智能穿戴與軟件無線電在礦井的應用研究*

1 引言

在從事礦井開采、油田鉆井等各種大型現(xiàn)場作業(yè)時，保障生產(chǎn)和現(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全更多的體現(xiàn)在所穿戴的防護用品上。由于國家對安全生產(chǎn)監(jiān)管力度的不斷加強和企業(yè)對工傷事故預防意識的提高和管理的要求，有必要通過防護用品對作業(yè)人員的生命體征進行實時監(jiān)測，確保身心安全，而目前防護用品的功能單一，需要提升其智能化水平形成智能穿戴設備以滿足此監(jiān)測需求。

同時為提高礦井綜合管理效率，提升礦井應急反應能力和處置能力，夯實礦井安全生產(chǎn)的基礎，提出了位置定位、語音通話、語音視頻通信、適時視頻監(jiān)控、多媒體集群調度、第三方數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍絹碓蕉嗟耐ㄐ乓?，作業(yè)人員除穿戴安全防護用品外還須配帶多種不同協(xié)議不同頻段的無線通訊設備，加重了身體負擔和維護工作量。

軟件無線電是部分或全部軟件配置的無線電，在各種應用程序中使用通用平臺，提供一個通用的全雙工無線電模組，能實時現(xiàn)場配置，以提供靈活性、多功能性、效率和單組電池更長的壽命，具有顯著的尺寸、重量和電源（交換）優(yōu)勢。

由此基于軟件無線電研究用于礦井的智能穿戴設備，集人員頭部的安全防護、照明功能、井下作業(yè)的監(jiān)測監(jiān)控、人員通信聯(lián)絡、人員定位系統(tǒng)、瓦斯氣體檢測、有害氣體檢測、溫度濕度檢測、應急信號發(fā)送等于一體，實現(xiàn)井下作業(yè)人員隨身佩戴裝備的輕量化、集成化，適應煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)代化智能管理的需要，同時符合煤礦井下設施設備的相關電氣規(guī)范，以及達到產(chǎn)品自身的相關安全、健康、環(huán)保標準，有效支撐井下安全生產(chǎn)、智能化管理，保護作業(yè)的人生安全和身心健康。

2 智能穿戴與礦井通信技術現(xiàn)狀

2.1 智能穿戴產(chǎn)品現(xiàn)狀

智能穿戴方面，在當前國內(nèi)外同類的研究主要集中在企業(yè)自研產(chǎn)品上，市場上出現(xiàn)的智能穿戴產(chǎn)品包括智能安全帽、智能手環(huán)等：

（1）韓國第三大通訊運營商LGU公司的“物聯(lián)網(wǎng)+安全帽”智能安全事故監(jiān)測產(chǎn)品，并于2016年9月宣布開始上市。這款產(chǎn)品囊括了LET調制解調器、攝像頭、無線通訊以及GPS定位系統(tǒng)；

（2）洛杉磯Daqri初創(chuàng)公司的增強現(xiàn)實(AR)型智能安全帽(Smart Helmet)，基于Android系統(tǒng)，配備了多種感應器、攝像頭和一個透明的護目鏡，具有增強現(xiàn)實 (AR)功能無需手動操作即可顯示出與現(xiàn)實中的設備和物體有關的指示信息和其他數(shù)字內(nèi)容；

（3）Motorola的工程師專用智能型安全帽Kopin Golden-i，搭載Windows CE、OMAP3530處理器，使用者帶上去以后，右眼前有個 SVGA 分辨率的液晶屏幕檢視各項電腦信息，測量現(xiàn)場參數(shù)，秀出現(xiàn)場工地的圖、鋼筋量和尺寸，通過語音控制的方式操作，也可以通過藍牙、WiFi和USB的方式和其它裝置連接；

（4）深圳市特冠電子科技有限公司的智能安全帽。其主要具有圖像采集功能、語音通訊功能、強光照明功能、激光定位功能；

（5）深圳市勁宇智能科技有限公司研發(fā)的LED頭戴式智能攝像頭安全帽/無線WiFi智能頭盔。該產(chǎn)品由電池、WiFi攝像頭、防爆頭盔和LED組成一款安全、防爆型LED頭戴式智能攝像頭安全帽，大功率WiFi傳輸，本地存儲的自主研發(fā)設備，自帶系統(tǒng)實時傳輸實時觀看，支持手機電腦遠程觀看；

