井下無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)與智能終端應(yīng)用研究

姚 磊 張明泉 周 泉

（淮北礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電裝備部，安徽 淮北 235000）

1 研究背景

近年來(lái)，隨著煤礦信息化、自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工作環(huán)境監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音通訊、視頻監(jiān)視等系統(tǒng)不斷擴(kuò)容升級(jí)，井上下數(shù)據(jù)交互、各類(lèi)通訊設(shè)備大量增加，導(dǎo)致井下存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)、管理維護(hù)困難等問(wèn)題，且淮北礦區(qū)存在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、災(zāi)害多的特點(diǎn)，井下巷道多，截面小，拐彎多，作業(yè)地點(diǎn)多，人員分散，難以有效地進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度指揮管理。主要存在以下問(wèn)題：

（1）各系統(tǒng)均為獨(dú)立建設(shè)，存在數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、線路重復(fù)投入建設(shè)的問(wèn)題。

（2）建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，設(shè)備通用性差，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成困難，系統(tǒng)間協(xié)同配合處理能力弱，存在“信息孤島”現(xiàn)象。

（3）因各系統(tǒng)數(shù)據(jù)均通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，導(dǎo)致各類(lèi)監(jiān)測(cè)傳感器、通訊電話、廣播、攝像頭等設(shè)備安裝位置相對(duì)固定，不能及時(shí)地隨著工作環(huán)境的變化而變化，采掘工作面等復(fù)雜工作環(huán)境下的工況信息很難及時(shí)、有效的傳遞，制約了礦井智能化建設(shè)。

（4）井下工作人員隨身攜帶礦燈、瓦斯監(jiān)測(cè)儀、人員定位卡等裝備，各裝備均為獨(dú)立攜帶?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員缺乏即時(shí)通訊的手段，不能與地面調(diào)度及其他人員進(jìn)行直接通信交流及協(xié)同配合，影響工作效率，同時(shí)也不便于井下作業(yè)人員的統(tǒng)一管理。

為提升煤礦綜合管控水平，保障井上下信息、數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性，統(tǒng)一智能傳感、智能控制、調(diào)度通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)的傳輸通道，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)融合、聯(lián)動(dòng)，提高人員協(xié)作配合能力，提升人員定位精度，實(shí)現(xiàn)工人佩戴設(shè)備智能化、少量化，研究井下無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)與智能終端應(yīng)用，為礦井智能化建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 主要研究?jī)?nèi)容

2.1 開(kāi)發(fā)融合智能調(diào)度平臺(tái)

融合調(diào)度平臺(tái)基于主流的IP技術(shù)，采用模塊化設(shè)計(jì)，集有線調(diào)度通信、無(wú)線調(diào)度通信、應(yīng)急廣播、視頻、智能礦燈、人員定位及環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能為一體，實(shí)現(xiàn)有線、無(wú)線、廣播、視頻等系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一維護(hù)。

為了實(shí)現(xiàn)融合智能調(diào)度，系統(tǒng)采用了“以人為本”的調(diào)度理念，將所有調(diào)度終端作為尋找到人的技術(shù)保障手段。系統(tǒng)通過(guò)人員位置信息自動(dòng)發(fā)現(xiàn)所找的人的周邊語(yǔ)音設(shè)備信息，大幅度提高調(diào)度效率。

高度標(biāo)準(zhǔn)化SIP協(xié)議是基于IP技術(shù)融合調(diào)度的核心，支持語(yǔ)音、視頻、文件傳輸，具備高度的靈活性以及傳統(tǒng)程控調(diào)度無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，如調(diào)度系統(tǒng)跨地域部署，與視頻、應(yīng)急廣播、環(huán)境監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)融合聯(lián)動(dòng)，結(jié)合煤礦GIS地圖實(shí)現(xiàn)基于位置的音視頻調(diào)度等。融合調(diào)度平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 融合調(diào)度平臺(tái)架構(gòu)圖

2.2 開(kāi)發(fā)綜合物聯(lián)網(wǎng)基站

基于WiFi通訊技術(shù)設(shè)計(jì)綜合物聯(lián)網(wǎng)基站，具備WiFi終端探測(cè)、WiFi傳輸、WiFi橋接、以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線擴(kuò)展以及窄帶無(wú)線接入擴(kuò)展等功能，為構(gòu)建井下物聯(lián)網(wǎng)通道提供基礎(chǔ)硬件支撐。綜合物聯(lián)網(wǎng)基站結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

