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如何设计嵌入式矿井安全监测终端?
75 矿井安全监测 无线通信 嵌入式 wi-fi
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近年来,我国煤矿事故时有发生,井下安全生产状况令人担忧,特别是瓦斯、水害重特大事故居高不下,普遍存在的问、题是煤矿井上管理人员不能及时与井下人员通信以了解井下人员的位置及作业情况。因此如何快速、准确地进行煤矿安全生产监测,实现产业管理的科学化、信息化成为亟待攻克的关键问题。随着通信技术的发展以及无线网络技术的成熟运用,应对国家对煤炭产业安全化、信息化的要求,无线通信技术开始在矿井中得到运用。


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2019-11-6 08:33:48   评论 分享淘帖 邀请回答
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1 井下无线通信技术

将Wi-Fi技术运用在矿井视为无线通信技术的重大突破,Wi-Fi能够满足构建井下网络的带宽需要。Wi-Fi技术在地面的短距离无线通信中已有多年的应用,相对其他无线宽带技术来说比较成熟可靠。目前Wi-Fi主要采用成熟的IEEE 802.11b标准,使用2.4 GHz直接序列扩频(DSSS)技术。

基于Wi-Fi的井下通信受到很多方面的制约,比如电磁波衰落,噪声以及多径效应的影响等,这些不利因素使得矿井成为了一个复杂、多变、特殊的信号传播区域,因此井下环境对于无线通信的鲁棒性来说是一个重大挑战。但利用Wi-Fi技术,可以将成熟的地面短距离无线通信运用到井下实现其价值增值,对比传统的无线通信技术,采用Wi-Fi技术价格相对低廉,更能满足井下的低功耗设计需要和安全要求。

本文通过分析井下无线网络信号强度,信号质量以及天线方向对无线网络的影响,研究并开发了基于Wi-Fi技术的井下无线网络安全监测终端,实现了视频数据和站点重要数据信息的无线传输,为矿井安全生产提供了重要的保障。

2 系统测试原理

2.1 系统组成

如图1所示,监控系统主要由底层信息采集单元、终端、井下无线局域网和地面监控中心四部分组成。最底层信号采集单元,负责采集监测点的瓦斯浓度、氧气浓度和湿温度等数据,并完成与井下控制终端的通信,将所检测到的数据通过RS 485总线发送到现场终端控制单元。井下控制终端,是整个系统的核心控制部分,它的主要功能如下:一是将底层信号采集单元上传的数据通过网络服务的形式进行实时发布,发布的信息可以被第三层的客户端主机接收;二是根据现场所安装的底层信号采集单元的数目,设置检测点的工作方式,如检测点的检测时间间隔、数据异常的报警限设置、底层信号采集单元数目设置等,终端主要采用嵌入式技术,各终端通过Wi-Fi无线局域网互联、互通,信息共享。井下无线局域网通过无线接入点AP采用2.4 GHz支持的802.11a/b/g模式,及时采集临近终端的信息,传输到地面的监控中心,对井下Wi-Fi设备进行控制管理。WLAN有两种工作模式:Ad Hoc和Infrastructure模式,系统采用Infrastructure模式,每一个客户将其通信报文发向AP,AP转发所有的通信报文,这些报文发往整个无线网络。无线访问节点负责频段管理及漫游等功能。地面的监控管理中心主要工作就是接收终端发送的数据,并对数据进行处理,建立数据库,以备统计和查验等。远程监控终端为普通的PC机,用户在客户端主机上通过Web浏览器远程访问嵌入式Web服务器的主页,对瓦斯浓度等数据进行实时监测。



2.2 井下无线局域网系统测试

系统试验平台:Fedora 6(内核Linux-2.6.18)操作系统,无线接入点AP(TP LINK),无线USB网卡VT6656,需要考虑的因素:空直巷道下菲涅尔带的影响;井下周围设备反射对于收到的信号强度的影响;多径效应的影响。

基于以上的因素,为了模拟矿井的环境,将试验环境设置在地下,如图2所示,试验的区域长度为50 m,高度为4.5 m,三个AP均匀分布,由于井下包含了各种金属设备,为有效地仿真这些金属设备,将一块长度为5 m的金属板放在据顶部土墙1 m处,区域的底部设置为平滑的墙面,顶部设置为表面不光滑的墙面,以尽可能模拟井下环境,将配置了无线USB网卡的笔记本用来作为测试信号强度RSSI的终端设备,每隔5 m测试信号强度RSSI的变化。



测量时,固定传输速率为54 Mb/s,AP功率为7.2 W,频段为6,从每个无线接入点AP获得的信号强度如图3所示,信号的强度与终端移动的距离成反比,试验的目的还在于利用天线分集技术测试多径抑制性能,以保证在一定程度上无线网络在矿井中的传输质量,通过试验最突出的一个方面就是在隧道的最后15 m处从AP3处接收到的信号强度有明显的增强。