（6）北京網(wǎng)格科技有限公司研制的HLS-TL14A智能頭盔用于鐵路工人日常檢修工作。該頭盔集頭部防護、圖像采集、語音采集、激光定位、照明功能于一體。但其是分體式的，不具備空間定位功能，需要外攜帶傳輸設備，增加負重；

（7）江蘇省無錫市華信安全設備有限公司成功推出AirWindow天窗智能安全帽。該智能安全帽內(nèi)置定制的AIR智能芯片，采用128位DES加密算法，云數(shù)據(jù)存儲和管理個人安全信息，在發(fā)生事故時可以及時調取個人應急信息，方便及時救援。同時利用天窗設計解決信息管理和散熱的問題。

2.2 礦井通信技術現(xiàn)狀

礦井通信技術方面，不同于傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)，煤礦井下環(huán)境、地質復雜，工作人員設備眾多，工作地點較為分散，主要有以下幾款井下無線通訊系統(tǒng)：

（1）泄露通訊系統(tǒng)。早期煤礦行業(yè)常用的通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過在巷道中的同軸電纜來實現(xiàn)，該電纜通過與設備連接的輸出裝置在其周圍形成連續(xù)均勻的電磁場，達到傳輸信息的作用。該系統(tǒng)雖然應用較為靈活，線路鋪設較為方便，但仍存在信號覆蓋不均勻、容量小、通話質量差等劣勢，現(xiàn)在已經(jīng)被其他技術逐漸取代；

（2）PHS（小靈通）無線通訊系統(tǒng)。當小靈通在生活中得到廣泛應用時，也被應用在煤礦行業(yè)，該系統(tǒng)通過微蜂窩基站實現(xiàn)無線覆蓋，將手機以無線方式接入電話網(wǎng)，以此來實現(xiàn)通信。但隨著小靈通的退網(wǎng)，很多設備及配件不再生產(chǎn)，該系統(tǒng)很難再繼續(xù)應用；

（3）WIFI無線通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)是目前常用的無線通訊系統(tǒng)之一，WIFI是一種短程無線傳輸技術，主要的優(yōu)勢是不受煤礦事故影響，對事故救援提供及時的通訊支持。但是該系統(tǒng)容易受到外界的干擾，通話質量和網(wǎng)絡安全難以保證；

（4）集群通信系統(tǒng)，包括PDT、TETRA、GOTO、DMR、短波電臺等多種制式的無線集群方式，實現(xiàn)與電話系統(tǒng)、指揮調度系統(tǒng)、軟交換系統(tǒng)的互聯(lián)互通；

（5）新型無線通訊系統(tǒng)，該類系統(tǒng)多采用3G/4G通信技術，可以實現(xiàn)調度電話、視頻通信功能[1]。

由此，現(xiàn)有智能穿戴設備，并未實現(xiàn)對作業(yè)人員的體征監(jiān)測，現(xiàn)有的監(jiān)測網(wǎng)絡方案包括集群通信網(wǎng)，無線WiFi網(wǎng)絡，移動網(wǎng)絡等，都受限于固定的頻段，無法在地下塌方、礦井封閉等緊急情況發(fā)送信號，無法適應復雜的作業(yè)環(huán)境，需要外攜帶傳輸設備，增加負重。

軟件無線電方面，隨著通信技術的發(fā)展，現(xiàn)有硬件平臺和寬帶天線已能支持大帶寬的通用軟件無線電實現(xiàn)，具備多協(xié)議多頻段應用能力。

