物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式礦下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 佳

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息技術(shù)系，南京211006）

引 言

在“感知中國(guó)”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全面發(fā)展的環(huán)境下，“感知礦山”是中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中重要的一環(huán)，本設(shè)計(jì)所構(gòu)建的系統(tǒng)主要完成對(duì)礦井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)井下工作人員的定位跟蹤、將收集的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并上傳到監(jiān)控中心，為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)、管理者制定科學(xué)決策提供有效依據(jù)。該系統(tǒng)是一個(gè)集物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)，本文篇幅有限，主要闡述該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)分為三大模塊：服務(wù)器端（PC）、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)（A8）和遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)終端（M0）。

本系統(tǒng)在礦區(qū)的安裝布置方式如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)安裝布置方式

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及部署

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式礦下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是基于PC、Cortex-A8及Cortex-M0等設(shè)計(jì)，依托各項(xiàng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)礦井井下環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、人員位置跟蹤，以實(shí)現(xiàn)最大限度的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)。

煤礦的礦區(qū)特點(diǎn)是單個(gè)礦井縱深長(zhǎng)，而范圍卻比較小，各個(gè)終端和數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行連接時(shí)必須使用級(jí)聯(lián)的方式，各個(gè)終端相互之間進(jìn)行逐級(jí)上報(bào)，M0采集模塊完成數(shù)據(jù)采集，通過(guò)ZigBee通信上報(bào)到A8前端數(shù)據(jù)處理中心，然后A8前端模塊集中將數(shù)據(jù)通過(guò)WEB方式提供給遠(yuǎn)程PC后臺(tái)。

1.2 系統(tǒng)功能描述

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能主要包括：M0終端安裝在礦井的縱深方向，各個(gè)M0終端通過(guò)ZigBee進(jìn)行級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井的分布式數(shù)據(jù)采集；M0終端實(shí)時(shí)采集礦下環(huán)境數(shù)據(jù)：溫度、濕度、瓦斯?jié)舛?、RFID刷卡數(shù)據(jù)；最靠近數(shù)據(jù)處理中心的M0終端、通過(guò)ZigBee通信，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)及刷卡信息傳送給數(shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心（A8）接收到各個(gè)M0終端采集的數(shù)據(jù)后進(jìn)行統(tǒng)一處理（存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、產(chǎn)生報(bào)警信息、更新到核心服務(wù)器端）；數(shù)據(jù)處理中心（A8）通過(guò)GPRS模塊向綁定的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息；數(shù)據(jù)處理中心（A8）構(gòu)建嵌入式WEB服務(wù)器，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和PC進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置；服務(wù)器PC端為總的數(shù)據(jù)處理后臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到各個(gè)A8數(shù)據(jù)處理中心，下載各個(gè)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)以進(jìn)行二次數(shù)據(jù)處理。

1.3 系統(tǒng)通信方式

在本系統(tǒng)中，三個(gè)模塊間使用了以下幾種通信方式。

PC后臺(tái)和A8數(shù)據(jù)處理中心之間：使用WEB服務(wù)的方式，由A8數(shù)據(jù)處理中心構(gòu)建的嵌入式WEB服務(wù)器，在模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制網(wǎng)頁(yè)，PC通過(guò)普通網(wǎng)頁(yè)的方式進(jìn)行模塊的訪問(wèn)和控制。

A8數(shù)據(jù)處理中心和M0數(shù)據(jù)采集模塊之間：使用ZigBee短程無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和模塊的控制。

A8模塊和手機(jī)之間：A8模塊連接一個(gè)GPRS模塊，目前主要使用短信的方式，在緊急事件發(fā)生時(shí)，向用戶手機(jī)發(fā)出短信；同時(shí)GPRS模塊也可以提供數(shù)據(jù)連接方式，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的WEB訪問(wèn)。

各個(gè)M0數(shù)據(jù)采集模塊之間：使用ZigBee短程無(wú)線通信，在深井內(nèi)的M0模塊由于距離過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法和A8進(jìn)行通信，所以必須使用級(jí)聯(lián)的方式，通過(guò)相鄰的M0模塊進(jìn)行逐級(jí)上報(bào)。

2 數(shù)據(jù)處理中心（A8）

基于Cortex-A8的數(shù)據(jù)處理中心模塊，需要實(shí)現(xiàn)與PC的WEB連接、與各個(gè)采集模塊的ZigBee通信、與手機(jī)的GPRS通信，為此使用基于ARMv7的Cortex-A8內(nèi)核的高性能嵌入式處理器，構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建嵌入式WEB服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端連接，移植QT圖像界面以實(shí)現(xiàn)本地化的簡(jiǎn)單控制。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)處理中心模塊為一個(gè)完整的嵌入式Linux系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)上使用三星公司基于Cortex-A8內(nèi)核ARM CPU S5PC100芯片作為主處理器，擴(kuò)展SDRAM、Flash構(gòu)成一個(gè)高性能的嵌入式控制板。在此基礎(chǔ)上使用Linux操作系統(tǒng)、QT圖形界面，以及BOA嵌入式WEB服務(wù)器，提供網(wǎng)頁(yè)連接方式。

