用低功耗 、 小体积的 8 4 4 8的点 阵式 I C D NO KI A 5 1 1 0 ， 将所 有必 须 的显示 功能 集成在 一 块芯 片上 ， 包括 L C D 电压及 偏置 电压 发 生 器 和 L C D 驱 动 器／ 驱 动 器 。采 用 串行 接 口与 GS 1 0 1 1通信 ， 接 口信 号 线 数 量 大 幅 度减 少 ， 包 括 电 源和 地在 内的信号 线仅 有 9条 ， 接线 简单 ， 所需 外部 器件 少 。NOKI A 5 l l 0硬件 连接 如 图 4所 示 。 c NOKI A 5 1 1 0 VC C GN D S CE RST D， C DI N S CLK L E D 图 4 NOKI A 5 1 1 0硬 件 连 接 电路 3 ． 4 电 源模 块 本设 计 采 用 3 ． 3 V 铁 锂 电 池 为 终 端 供 电。 GS 1 0 1 1 微 处理 器模 块 和 人 机 交 互 模 块 需 要 3 ． 3 V 电压 供 电 ， ADC 6 2 0和 甲烷 传感 器 需 要 2 ． 8 V 电压 供 电 。为 了满 足 2 ． 8 V 电源 稳压 和波 纹 小 等 特 点 ， 采用 小封 装 的 TP S 7 9 4 x x系列 电 源管 理 芯 片 ， 芯 片 输 出电压 为 2 ． 8 V， 可 满足 终端 2 ． 8 V 电压 的要 求 。 4智能 终端 软件设 计 智能 终端 软件 采 用 基 于 一 v e l o s i t y的实 时 操 作 系统 R TOS ， 具 有 实 时 性 强 、 源 码 开 源 、 向上 兼 容 性强 等优 点 ， 完成 的 主要 功能 包 括 传 感 器 的数 据 采 集 、 报警 、 数据 封包 以及 人员 交互 、 网络 管理 、 能耗 管 理等 。 4 ． 1 GS 1 0 l l软 件 结 构 GS 1 0 1 1 软 件结 构_ 6 ] 主要 由 Wi F i 硬 件 、 I ／ O 驱 动 ， R TOS 、 8 0 2 ． 1 l i 加密 、 I P网络协 议栈 、 W L AN 系 统 和 I ／ O服 务 、 AP I 接 口和 用 户 应 用 程 序 组 成 ， 如 图 5所示。在底层编写压力传感器的设备驱动 ， 为 操作 系统提 供 硬 件 的直 接 访 问接 口； 然 后调 用 S o C 中嵌 入 的 I P协议 栈 和 系 统 I ／ O， 利用 GS 1 0 1 1提供 的 AP I 接 口将底层硬件与上层开发隔离开 ， 简化开 发 流程 ， 降低开 发难 度 ， 缩 短 开发 周 期 ； 用 户 应 用 软 件 为 开发者 提供 良好 的 开 发 环境 ， 开发 者 根 据 实 际 需 求 ， 利用 AP I 接 口可 编写 相关 的应 用开发 程 序 。 五 豆 [ 二 一 用 户 开 发 8 工矿 自动化 2 0 l 3年 第 3 9卷 4 ． 3智能 终端 应 用程序 开发 智能 终 端应用 程 序 主要用 于实 现传 感器 数据 的 采集 、 处 理 、 超 限报警 、 数 据 封装 发 送 以及 人 机 交 互 等功能 。智能终端首先初始化应用程序 的运行环境 并 启动 实时 操作 系统 R TOS ， 完 成 一 v e l o s i t y内核 、 中断控 制模 块 的初始 化 ， 在 R TOS启 动 后 完 成其 他 部 分数 据 的 初 始 化 ， 包 括 F l a s h驱 动 、 NVD S 、 定 时 器 等模 块 的初 始化 ， 然后 应用 程 序启 动 内核 ， 开始 进 行 传感 器数 据 的循环 测 量 ， 具体 执 行 流 程 如 图 6 a 所 示 。G 1 0 1 1 利 用 AP P C P U 对 DS 1 8 B 2 0的温 度 数 据 和 MC J 4 ／ 2 ． 8 J的 甲烷体 积分 数 数据 进 行 分析 、 处 理 ， 如果 节点 采集 的 温度 数 据 或 者 甲烷 体 积 分 数 数据超过设定门限值 ， 利用声光报警 电路及时进 行 超限报警， 并且更新存储便于本地液 晶显示 。然后 将 传感 器数 据 和 R S S I 数 据 封装 打 包 ， 利 用 G S 1 0 1 1 的 Ma i l b o x 通 信 机 制 将 该 数 据 交 付 给 WL AN C P U， 利 用 GS 1 0 1 1自带 的无线 Wi F i 模 块将 数 据 封 装 为 UDP包 ， 发送 给 附 近 的 AP接 人 点 ， 通 过井 下 骨 干 以太 网发 送给 地 面监控 中心 。 