3 基于軟件無線電的智能穿戴設備

通過智能穿戴設備構建礦井監(jiān)控通信系統(tǒng)，目標是對礦井所有作業(yè)人員的體征監(jiān)測，群組語音通話，監(jiān)控中心對作業(yè)人員的指揮控制。作業(yè)人員的體征監(jiān)測在礦井作業(yè)時可以讓監(jiān)控中心實時掌握每個作業(yè)人員的生理狀態(tài)，發(fā)生異常時（如體溫過高、心率過快、血壓異常等）及時告警，并進行救護處理，與此同時監(jiān)測的無線傳感網(wǎng)絡可配備氣體、PM2.5等傳感器，監(jiān)測所處環(huán)境，在發(fā)現(xiàn)對作業(yè)人員有害物質時發(fā)出警示，與監(jiān)控系統(tǒng)失去連接時向外部發(fā)送低頻應急信號。群組語音通話在礦井作業(yè)時群組作業(yè)人員之間可以進行通話協(xié)作，共同完成作業(yè)任務。作業(yè)人員的位置定位讓監(jiān)控中心可以清楚的了解作業(yè)人員的位置情況，實現(xiàn)作業(yè)人員信息的便捷管理，進而具備區(qū)域越界告警功能，在發(fā)生事故時亦可以及時調取作業(yè)人員應急信息，方便及時救援，提高作業(yè)安全性。監(jiān)控中心對作業(yè)人員的指揮控制便于作業(yè)人員與管理人員隨時進行交流，使指揮人員了解現(xiàn)場情況，以對作業(yè)進度和狀況進行遠程把控，做出正確判斷，及時發(fā)出指令，提高工作效率，增加安全保障。

在智能穿戴設備中使用軟件無線電實現(xiàn)多頻段通信，多核處理器實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡、無線藍牙、自組織網(wǎng)絡、信標定位及低頻應急信號等多協(xié)議功能。作業(yè)人員配帶的智能穿戴設備具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，無線傳感器網(wǎng)絡、無線藍牙、自組織網(wǎng)絡、信標定位及應急信號等協(xié)議物理層所需的各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等，用軟件來完成，而無線傳感器網(wǎng)絡、無線藍牙、自組織網(wǎng)絡、信標定位及低頻應急信號等協(xié)議棧軟件（包括物理層）運行在多核處理器上。

根據(jù)不同的應用環(huán)境，通過軟件無線電可選擇不同的頻段進行自組織網(wǎng)絡通信，以適應對通信距離與帶寬的要求。礦井監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的主網(wǎng)絡為無線自組織網(wǎng)絡，其通信距離與帶寬決定礦井監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能，在不同的應用環(huán)境，對不同頻段的無線信號衰減程度不一樣，智能穿戴設備進行自組織網(wǎng)絡時可通過軟件無線電選擇最佳的通信頻段，以滿足通信距離與帶寬要求。

下面從網(wǎng)絡體系結構、中心平臺架構、智能穿戴設備硬件組成和軟件框架、數(shù)據(jù)流路徑幾個方面進行論述。

3.1 網(wǎng)絡體系結構

如圖1所示，礦井監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)是由作業(yè)人員配帶智能穿戴設備和礦井網(wǎng)關設備組成的無線自組織網(wǎng)絡，自組織網(wǎng)絡時通過軟件無線電可根據(jù)應用環(huán)境選擇不同的頻段，智能穿戴設備收集無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測的作業(yè)人員體征監(jiān)測數(shù)據(jù)，攝像頭視頻流，信標定位信息，通過無線自組織網(wǎng)絡傳送到網(wǎng)關設備，網(wǎng)關設備通過移動網(wǎng)或固網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心平臺，監(jiān)控中心通過多媒體集群解碼視頻流，存儲到數(shù)據(jù)集群；監(jiān)控中心可以實時查看智能穿戴設備的視頻和位置信息，并通過語音通話與配帶者進行交互，實現(xiàn)指揮操作功能，在作業(yè)人員超出區(qū)域時向其報警及在作業(yè)人員失去聯(lián)系向管理者發(fā)出告警信息。

3.2 監(jiān)控中心平臺架構

如圖2所示，監(jiān)控中心平臺由多媒體數(shù)據(jù)集群、數(shù)據(jù)存儲集群和應用服務集群組成。多個礦井監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡（移動通信網(wǎng)、無線網(wǎng)絡等）傳輸?shù)蕉嗝襟w數(shù)據(jù)集群，多媒體數(shù)據(jù)集群負責音視頻數(shù)據(jù)的分片接收并進行編解碼處理，存儲到數(shù)據(jù)存儲集群，更新業(yè)務數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)索引。數(shù)據(jù)服務器存儲所有的監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)傳送過來的大量傳感和音視頻數(shù)據(jù)，使用專用數(shù)據(jù)庫服務器。用戶、維護和管理人員訪問應用服務集群，從業(yè)務數(shù)據(jù)庫獲取設備和數(shù)據(jù)索引信息，由應用服務集群請求數(shù)據(jù)存儲集群，結果由應用服務集群返回給客戶端。在數(shù)據(jù)傳輸和客戶端訪問的前端，都通過防火墻和負載均衡來實現(xiàn)系統(tǒng)的安全防御和高并發(fā)訪問的分流控制。