模塊開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用了華清遠(yuǎn)見(jiàn)公司的S5PC100開(kāi)發(fā)板進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)評(píng)估，在開(kāi)發(fā)板的基礎(chǔ)上通過(guò)UART串口擴(kuò)展了ZigBee和GPRS模塊，硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件架構(gòu)圖

作為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了軟件的分層和模塊化設(shè)計(jì)方式，在評(píng)估板上移植了嵌入式Linux作為應(yīng)用系統(tǒng)，并為各個(gè)部分的硬件模塊編寫相應(yīng)的Linux驅(qū)動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在此平臺(tái)上再進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)

2.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

這里所說(shuō)的平臺(tái)，是在S5PC100開(kāi)發(fā)板上構(gòu)建一個(gè)嵌入式Linux平臺(tái)，分為內(nèi)核層和驅(qū)動(dòng)層兩個(gè)主要部分。其中，內(nèi)核層完成Linux內(nèi)核的裝載、啟動(dòng)、根文件系統(tǒng)的掛載，包括u-boot啟動(dòng)器、Linux內(nèi)核、rootfs文件系統(tǒng)、yaffs文件系統(tǒng)，而驅(qū)動(dòng)層則是GPRS、LED、ZigBee等外部硬件設(shè)備的硬件驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，從NAND Flash中啟動(dòng)u-boot，通過(guò)uboot從NAND Flash中裝載Linux內(nèi)核鏡像，并掛載rootfs文件系統(tǒng)供內(nèi)核使用。yaffs文件系統(tǒng)用于管理NAND Flash的余下分區(qū)，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用。

2.3 應(yīng)用設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)處理中心（A8）需要不停讀取各個(gè)采集終端（M0）采集到的環(huán)境信息，根據(jù)環(huán)境信息決定是否產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)（發(fā)短信、網(wǎng)頁(yè)通知、聲光報(bào)警等）并進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存。同時(shí)，還要響應(yīng)PC后臺(tái)的網(wǎng)頁(yè)請(qǐng)求，提供后臺(tái)PC的無(wú)線訪問(wèn)。

系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了5個(gè)進(jìn)程，描述如下：

①主進(jìn)程負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并做主要的事務(wù)處理，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及網(wǎng)頁(yè)報(bào)警信息通過(guò)共享內(nèi)存和QT進(jìn)程，記錄進(jìn)程并交互；

②ZigBee進(jìn)程負(fù)責(zé)按設(shè)定好的時(shí)間間隔從各個(gè)分板將數(shù)據(jù)讀回來(lái)，并通過(guò)消息隊(duì)列通知主進(jìn)程；

③QT進(jìn)程負(fù)責(zé)人機(jī)界面交互，從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，顯示于LCD上，并處理用戶輸入，響應(yīng)用戶操作；

④數(shù)據(jù)記錄進(jìn)程，從共享內(nèi)存中取得各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄于數(shù)據(jù)庫(kù)中；

⑤CGI程序?yàn)楠?dú)立的可執(zhí)行程序，從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，響應(yīng)網(wǎng)頁(yè)操作，并將網(wǎng)頁(yè)設(shè)置的值通過(guò)共享內(nèi)存?zhèn)鬟f給主進(jìn)程，進(jìn)行事務(wù)的處理。

（2）HTML和QT界面設(shè)計(jì)

網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面主要用來(lái)顯示相關(guān)信息，并提供設(shè)置選擇是否產(chǎn)生相應(yīng)的報(bào)警信息。從安全角度考慮，進(jìn)入系統(tǒng)之前，必須進(jìn)行用戶校驗(yàn)。用戶登錄進(jìn)入系統(tǒng)后，可以通過(guò)左側(cè)選擇查看各個(gè)終端，右側(cè)設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)切換各個(gè)終端的數(shù)據(jù)顯示，如圖4所示。

除了登錄檢查和監(jiān)控，系統(tǒng)還提供了歷史數(shù)據(jù)查看功能，如圖5所示?？梢圆榭辞皫滋斓臄?shù)據(jù)，類似于監(jiān)控界面，通過(guò)左側(cè)的選擇框選擇相應(yīng)的終端，右邊實(shí)時(shí)切換至相應(yīng)的信息顯示；此外增加了圖表方式進(jìn)行連接的曲線顯示。

3 數(shù)據(jù)采集終端（M0）

實(shí)際安裝在各個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集終端，在夜間斷電時(shí)還要能夠監(jiān)測(cè)礦井里各個(gè)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，使用電池和電力交叉供電的方式?；贑ortex-M0內(nèi)核的LPC11C14微處理器作為主控芯片，它是一個(gè)超低功耗的ARM內(nèi)核CPU，可以在保證系統(tǒng)功能的情況下，實(shí)現(xiàn)在電池供電狀態(tài)下的較長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能描述