模拟井下巷道,尽管存在波导效应对电波传播的影响及巷道截面(包括形状尺寸)、拐弯、倾斜、风门等影响,但在系统模型建立过程中,将会反映在nA,nB,n参数拟合值的不同,因此选择的测试环境能够代表实际的环境电磁波在巷道传播路径上有一个突变点将路径分成两个本质截然不同的区域,有不同的路径损耗指数,路径传播损耗的具体公式为:

  Lf(d1)=Lf(d0)+10hAlg(d1)-10nBlg(df)+n    (1)

式中:d0=1m为参考点距离;Lf(d0)约为40 dB;d1为终端距离突变点的距离;df为突变点距离AP的距离;nA和nB分别为突变点前后区域内的路径损耗指数。如图4为拟合后终端到AP的距离以及与信号强度的关系。


为了测试有效的信号质量指标,在有线网络和无线之间建立了一个高带宽的数据流,测试到的信号质量对建立井下无线通信有着非常重要的参考价值,如图5所示,尽管随着终端到距离的增加,信号强度逐渐减弱,但是信号质量却在部分区域相对增加,这是由于周围金属物所引起的多径效应造成了码间干扰,从而减弱了终端到AP的连接性能。



不同于地面自由空间的无线Wi-Fi,煤矿井下天线方向的变化对信号强度同样存在影响,如图6所示,这是因为在矿井环境下大量金属存在物的反射从而导致了多径效应和信号衰落,接收到的信号强度的这种变化在很大程度上限制了井下无线Wi-Fi信号的准确度。因此对于井下无线Wi-Fi来说,用多天线代替单天线以及如何提高传输的准确度将是井下无线网络研究的重点。



2.3 系统测试结论

通过试验验证了基于井下无线通信Wi-Fi技术的试验效果,为井下无线终端的设计提供了试验依据,分别对信号强度、信号质量以及天线的方向等情况做了若干试验,分析了多径效应,噪声以及信号衰减对井下无线网络造成的影响,根据无线电磁波在煤矿井下传输的这些特性以及在工程中实际的情况,对井下无线AP的部署策略如下:

(1)在必须部署无线AP的地区首先部署,剩余地区再根据AP的覆盖范围进行部署。

(2)在井下巷道中衰减较快的地方,缩减AP与终端之间的距离,在井下长直型巷道中,适当少部署AP。

(3)弯曲度较大的巷道,优先在弯曲处部署AP。

2019-11-6 15:18:58 评论

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3 井下Wi-Fi终端

3.1 终端设计

井下监控终端是整个系统的管理调度者,负责管理底层信号采集单元,并实时地向上层的远程控制终端发布数据,是整个系统的枢纽,因此其设计对于整个系统的性能有举足轻重的作用。井下监控终端主要包含三个功能:通信功能,主要包括与底层信号采集单元和远程监控终端的通信,获取现场检测数据,通过网络实时地向远程监控终端发布数据;实现友好的人机交互界面以及简洁的用户输入方式;作为调试和下载接口。

根据以上功能要求,主要硬件系统如图7所示。软件系统主要由嵌入式Linux操作系统,yaffs文件系统,驱动程序,Qt/Qtopia图形用户界面,嵌入式SQLite数据库等组成,其中嵌入式操作系统,驱动程序,文件系统是构成嵌入式系统的支撑部分;Qt/Qtopia图形用户界面为用户提供了友好的人机界面,便于操作;嵌入式SQLite数据库为终端提供信息支持。



3.2 GUI模块设计

嵌入式矿井安全监控系统的应用软件是根据设计需求,通过Linux内核的系统调用各功能模块完成监控系统的各项软件功能。监控系统利用人性化的图形操作界面,简化了设备的操作;应用软件的各功能模块采用多线程设计,提高了系统的运行性能;系统的数据信息主要包括配置参数,底层系统的数据采集和用户信息,设计中采用SQLite数据库系统对有关信息进行管理。

根据设计需要,本文目的是利用Qt/Qtopia图形用户界面(GUI)实现一个具有图形接口界面的显示终端。用户可以通过GUI与系统进行交互,实现利用终端对信息进行采集,并且结合嵌入式SQLite数据库对站点的信息提供数据库的浏览、检索、插入、修改、删除等功能,并可以通过选择时间对历史数据进行查询。

系统启动后要首先进人登陆界面,提示输入用户名和密码。若用户名和密码与数据库中的信息吻合则可以允许进入本系统主操作界面。主操作界面分为四个部分:系统操作、实时数据查询、用户管理、历史数据查询。本文主要描述系统操作界面的实现。

