礦井一體化智能通信終端的研究與設(shè)計(jì)

張德勝

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市朝陽區(qū)，100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京市朝陽區(qū)，100013)

目前，井下作業(yè)人員一般需要佩戴三參數(shù)氣體檢測儀、人員定位卡、礦燈、手機(jī)等多種設(shè)備，設(shè)備佩戴不僅繁瑣，而且各個(gè)設(shè)備功能單一且智能化程度較低，不能及時(shí)有效地對(duì)井下安全狀況進(jìn)行預(yù)警與管控，不利于礦井的安全化生產(chǎn)及人員健康防護(hù)。

《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》(國發(fā)〔2017〕35號(hào))文件提出發(fā)展“利用人工智能提升公共安全保障能力視頻圖像信息分析識(shí)別技術(shù)”，原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局印發(fā)的《煤礦安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃》(安監(jiān)總煤裝〔2017〕64號(hào))中提出要加強(qiáng)井下安全預(yù)警機(jī)制的建設(shè)，因此建立一套智能化和一體化智能終端勢在必行。

本文針對(duì)現(xiàn)有井下作業(yè)人員攜帶設(shè)備較多和設(shè)備智能化程度較低等問題，采用安卓系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，利用機(jī)電一體化技術(shù)，在安卓平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)檢測、人員位置采集、照明、通話調(diào)度、拍照攝像的有機(jī)結(jié)合，檢測到的數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在嵌入式數(shù)據(jù)庫中，并形成數(shù)據(jù)報(bào)表和數(shù)據(jù)曲線，同時(shí)數(shù)據(jù)可通過井下無線網(wǎng)絡(luò)上傳到井上服務(wù)器，為井下作業(yè)指導(dǎo)以及安全防護(hù)提供了數(shù)據(jù)支持。

1 智能終端總體設(shè)計(jì)

智能終端主要由環(huán)境參數(shù)檢測模塊、人員定位模塊、無線通信模塊、拍照攝錄模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊以及照明模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能終端結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可以看出，環(huán)境參數(shù)檢測模塊可檢測空氣中的甲烷、氧氣和一氧化碳這3個(gè)參數(shù)；人員定位模塊采用UWB技術(shù)，利用終端內(nèi)置板卡天線與人員定位基站進(jìn)行通信，獲取位置信息；無線通信模塊由WIFI通信和4G通信模塊組成，可通過井下無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；拍照攝錄模塊由數(shù)字式低照度USB攝像頭組成，可在井下黑暗環(huán)境中進(jìn)行拍照攝像；歷史數(shù)據(jù)模塊由歷史報(bào)表和歷史曲線組成，歷史報(bào)表包含時(shí)間、人員位置以及環(huán)境參數(shù)信息，可進(jìn)行精確歷史查詢。歷史曲線以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以環(huán)境數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，可通過拉伸方式進(jìn)行查看；照明模塊采用高強(qiáng)度LED燈做為光源，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光自由切換。

2 智能終端硬件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，硬件設(shè)計(jì)時(shí)智能終端主要模塊分別設(shè)計(jì)不同板卡，其中環(huán)境參數(shù)檢測模塊、人員定位模塊為獨(dú)立板卡，其他模塊集成在ARM核心板上。所有獨(dú)立板卡以及外設(shè)與ARM核心板之間通過標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行通信和控制，終端硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

由圖2可以看出，環(huán)境參數(shù)檢測模塊由甲烷探頭、一氧化碳探頭、氧氣探頭、信號(hào)處理電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路組成，探頭經(jīng)過處理電路后轉(zhuǎn)換為3路電壓信號(hào)，電壓信號(hào)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換電路后通過1路串口與ARM核心板進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集環(huán)境參數(shù)信息并通過液晶顯示；人員定位模塊由測距模塊、板卡天線、按鍵、蜂鳴器組成，測距模塊通過板卡天線與井下人員定位基站進(jìn)行通信，采集人員位置信息，人員位置信息通過1路串口與ARM核心板進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集人員位置信息并通過液晶顯示；ARM核心板通過USB驅(qū)動(dòng)模塊控制USB攝像頭進(jìn)行拍照攝錄，同時(shí)通過輸出電壓信號(hào)的方式控制LED燈進(jìn)行照明。