數(shù)據(jù)采集終端M0，安裝于礦井的各個(gè)部分，負(fù)責(zé)各個(gè)點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)上報(bào)，整體架構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)功能包括：環(huán)境信息采集，即如溫度、濕度、瓦斯?jié)舛?；RFID數(shù)據(jù)采集，每個(gè)M0終端可以連接一個(gè)RFID讀卡器，用于工人位置的簡(jiǎn)單定位；輔助信息采集，模塊本身電池電量、Axis＿3三軸加速度（在發(fā)生地震時(shí)，由于不平衡，震動(dòng)而觸發(fā)）；數(shù)據(jù)上報(bào)，通過(guò)ZigBee模塊將采集的數(shù)據(jù)上報(bào)到A8前端數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行統(tǒng)一處理；異常報(bào)警，正常情況下，模塊的異常告警由A8模塊進(jìn)行控制，在異常產(chǎn)生時(shí)，可以獨(dú)立生產(chǎn)異常報(bào)警信息；運(yùn)行狀態(tài)指示，簡(jiǎn)單的LED指示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)（是否在工作）等。

圖4 登錄頁(yè)面與系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖5 歷史數(shù)據(jù)查看

圖6 M0模塊系統(tǒng)架構(gòu)

M0終端需要采集環(huán)境的濕度、溫度、瓦斯?jié)舛燃捌渌嚓P(guān)信息，并處理ZigBee通信。

主要包括：采用DHT11傳感器對(duì)溫濕度信息進(jìn)行采集；采用 MMA7455L傳感器采集三軸加速度；采用CY14443/SPI對(duì)RFID信息采集；采用ADC 3通道對(duì)電池電量信息采集；采用ADC0通道對(duì)電位器信息采集；采用RS232接口的集成ZigBee模塊進(jìn)行無(wú)線通信。

3.2 M0終端工作流程

在本系統(tǒng)中，M0作為分布式模塊安裝于礦井的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集各個(gè)環(huán)境信息并通過(guò)ZigBee模塊進(jìn)行上報(bào)，主要包括4個(gè)處理流程：ZigBee接收中斷處理、RFID中斷處理、秒中斷處理和主流程。

首先，系統(tǒng)上電初始化 M0終端設(shè)備，系統(tǒng)定時(shí)器、GPIO口、SPI、UART、I2C總線等設(shè)備，配置系統(tǒng)定時(shí)器為1 ms，配置中斷處理函數(shù)為1 s，第一次采集信息。

然后，主程序進(jìn)行輪詢判斷，在沒(méi)有外部中斷（ZigBee接收中斷，RFID刷卡中斷）情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，嘗試與主站A8模塊進(jìn)行通信。在通信未成功之前，M0終端設(shè)置為自動(dòng)報(bào)警模式（自我環(huán)境監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警等）。

當(dāng)有外部RFID時(shí)，其他數(shù)據(jù)正常采集，RFID中斷函數(shù)同時(shí)對(duì)磁卡數(shù)據(jù)采集校驗(yàn)，并通過(guò)ZigBee模塊發(fā)送給A8模塊。

當(dāng)有外部中斷ZigBee接收中斷時(shí)，中斷處理函數(shù)接收A8服務(wù)器發(fā)過(guò)來(lái)的命令，執(zhí)行不同的操作，同時(shí)將M0終端設(shè)置為受控模式。

從安全穩(wěn)定的角度考慮，在A8模塊異常、M0終端無(wú)法和A8模塊通信超過(guò)30 s時(shí)，M0終端將會(huì)切換到自動(dòng)模式，自己進(jìn)行異常檢測(cè)，根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)判斷是否產(chǎn)生報(bào)警信息（聲光報(bào)警）。

結(jié) 語(yǔ)

整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建比較復(fù)雜，涉及硬件設(shè)計(jì)、ARM內(nèi)核編程、系統(tǒng)bootloader、Linux內(nèi)核移植、驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式Linux應(yīng)用編程、網(wǎng)頁(yè)編程、AJAX網(wǎng)頁(yè)動(dòng)態(tài)加載技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)編程等多各項(xiàng)技術(shù)的綜合應(yīng)用。

在系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程中，必須保持清晰的模塊化設(shè)計(jì)，并且在模塊分布架構(gòu)前，必須設(shè)計(jì)好整個(gè)數(shù)據(jù)流，根據(jù)數(shù)據(jù)流來(lái)進(jìn)行模塊的劃分與交互，單個(gè)模塊的技術(shù)應(yīng)用并不復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與架構(gòu)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

目前，本設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的基本框架，完成了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流閉環(huán)，需要完善的是根據(jù)實(shí)際的使用情況改善用戶體驗(yàn)度，例如網(wǎng)頁(yè)的操作模式、工人井下操作的便利性等。

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