（1）WiFi覆蓋和橋接，采用2.4G和5.8G雙頻WiFi基站，2.4G實(shí)現(xiàn)WiFi信號(hào)覆蓋、終端接入，5.8G實(shí)現(xiàn)基站間無(wú)線橋接，同時(shí)基站能夠?yàn)楦浇O(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口。

（2）集成藍(lán)牙、ZigBee等窄帶無(wú)線接入模塊，適應(yīng)不同類(lèi)型的終端接入，擴(kuò)展RS485、CAN等現(xiàn)場(chǎng)總線接入模塊，為具備現(xiàn)場(chǎng)總線的終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)傳輸通道。

2.3 開(kāi)發(fā)智能終端

結(jié)合智能終端與礦燈特點(diǎn)，在未改變礦燈形態(tài)的基礎(chǔ)上，將智能芯片、喇叭、麥克、按鍵、攝像頭等部件與礦燈集成，實(shí)現(xiàn)智能終端編寫(xiě)，且具有完善的管理制度、管理措施。

硬件平臺(tái)核心芯片選擇集成度高、功耗低的智能機(jī)方案，攝像頭選擇低照度、高清、專(zhuān)業(yè)級(jí)sony 1/2.8、200萬(wàn)像素的圖像傳感器，按鍵、喇叭、麥克、指示燈等部件與燈頭一體化設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)Ip67，本安電路與通信部件協(xié)同設(shè)計(jì)，達(dá)到Ia級(jí)。智能礦燈示意圖如圖3、圖4所示，開(kāi)發(fā)智能礦燈軟件程序，實(shí)現(xiàn)智能礦燈功能“軟件定義”。

圖2 綜合基站構(gòu)成框圖

圖3 智能礦燈構(gòu)成框圖

圖4 礦燈實(shí)體圖

2.4 基于WiFi的定位算法

井下人員定位主要采用RFID區(qū)域定位技術(shù)，存在協(xié)議私有化、接入復(fù)雜、功能單一（不具備傳輸語(yǔ)音、視頻、文件等功能）等特點(diǎn)，不利于礦山多系統(tǒng)融合、智能化的發(fā)展。

WiFi傳輸協(xié)議802.11x的底層，具有信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間（TOF）等信息以及WiFi終端探測(cè)特性，利用WiFi基站探測(cè)特性快速捕捉區(qū)域內(nèi)WiFi終端，結(jié)合WiFi傳輸協(xié)議的RSSI、ToF信息，開(kāi)發(fā)定位算法，進(jìn)行距離計(jì)算，實(shí)現(xiàn)人員的精確定位，將定位與信息傳輸融合，簡(jiǎn)化井下設(shè)備配置，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

（1）基于RSSI定位

接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI（Receive signal Strength Indicator），通過(guò)測(cè)得接收節(jié)點(diǎn)的接收功率以及信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算得到被測(cè)目標(biāo)與基站間的距離，結(jié)合信息傳播造成的損耗，利用信號(hào)傳播衰減模型計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)間的距離。

井下巷道環(huán)境復(fù)雜，由于巷道尺寸、粗糙度、側(cè)壁傾斜度、四周材料的介電常數(shù)不同，電波在巷道傳播特性較為復(fù)雜，需要建立各種模型進(jìn)行配合測(cè)試。

（2）基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差 TDOA

通過(guò)測(cè)量不同基站接收被測(cè)目標(biāo)所發(fā)信號(hào)的時(shí)間差或同一基站接收同一被測(cè)目標(biāo)所發(fā)不同速度信號(hào)的時(shí)間差，計(jì)算各基站與被測(cè)目標(biāo)距離的方法為T(mén)DOA測(cè)距法。

利用兩個(gè)基站接收到同一被測(cè)目標(biāo)所發(fā)信號(hào)的時(shí)間差，確定被測(cè)目標(biāo)位于以這兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線上。

3 關(guān)鍵技術(shù)

（1）WiFi定位模式與算法設(shè)計(jì)

采用WiFi進(jìn)行定位，使定位技術(shù)更加標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，實(shí)現(xiàn)了井下通信與定位融合，智能終端不借助第三方定位技術(shù)進(jìn)行自主定位。

（2）IP語(yǔ)音通話以及回音抑制與降噪技術(shù)

采用標(biāo)準(zhǔn)的SIP音視頻通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)調(diào)度臺(tái)與智能裝備、應(yīng)急廣播等設(shè)備的語(yǔ)音、視頻對(duì)講，優(yōu)化軟件算法，加強(qiáng)回音抑制，做到在0.5m處聲音80dB無(wú)嘯叫，同時(shí)對(duì)不同地方的噪音做到動(dòng)態(tài)調(diào)整，降低底噪。