圖2 智能終端硬件結(jié)構(gòu)圖

ARM核心板內(nèi)置電源管理模塊、聲光報(bào)警模塊、液晶顯示模塊、WIFI模塊、4G模塊、外設(shè)控制模塊以及SD卡等。其中電源管理模塊可實(shí)現(xiàn)充放電的保護(hù)和控制以及分級(jí)管理功能，設(shè)計(jì)時(shí)將人員定位、照明和其他模塊功能設(shè)置為三級(jí)電源優(yōu)先級(jí)，其中人員定位優(yōu)先級(jí)為一級(jí)，照明優(yōu)先級(jí)為二級(jí)，其他模塊功能優(yōu)先級(jí)為三級(jí)，通過設(shè)置模塊電源閾值,在電量不足的情況下確保高優(yōu)先級(jí)模塊優(yōu)先工作；聲光報(bào)警模塊可實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)異常、低電等情況下的報(bào)警，報(bào)警時(shí)聲報(bào)警采用ARM核心板內(nèi)置蜂鳴器進(jìn)行，光報(bào)警采用LED燈閃爍方式進(jìn)行；液晶顯示模塊可實(shí)時(shí)顯示終端檢測到的數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)可通過核心板上內(nèi)置的WIFI模塊和4G模塊上傳到井上服務(wù)器。

3 智能終端軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用安卓系統(tǒng)多線程機(jī)制，設(shè)計(jì)4個(gè)線程，分別為主線程、文本數(shù)據(jù)采集線程、工況數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)上傳線程。智能終端軟件流程圖如圖3所示。

圖3 智能終端軟件流程圖

主線程采用Android Service實(shí)現(xiàn)，利用發(fā)送與接收廣播(Broadcast)機(jī)制,與其它子線程進(jìn)行消息交互。

(1)文本數(shù)據(jù)采集過程。主線程開始后先進(jìn)行外設(shè)的初始化，初始化完成后開啟定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間T完成后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令通知文本數(shù)據(jù)采集線程進(jìn)行環(huán)境參數(shù)采集與人員位置信息采集。環(huán)境參數(shù)檢測板卡接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀后立即采集一幀環(huán)境參數(shù)信息(甲烷、氧氣和一氧化碳)；人員定位板卡立即采集一幀人員位置信息(包含人員定位基站號(hào)、人員定位卡號(hào)、定位卡與定位基站距離以及方向信息)，數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記，并存儲(chǔ)在本地嵌入式數(shù)據(jù)庫中。

其中環(huán)境參數(shù)一幀數(shù)據(jù)共14個(gè)字節(jié)，波特率為9600 bps，幀格式見表1。人員位置一幀數(shù)據(jù)共10個(gè)字節(jié)，波特率為9600 bps，幀格式見表2。

表1 環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)幀格式

表2 人員位置數(shù)據(jù)幀格式

(2)工況數(shù)據(jù)采集過程。使用過程中，有時(shí)需要對(duì)作業(yè)人員周圍工況信息進(jìn)行采集。此時(shí)可通過主線程發(fā)送采集命令給工況數(shù)據(jù)采集線程，驅(qū)動(dòng)USB攝像頭進(jìn)行拍照或攝錄，采集的圖片和視頻存儲(chǔ)在本地SD卡中。

(3)數(shù)據(jù)傳輸過程。采集后的文本數(shù)據(jù)、圖像以及視頻信息需要上傳時(shí)，可啟動(dòng)數(shù)據(jù)上傳線程。為了減小帶寬占用，提高傳輸?shù)目煽啃?，需要?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，視頻信息采用H.264標(biāo)準(zhǔn)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮；圖片信息采用Webp格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮；文本信息(環(huán)境參數(shù)信息與人員位置信息)采用http方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，利用JSON格式最大程度減少數(shù)據(jù)冗余，節(jié)省帶寬。壓縮后的數(shù)據(jù)可通過井下WIFI或4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄媳O(jiān)控平臺(tái)。

4 智能終端性能測試

2016年，該智能終端在神東煤炭集團(tuán)錦界煤礦進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，該礦作業(yè)人員攜帶智能終端在井下大巷、變電所、工作面等不同區(qū)域測試，實(shí)現(xiàn)了井下環(huán)境參數(shù)、人員位置、工況圖片視頻的實(shí)時(shí)采集、在線傳輸以及歷史查詢等功能。智能終端井下應(yīng)用拓?fù)鋱D如圖4所示，具體性能測試見表3，測試時(shí)智能終端實(shí)時(shí)定位界面和歷史報(bào)表界面如圖5所示。

圖4 智能終端井下應(yīng)用拓?fù)鋱D

表3 智能終端性能測試

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)井下照明、人員定位、環(huán)境參數(shù)檢測、拍照攝像等功能的有機(jī)融合與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，采用安卓系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，研制了礦井一體化智能通信終端，利用多線程機(jī)制實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的采集，并借助井下無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)備集成度高，極大地減輕了井下作業(yè)人員所需佩戴的設(shè)備數(shù)量，而且設(shè)備的智能化程度較高。

(2)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、人員位置數(shù)據(jù)、工況圖片視頻數(shù)據(jù)的采集與無線上傳，所有數(shù)據(jù)可在同一管理平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，最大程度地為井下安全預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

(3)采用安卓系統(tǒng)作為開發(fā)平臺(tái)，支持后期功能擴(kuò)展，可由礦山物聯(lián)網(wǎng)與礦井多系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。