圖1 系統(tǒng)體系結構圖

圖2 平臺架構圖

3.3 智能穿戴設備硬件組成

如圖3所示，作業(yè)人員配帶智能穿戴設備和礦井網(wǎng)關設備的統(tǒng)一組成框圖，設備具備兩組軟件無線電射頻發(fā)送和接收處理路徑，其中寬帶數(shù)模轉換器、軟件可調上變頻器、功率放大器、射頻濾波器、RF構成數(shù)字波形數(shù)據(jù)到模擬射頻信號的發(fā)送處理路徑，射頻信號最后經(jīng)寬帶多頻段天線發(fā)送出去；射頻濾波器、低噪聲功率放大器、軟件可調下變頻器、寬帶模數(shù)轉換器構成模擬射頻信號到數(shù)字波形數(shù)據(jù)的接收處理路徑，處理從寬帶多頻段天線接收過來的射頻信號；高性能FPGA處理器完成多種協(xié)議數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收過程與多頻段數(shù)字波形數(shù)據(jù)的轉換處理，多協(xié)議不同頻段的數(shù)字波形可以共用同一寬帶多頻段天線；多核處理器處理通過設備與中心平臺的通信，分配不同核心線程對不同頻段的協(xié)議棧進行處理，以滿足無傳感器網(wǎng)絡、無線自組織網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡、藍牙網(wǎng)絡、信標定位及低頻應急信號等多協(xié)議的同時通信；FLASH存儲為設備提供大容量的數(shù)據(jù)存儲能力；傳感采集模塊可直接采集體溫、血壓、心率等體征，同時負責音視頻采集；網(wǎng)絡接口管理模塊為設備提供有線網(wǎng)絡連接接口，提供到無傳感器網(wǎng)絡、無線自組織網(wǎng)絡、藍牙網(wǎng)絡的透明傳輸通道；高精度時鐘模塊為設備各硬件模塊和軟件協(xié)議棧提供高精度的時間同步功能；電源模塊為設備所有其它模塊供電。

圖3 硬件組成圖

3.4 智能穿戴設備軟件框架

如圖4所示，作業(yè)人員配帶智能穿戴設備和礦井網(wǎng)關設備的統(tǒng)一軟件框圖，無傳感器網(wǎng)絡、無線自組織網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡、藍牙網(wǎng)絡和信標定位的MAC層和PHY波形處理部署在FGPA中完成，RF0寬帶數(shù)字信號包含無線自組織網(wǎng)絡、信標定位、低頻應急信號的波形數(shù)據(jù)，RF1寬帶數(shù)字信號包括無傳感器網(wǎng)絡、移動通信網(wǎng)絡、藍牙網(wǎng)絡的波形數(shù)據(jù)，兩組寬帶數(shù)字信號復制分發(fā)給對應的協(xié)議組件處理。低頻協(xié)議棧、WiFi/Mesh協(xié)議棧、信標定位協(xié)議棧、移動通信網(wǎng)絡協(xié)議棧、Bluetooth協(xié)議棧、ZigBee/ZigWave協(xié)議棧部署在多核處理器中由獨立的核心線程完成，處理相應協(xié)議的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信；操作系統(tǒng)完成任務和應用的調度；傳感器數(shù)據(jù)采集應用完成體征數(shù)據(jù)和音視頻流的采集，位置定位完成設備自身位置的計算，時間同步完成各設備的時間同步，話音通話實現(xiàn)話音的輸入輸出，協(xié)議管理完成多種協(xié)議的協(xié)同管理，參數(shù)配置完成對設備的工作參數(shù)進行配置。

圖4 軟件框架圖

3.5 關鍵數(shù)據(jù)流路徑

如圖5所示，整個系統(tǒng)的關鍵數(shù)據(jù)流路徑包括多段數(shù)據(jù)流：

（1）體征監(jiān)測組網(wǎng)：作業(yè)人員配帶智能穿戴設備作為無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調器，發(fā)起網(wǎng)絡組建，作業(yè)人員開啟體征監(jiān)測設備，體征監(jiān)測設備加入作業(yè)人員配帶智能穿戴設備組建的無線傳感器網(wǎng)絡，并開始把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶鳂I(yè)人員配帶智能穿戴設備。