3.2.1 基于Qt技术的串口通信程序设计实现

系统操作界面是监控终端的核心,主要是通过Qt实现比较复杂的RS 485通信协议、网络文件传输、视频信息的传送以及判断报警的条件,并在符合这个条件时输出控制信号,启动报警响应机制。

S3C2440A中含有采用RS 485标准进行通信的串口0、采用RS 232标准通信的串口1,在Linux的/dev目录下分别用s3c2410_seria10和s3c2410_seriall表示,终端通过串口0与底层传感器控制单元进行一对多的多机通信。

Linux系统内核自带的串口驱动程序包含了与串口的打开、输入和输出操作有关的功能。因此应用层程序对串口的操作即是对设备文件s3c2410_seria10和s3c2410_seriall进行操作,其编程就是调用相应的open(),write(),read()等函数。在Linux下的串口编程流程如图8所示。



3.2.2  串口数据采集实现通信流程

在串口配置完成后,应当制定合理的通信协议来完成终端与底层传感器单元之间的数据交换。其具体流程如下:终端在RS 485总线上发送地址标识广播消息给底层传感器控制单元,请求底层单元发送现场信息数据;每个底层传感器控制单元都包含有惟一的地址标识符,标识号从0开始,每个控制单元的标识号依次加1。底层单元收到广播信息后与自身的地址标识对照,当确定自身为被叫用户时,底层传感器控制单元响应终端的数据请求,将当前检测到的现场信息通过RS 485总线发送给终端。

传输的数据帧格式要根据系统的实际情况来确定。在本系统中包含了6个底层传感器单元,而且在实际应用中底层传感器单元的数目不会超过256个,故使用一个字节的数据就能够表示终端所发送的地址标识号。

底层传感器单元需要向终端发送包括本机地址标识号、瓦斯浓度、氧气浓度和现场温湿度等。为保证数据传输的正确性,在此还传输了校验码数据,该数据为前面所有发送字节的异或。底层传感器单元共向终端发送9个字节的单元信息,其帧格式如表1所示。



为了确保通信过程的正确性,在程序设计中加入了通信超时检验、接收数据长度检查和多次发送的机制。当终端向底层传感器控制单元发送的通信请求在一定时间内没有得到响应,则再次发送数据请求,如果连续三次请求都不成功则转向对下一个底层传感器控制单元发出请求,并标识出发生故障的底层传感器。

在应用程序中,检测时间的间隔可选,在此设置为每隔3 min集中控制单元要向各个底层控制单元发送数据请求消息,获得现场环境数据后,更新系统当前数据,对串口读写的程序流程图如图9所示。以上过程在主程序中通过Qt定时器循环实现。部分程序如下:




3.2.3  用户自定义事件在系统操作界面中的应用

当一个Qt应用程序开始执行时,只有一个线程正在运行初始线程。因为这个原因,把这个线程作为图形用户界面线程,图形用户界面线程通过创建QThread子类的对象开始新的线程,如果新线程之间要进行通信,可以使用互斥量、信号或者等待条件和共享变量方式通讯。但是这些技术不能用来和图形用户界面线程进行通讯,因为他们会锁住事件循环并且冻结用户界面。非图形用户界面和图形用户界面线程之间的通讯只能采用投递自定义的方式。Qt的事件机制允许在内置事件类型之外定义自定义事件类型,并且允许使用QApplication::postEvent()来投递这些类型的事件。

本系统中终端另一个重要的功能是报警和控制动作的输出,当瓦斯浓度、氧气含量或者一氧化碳含量达到报警限时,就进行报警并启动风机。此控制功能在RS 4852臣信协议中已经体现出来,即:



上述功能为简单的开关控制,不再细述。但在报警的同时,需要通过系统操作界面的异常处理按钮,将报警写入数据库的历史数据表中,以备查用。同时为方便用户的使用,操作界面同时提供了网络文件传输的功能,文件发送通过采用socket通信,socket通信的程序设计主要分为服务器端和客户端两个部分,本设计ARM板上的Linux作为服务器端,远程的监控中心作为客户端,实现文件的互传。部分程序如下:



为了满足用户的需求,Qt系统提供了一个QCus-tomEvent类,用于用户自定义事件,这些自定义事件可以利用QThread::postEvent()或者QApplication::postEvent()并发给各种控件或其他QObject实例,而QWidget类的子类可以通过QWidget::customEvent()事件处理函数方便地接收到这些自定义的事件。


2019-11-6 15:19:02 评论

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4 结  语

煤矿现代化建设是我国国民经济持续、稳定发展的重要基础,先进的井下安全监测是煤矿现代化建设的重要组成部分,本文通过合理的系统设计,利用无线WiFi技术和嵌入式技术完成矿井安全监测终端的实验研究,实现了视频数据及各站点重要信息的传输。
2019-11-6 15:19:04 评论

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