（3）實(shí)時(shí)視頻編解碼、碼率幀率自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況對(duì)實(shí)時(shí)視頻編解碼、碼率幀率進(jìn)行處理。在網(wǎng)絡(luò)狀況一般時(shí)，維持常用的狀況，不做特殊復(fù)雜處理；在網(wǎng)絡(luò)狀況不好時(shí)采用降低碼率方案，如降低源頭幀率、降低目標(biāo)分辨率、降低幅度，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況決定是否采用連續(xù)階梯降碼率。

（4）網(wǎng)絡(luò)漫游技術(shù)

為了避免智能終端在不同的AP（無(wú)線訪問(wèn)接入點(diǎn)）之間切換時(shí)，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊中斷的現(xiàn)象，采用基于礦井的獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)漫游算法，保障在跨基站移動(dòng)中數(shù)據(jù)通信不中斷。

（5）節(jié)電技術(shù)

智能判斷智能裝備“空閑”或“非滿負(fù)荷”狀態(tài)，結(jié)合軟硬件特性，使用節(jié)電技術(shù)，降低設(shè)備功耗。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）復(fù)雜工礦條件下高可靠無(wú)線傳輸技術(shù)

淮北礦區(qū)井下巷道具有距離短、截面小、設(shè)備多等特點(diǎn)，工礦環(huán)境復(fù)雜，無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程中會(huì)發(fā)生多徑效應(yīng)、電磁噪聲干擾等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)基站天線、軟件算法的研究設(shè)計(jì)，解決了復(fù)雜工礦環(huán)境下WiFi無(wú)線傳輸距離短、穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸跨基站無(wú)線漫游等功能。

（2）小型化、多功能、實(shí)用性裝備設(shè)計(jì)

采用低功耗、本安化的集成設(shè)計(jì)，將有線以太環(huán)網(wǎng)、WiFi、CAN、RS485、I/O等硬件設(shè)備集成至小型化綜合物聯(lián)網(wǎng)基站中，打通井下各系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入通道“最后一米”。在不改變礦燈產(chǎn)品形態(tài)的基礎(chǔ)上，集成超低功耗智能處理芯片、攝像頭、喇叭等模塊，在礦燈上實(shí)現(xiàn)音視頻通訊、人員定位、語(yǔ)音報(bào)警等功能。通過(guò)藍(lán)牙模塊，為瓦檢儀、智能手環(huán)等裝備提供數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”。

（3）算法及協(xié)議深度優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)WiFi算法、VOIP協(xié)議等進(jìn)行深度優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)WiFi數(shù)據(jù)終端用戶大并發(fā)接入及傳輸，實(shí)現(xiàn)基于WiFi協(xié)議的連續(xù)、精準(zhǔn)人員定位，在井下惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)低帶寬、高質(zhì)量、穩(wěn)定的IP音視頻通話。

（4）通用、融合、共享的平臺(tái)開(kāi)發(fā)

實(shí)現(xiàn)在一個(gè)平臺(tái)上對(duì)語(yǔ)音調(diào)度、定位、通信、應(yīng)急廣播等多個(gè)系統(tǒng)一體化調(diào)度管理，無(wú)需專(zhuān)用調(diào)度臺(tái)，實(shí)現(xiàn)局/礦兩級(jí)分級(jí)調(diào)度管理。

5 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)、智能裝備是國(guó)家大力倡導(dǎo)的發(fā)展方向，本次應(yīng)用研究是一個(gè)新技術(shù)集成、融合、創(chuàng)新的項(xiàng)目。

（1）融合調(diào)度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了調(diào)度通訊、人員定位、應(yīng)急廣播等多系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度管理，并實(shí)現(xiàn)集團(tuán)統(tǒng)籌管控、礦井綜合調(diào)度管理、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度指揮多級(jí)管控模式，提升了礦井綜合管控水平。

（2）基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)綜合基站，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)復(fù)雜工礦環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有功能全、成本低、升級(jí)方便的特點(diǎn)，為各類(lèi)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸通道，解決煤礦井下設(shè)備多、通信網(wǎng)絡(luò)繁雜、多系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)的問(wèn)題，可在各種類(lèi)型的礦井推廣應(yīng)用。

（3）智能終端的應(yīng)用，在不增加井下作業(yè)人員負(fù)擔(dān)的情況下，可實(shí)時(shí)掌握井下作業(yè)人員的地理位置、生命特征，提升個(gè)人安全防護(hù)水平，通過(guò)實(shí)時(shí)音視頻通訊功能，提高礦井生產(chǎn)調(diào)度及應(yīng)急指揮能力，提升安全生產(chǎn)效率。