GS 1 0 1 1采 用 F - v e l o s i t y的实 时 操 作 系 统 ， 协 议 栈可以实现周 围无线 AP的信号强度采集 ， 实现基 于 wi F i 智 能 终端 定位 。 GS 1 0 1 1 节 点 的 Al a r m 管 脚 与 B UT TON 按 键 相 连 。B UTT ON 铵 键 被 按 下 后 ， 节 点 的 Al a r m 管 脚 下 降沿 触 发 ， 节 点 被 唤 醒 ， 将 相 关 传 感 器 数 据 在 1 C D上显示 1 0 s 后进入待机状态。具体程序流程 如 图 6 b 所示 。 5 结语 基于 Wi F i 的煤矿井下智能终端集环境信息采 集 、 人员定位和信息交互为一体 ， 可实现对井下环境 信息和人员信息的实时感知 。该智能终端充分利用 煤 矿井 下 工 业 以 太 网 与 无 线 Wi F i 技 术 的无 缝 结 合 ， 不 但避 免 了井 下 复 杂 环境 中现 场 总 线 布 线 难 的 问题 ， 同时具有功耗低 、 安全性高、 实时性高 、 灵活性 强等优点 ； 用于矿难救援时， 可以最大限度提高救援 效率， 减少人员伤亡 ， 有 良好的应用前景 。 等待消息队列 获取传感器数据， 读取消息队列 参 考文献 采集温度数据、甲烷 体积分数和R S S I 数据 一温度数据 超过门限值 ＼／ N ＼ 甲烷体积分数蓟 、塑过门限 值 ～ 一 a 传感器数据采集流程 等待消息队列 按键 B UT T O N触发 失能待机， 节点唤醒 LC D显示 1 0 s 待机状态 b 按键显示流程 图 6 智能终端应用 程序流程 [ 1 ] 蔡俊 ， 姚 萌． 基 于 Z 8 F 6 4 2 3的煤矿 安全 系 统井 下智 能 终端设计[ J ] ． 微计算机 信息 ， 2 0 0 6 ， 2 2 7 2 9 4 9 6 ． E 2 ] 解玉鉴． 煤 矿 瓦斯 远 程 监 测 系统 中 的智 能 终 端 设 计 I J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 0 9 ， 4 0 1 0 7 1 7 4 ． [ 3 ] 丁恩杰 ， 刘学瑞 ， 黄艳秋 ， 等． 基 于 Wi F i 的巷 道离层 和 变形监测节点 的设计 [ J ] ． 煤炭科 学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 75 79 ． [ 4 ] D I NG E n j i e ， WAN G Ma n y i ， WE N J i n c h a o ． Pe r f o r ma nc e e va l ua t i on of 2 ．4 GH z wi r e l e s s s e ns or n o d e s t r a n s mi s s i o n i n c o a l mi n e r C] ／ ／ W R1 w o r l d Co ng r e s s on Compu t e r Sc i e nc e a nd I n f or ma t ion En gi ne e r i n g， Los Ange l e s， CA ， 2 009 ． E 5 ] G a i n S p a n C o r p o r a t i o n ． G a i n S p a n d a t a s h e e t [ E B ／ I ] ． E 2 o 1 2 0 9 1 2 ] ． h t t p ／ ／ w ww ． s p a n c o r p ． c o n n． ． [ 6 ] G a i n S p a n C o r p o r a t i o n ． G a i n S p a n e mb e d d e d p l a t f o r m s o f t wa r e a pp l i c a t i on pr og r a mmi ng gu i d e ve r s i on 2 ．0 a n d a b o v e[ E B ／ OI ] ．[ 2 O 1 2 一 o 9 一 l 2 ] ．h t t p ／ ／ ww w． s pa nc or p． c orn ． 草 一 器 T ●● 鸣 一 蜂 一 Y]