（2）信標定位：作業(yè)人員配帶智能穿戴設備作為定位信標的終端，接收信標定位信號，實時計算自身位置信息，并傳送到礦井網(wǎng)關設備。

（3）低頻應急信號：智能穿戴設備監(jiān)測到配帶人員體征異常或與監(jiān)控中心斷開時，切換到低頻率發(fā)送模式，向外部發(fā)送低頻應急信號，可穿透傳輸較遠距離，便于外界接收到信號進行救援定位。

（4）藍牙網(wǎng)絡連接：作業(yè)人員配帶智能穿戴設備作為藍牙主機，發(fā)起網(wǎng)絡組建，作業(yè)人員開啟藍牙耳機，藍牙耳機加入作業(yè)人員配帶智能穿戴設備組建的藍牙網(wǎng)絡，采集語音數(shù)據(jù)發(fā)送到作業(yè)人員配帶智能穿戴設備，并從作業(yè)人員配帶智能穿戴設備接收語音數(shù)據(jù)進行播放。

（5）無線自組織網(wǎng)絡：作業(yè)人員配帶智能穿戴設備之間與礦井網(wǎng)關設備組建無線自組織網(wǎng)絡，作業(yè)人員配帶智能穿戴設備通過無線自組織網(wǎng)絡與礦井網(wǎng)關設備通信，把位置信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)傳送到礦井網(wǎng)關設備，接收礦井網(wǎng)關設備傳送的音頻數(shù)據(jù)和控制指令。作業(yè)人員配帶智能穿戴設備之間通過無線自組織網(wǎng)絡通信，交互音頻數(shù)據(jù)，相互通話。

（6）移動通信網(wǎng)絡：礦井網(wǎng)關設備作為終端加入移動通信網(wǎng)絡，把無線自組織網(wǎng)絡中的位置信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)通過移動通信網(wǎng)絡傳送到監(jiān)控中心平臺，接收監(jiān)控中心的音頻數(shù)據(jù)和控制指令，轉發(fā)到無線自組織網(wǎng)絡中，實現(xiàn)監(jiān)控中心平臺對作業(yè)人員位置跟蹤、指揮控制。

（7）監(jiān)控中心平臺：監(jiān)控中心平臺接收到移動通信網(wǎng)絡中傳送的作業(yè)人員位置信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)，進行分析處理和存儲，展現(xiàn)給管理者，接收管理者的語音通話、指令控制、配置參數(shù)，下發(fā)到作業(yè)人員配帶智能穿戴設備，與配帶者進行交互，實現(xiàn)指揮操作功能。

圖5 系統(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)流圖

4 驗證與結論

LimeSDR支持頻率范圍為100 kHz～3.8 GHz，可滿足 LTE、GSM、LoRa、Bluetooth、Zigbee、RFID、WiFi等無線支持，在項目中通過在LimeSDR平臺上實現(xiàn)多個軟件協(xié)議棧，對上述基于軟件無線電的智能穿戴設備軟件框架和硬件結構進行驗證，同時完成了包括ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡、Bluetooth無線藍牙、Mesh自組織網(wǎng)絡、WiFi網(wǎng)絡等多個協(xié)議多個頻段的通信，并測試了LF低頻信號發(fā)送，達到了預期的效果。驗證所用協(xié)議和通信頻率如表1所示。

表1 測試所用協(xié)議和通信頻率表

5 結束語

文中分析了當前礦井監(jiān)控對穿戴設備和無線通信的需求，提出基于軟件無線電的智能穿戴設備軟件框架和硬件結構，同時結合管理平臺共同構成了監(jiān)控系統(tǒng)，為智能穿戴設備和軟件無線電在礦井中應用提供了基礎，同時所提方案減少硬件模塊數(shù)量，降低成本，提升集成度，使用軟件無線電更加靈活配置通信頻段，適應礦井隧道多變環(huán)境，在應急通信時能切換到低頻率信號發(fā)送，保障應急情況下向外發(fā)送信號，更好提升礦井監(jiān)控系統(tǒng)的日常管理和應急信息化水平。