物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦并安全監(jiān)測平臺(tái)的應(yīng)用

季國華

摘要

針對(duì)煤礦業(yè)傳統(tǒng)監(jiān)測手段和系統(tǒng)的不足，本文深度挖掘Intel提供的GENE-8310嵌入式工控板資源，提出了一種集視頻、語音、數(shù)據(jù)通信于一體的綜合多業(yè)務(wù)且各業(yè)務(wù)均IP化的礦井安全監(jiān)測平臺(tái)，并介紹了這一款平臺(tái)的架構(gòu)原理，硬件搭建和相關(guān)模塊的詳細(xì)定義，可實(shí)現(xiàn)礦井下“三網(wǎng)合一”IP化和承載業(yè)務(wù)IP化。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 礦井安全 煤礦 嵌入式

在我國，能源工業(yè)一直占據(jù)著不可代替的地位，近年來，緊隨著石油資源的日漸緊張以及石油行業(yè)的逐步不景氣，煤炭行業(yè)發(fā)揮著越來越關(guān)鍵的作用。然而，煤炭行業(yè)內(nèi)的安全生產(chǎn)狀況卻并不是很樂觀，各地礦井安全事件時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致礦井安全生產(chǎn)現(xiàn)場成為事故易發(fā)地的原因有很多，最主要的在于井下作業(yè)的環(huán)境特殊性，礦井作業(yè)屬于地下作業(yè)，與地面作業(yè)的明顯直觀不同，地下作業(yè)的形式多變，地底環(huán)境糟糕，非常容易引發(fā)各種地面作業(yè)不常見的事故。針對(duì)這一特殊性，國內(nèi)不少煤礦企業(yè)正在著手或者已經(jīng)在進(jìn)行井下作業(yè)環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)及平臺(tái)的搭建，而這在礦井現(xiàn)場作業(yè)安全生產(chǎn)中發(fā)揮了越來越重要的作用。

在對(duì)礦井現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境以及煤礦行業(yè)市場需求調(diào)研的基礎(chǔ)上，本論文以GENE-8310工控板為核心，搭建了一個(gè)集視頻流信息、語音流信息和數(shù)據(jù)流信息于一體的網(wǎng)絡(luò)化礦井安全監(jiān)測預(yù)警終端，該終端可以實(shí)現(xiàn)礦井下的多媒體信息流的IP化承載與傳遞。并且，在礦井內(nèi)不同的位置布置多個(gè)這樣的終端使其連接到中心以太網(wǎng)交換機(jī)，還可以實(shí)現(xiàn)終端與終端之間的P2P通信、終端與地面監(jiān)控中心的P2P通信。終端之間的連接依照TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，同時(shí)，終端還與地面監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接，從而搭建出一套集網(wǎng)絡(luò)化礦井安全監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)也在不斷地朝著網(wǎng)絡(luò)化的方向前進(jìn)，針對(duì)礦井環(huán)境的特殊性，結(jié)合安全監(jiān)控與應(yīng)急聯(lián)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)需要，本文做出了如圖1所示的組網(wǎng)方案。整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)層級(jí)，也就是礦井環(huán)境參數(shù)采集層、礦井現(xiàn)場監(jiān)控層和地上管理層。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 礦井環(huán)境參數(shù)采集層

現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測參數(shù)暫有：瓦斯含量、巷道溫度、礦井巷道頂板的位移量，由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定開放性，監(jiān)測參數(shù)可以增加（比如井下環(huán)境的風(fēng)速、一氧化碳的濃度、風(fēng)機(jī)的開關(guān)、水位等）。同時(shí)監(jiān)測點(diǎn)本身的數(shù)量也可以增加，并且還可以對(duì)各參數(shù)重新配置。

（1）甲烷傳感器用來采集井下作業(yè)環(huán)境中重要部位和敏感部位的瓦斯?jié)舛?，比如各進(jìn)風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道等。（輸出模擬信號(hào)值，如200HZ-1KHZ頻率量）。

（2）位移傳感器用來準(zhǔn)確采集礦井內(nèi)巷道的頂板位移值。（輸出模擬信號(hào)值，如0-5V）。

（3）溫度傳感器用于采集礦井巷道內(nèi)的溫度值（輸出模擬量，如4-20mA）。

對(duì)于采集到的瓦斯?jié)舛戎?、頂板位移量和巷道溫度值，通過信號(hào)處理板RS485串口信號(hào)線傳送到安裝在附近的礦井安全監(jiān)測預(yù)警終端進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和顯示。

1.2 井下現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控層

井下現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控層主要以GENE-8310工控板為核心，搭建一個(gè)集視頻流信息、語音流信息和數(shù)據(jù)流信息于一體的網(wǎng)絡(luò)化礦井安全監(jiān)測預(yù)警終端（其結(jié)構(gòu)如圖2所示），特點(diǎn)如下：

（1）不同的礦井安全監(jiān)測預(yù)警終端可以通過工業(yè)以太網(wǎng)來進(jìn)行相互聯(lián)能，以達(dá)到資源和信息共享的目的。

（2）通過整合GIS技術(shù)，礦井安全監(jiān)測預(yù)警終端可以實(shí)時(shí)明確地定位作業(yè)人員和相關(guān)傳感器，也可以通過曲線圖來直觀地查詢相關(guān)傳感器的實(shí)時(shí)信息和歷史信息。

（3）通過整合GSM模塊，針對(duì)諸如瓦斯?jié)舛?、溫度以及位移量的變化值的超限?bào)警，礦井安全監(jiān)測預(yù)警終端可以以短信的方式通知地面管理人員。

（4）通過各終端的VOIP電話功能和視頻通信功能，實(shí)現(xiàn)各終端之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可視對(duì)講和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)可視語音廣播，達(dá)到對(duì)礦井安全全方位、立體化、人性化的監(jiān)測監(jiān)控，保障安全生產(chǎn)，體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計(jì)理念。

1.3 地面管理層

通過工業(yè)以太網(wǎng)，分布在環(huán)境惡劣復(fù)雜的礦井安全監(jiān)測預(yù)警終端可以組網(wǎng)聯(lián)通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有工作面的全面監(jiān)測以及不同源頭信息的整合管理。同時(shí)地面管理層也可以對(duì)包括視頻、音頻和傳感器信息在內(nèi)的各類信息進(jìn)行即時(shí)顯示、分析、加工、存儲(chǔ)等，以便達(dá)到對(duì)地下環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控，達(dá)到與分布在地下的礦井安全監(jiān)測預(yù)警終端基本相同的監(jiān)測監(jiān)控效果。同時(shí)，地面管理層還可以通過語音、視頻和數(shù)據(jù)流對(duì)所連接的礦井安全監(jiān)測預(yù)警終端保持通信，從而保障地上和地下的信息能夠維持即時(shí)穩(wěn)定的暢通。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)的搭建主要以Intel GENE-8310工控板為基礎(chǔ)來擴(kuò)展監(jiān)測監(jiān)控所需要的不同外圍模塊，這些外圍模塊包括模擬信號(hào)采集板、開關(guān)信號(hào)輸入板、開關(guān)信號(hào)輸入板、傳感器接口電路的設(shè)計(jì)、GSM通信模塊接口的設(shè)計(jì)等。其總體接口框圖如圖3所示。

2.1 GSM模塊接口電路

GSM通信模塊又MC35i模塊，Wonbond公司的單片機(jī)W77E58為核心，實(shí)現(xiàn)短消息報(bào)警和無線話音通信。擴(kuò)展了EPROM用于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)和電話號(hào)碼，由于處理TCP/IP數(shù)據(jù)報(bào)占用內(nèi)存量大，系統(tǒng)還擴(kuò)展了32kSRAM。

2.2 音頻功放驅(qū)動(dòng)電路

采用LM386集成電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，效果

如圖5所示，物理量采集板屬自行設(shè)計(jì)研制，以低功耗的AVR單片機(jī)為核心，該單片機(jī)自帶8路模擬量的，除了AVR單片機(jī)自帶的8路模擬量采集，系統(tǒng)還另外設(shè)計(jì)了2路200-1000HZ的頻率量采集和8位狀態(tài)量采集。關(guān)于前端傳感器信號(hào)的采集，系統(tǒng)采用了模擬電子技術(shù)調(diào)制放大。其采集板框圖如圖5所示。

2.4 LCD和觸摸屏接口設(shè)計(jì)

為了便于更簡單直接地顯示出系統(tǒng)的功能以及適應(yīng)礦井作業(yè)環(huán)境的需要，本平臺(tái)還增加了LCD顯示觸摸屏，通過LCD觸摸屏的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以直觀地顯示諸如各類信號(hào)的實(shí)時(shí)模擬曲線圖形、歷史曲線圖形、數(shù)據(jù)表格、多層顯示礦井平面布局、信號(hào)采集點(diǎn)的地理布置等，同時(shí)，管理人員也可以通過LCD觸摸屏對(duì)終端的信息進(jìn)行編制以實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互。與工業(yè)主板的接口實(shí)現(xiàn)方案如圖6、7所示。

2.5 RFID和閱讀器硬件設(shè)計(jì)

RFID閱讀器采用北京華榮匯通信設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HR6020閱讀器，這一款閱讀器可以接收到有效距離內(nèi)RFID電子標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，諸如人員的個(gè)人身份信息和編號(hào)等，并同時(shí)把所接收到的信息實(shí)時(shí)地傳遞到地面管理中心的上位機(jī)系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)平臺(tái)的搭建中，RFID閱讀器HR6020采用了主動(dòng)連接的方式與上位機(jī)建立通信，這就意味著，當(dāng)RFID閱讀器接收到了RFID電子標(biāo)簽的信息后，無需上位機(jī)的命令，便會(huì)實(shí)時(shí)自動(dòng)地把接收到的信息以既定的統(tǒng)一格式上傳給所連接的上位機(jī)。閱讀器HR6020可以自行設(shè)置所上傳的數(shù)據(jù)幀的格式并在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)解讀。

3 結(jié)束語

本論文所述平臺(tái)本著從技術(shù)和管理的角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一種集視頻業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)融合的智能監(jiān)控終端，解決了現(xiàn)有礦業(yè)三大系統(tǒng)（視頻監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、語音通信系統(tǒng)）相互獨(dú)立，條塊分割之局面，使得三大系統(tǒng)有機(jī)整合、三類業(yè)務(wù)IP化、三類網(wǎng)絡(luò)環(huán)境IP化，為保障礦業(yè)安全生產(chǎn)提供了一種集中化、智能化、高可靠性的集視頻通信、VOIP語音通信、監(jiān)測監(jiān)控于一體解決方案，以更便于地面管理者實(shí)時(shí)、快捷地掌握井下的環(huán)境狀況、人員配置、設(shè)備配置等，從而為高效管理、科學(xué)決策、實(shí)時(shí)響應(yīng)、及時(shí)聯(lián)動(dòng)提供全角度多方面的通信渠道和應(yīng)急方式，為緊急情況下應(yīng)急預(yù)案的快速發(fā)布和調(diào)度提供了良好的通信平臺(tái)。

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