摘 要:針對煤礦系統(tǒng)的通信現(xiàn)狀，提出利用無線通信Wi-Fi技術(shù)構(gòu)建井下無線網(wǎng)絡(luò)的方案，通過對井下無線通信的試驗研究，表明利用Wi-Fi技術(shù)的可行性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計并實現(xiàn)了基于Wi-Fi技術(shù)的嵌入式礦井安全監(jiān)測終端。該系統(tǒng)工作效率高、實時性強、結(jié)構(gòu)清晰，各組成部分達到了預期的目標，實現(xiàn)對井下視頻數(shù)據(jù)的傳送和各個站點的參數(shù)檢查。試驗證明該方案切實可行并具有良好的市場前景。

關(guān)鍵詞:礦井安全監(jiān)測;無線通信;Wi-Fi;嵌入式

中圖分類號:TN915 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-109-05

Embedded Coal Mine Safety Monitoring Terminal Based on Wi-Fi Technology

DENG Xingsong1，ZHU Changping1，2，HAN Qingbang1，SHAN Minglei1，CAI Zhiwei3，WANG Zhen4，CHEN Jiacai5

(1.College of Computer and Information Engineering，Hohai University，Changzhou，213022，China;

2.College of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，221008，China;

3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou，213022，China;

4.Changzhou Sanheng Technologies Co.Ltd.，Changzhou，213022，China;5.Changzhou Coal Research Institute，Changzhou，213022，China)

Abstract:According to the status of coal mine underground wireless communication，to set up the scheme of the underground wireless network，the feasibility of using Wi-Fi technology through trial study of the underground wireless communication is demonstrated.On the basis of this，the embedded mine safty monitoring terminal based on Wi-Fi technology is designed and implemented，the system possesses efficiency，strong real-time property and clear structure，all of the components have achieved the expected goals，realizing to transmit the video data and check all the parameters of the underground site.The test proves the scheme is feasible and shows good market prospect.

Keywords:coal mine safety monitoring;wireless communication;Wi-Fi;embedded

近年來，我國煤礦事故時有發(fā)生，井下安全生產(chǎn)狀況令人擔憂，特別是瓦斯、水害重特大事故居高不下，普遍存在的問題是煤礦井上管理人員不能及時與井下人員通信以了解井下人員的位置及作業(yè)情況。因此如何快速、準確地進行煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)管理的科學化、信息化成為亟待攻克的關(guān)鍵問題。隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟運用，應對國家對煤炭產(chǎn)業(yè)安全化、信息化的要求，無線通信技術(shù)開始在礦井中得到運用[1]。

1 井下無線通信技術(shù)

將Wi-Fi技術(shù)運用在礦井視為無線通信技術(shù)的重大突破，Wi-Fi能夠滿足構(gòu)建井下網(wǎng)絡(luò)的帶寬需要。Wi-Fi技術(shù)在地面的短距離無線通信中已有多年的應用，相對其他無線寬帶技術(shù)來說比較成熟可靠。目前Wi-Fi主要采用成熟的IEEE 802.11b標準，使用24 GHz直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)。

基于Wi-Fi的井下通信受到很多方面的制約，比如電磁波衰落，噪聲以及多徑效應的影響等，這些不利因素使得礦井成為了一個復雜、多變、特殊的信號傳播區(qū)域，因此井下環(huán)境對于無線通信的魯棒性來說是一個重大挑戰(zhàn)[2]。但利用Wi-Fi技術(shù)，可以將成熟的地面短距離無線通信運用到井下實現(xiàn)其價值增值，對比傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，采用Wi-Fi技術(shù)價格相對低廉，更能滿足井下的低功耗設(shè)計需要和安全要求。

本文通過分析井下無線網(wǎng)絡(luò)信號強度，信號質(zhì)量以及天線方向?qū)o線網(wǎng)絡(luò)的影響，研究并開發(fā)了基于Wi-Fi技術(shù)的井下無線網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測終端，實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)和站點重要數(shù)據(jù)信息的無線傳輸，為礦井安全生產(chǎn)提供了重要的保障。

2 系統(tǒng)測試原理

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，監(jiān)控系統(tǒng)主要由底層信息采集單元、終端、井下無線局域網(wǎng)和地面監(jiān)控中心四部分組成。最底層信號采集單元，負責采集監(jiān)測點的瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度和濕溫度等?shù)據(jù)，并完成與井下控制終端的通信，將所檢測到的數(shù)據(jù)通過RS 485總線發(fā)送到現(xiàn)場終端控制單元。井下控制終端，是整個系統(tǒng)的核心控制部分，它的主要功能如下:一是將底層信號采集單元上傳的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)服務的形式進行實時發(fā)布，發(fā)布的信息可以被第三層的客戶端主機接收;二是根據(jù)現(xiàn)場所安裝的底層信號采集單元的數(shù)目，設(shè)置檢測點的工作方式，如檢測點的檢測時間間隔、數(shù)據(jù)異常的報警限設(shè)置、底層信號采集單元數(shù)目設(shè)置等，終端主要采用嵌入式技術(shù)，各終端通過Wi-Fi無線局域網(wǎng)互聯(lián)、互通，信息共享。井下無線局域網(wǎng)通過無線接入點AP采用2.4 GHz支持的802.11a/b/g模式，及時采集臨近終端的信息，傳輸?shù)降孛娴谋O(jiān)控中心，對井下Wi-Fi設(shè)備進行控制管理。WLAN有兩種工作模式:Ad Hoc和Infrastructure模式[3]，系統(tǒng)采用Infrastructure模式，每一個客戶將其通信報文發(fā)向AP，AP轉(zhuǎn)發(fā)所有的通信報文，這些報文發(fā)往整個無線網(wǎng)絡(luò)。無線訪問節(jié)點負責頻段管理及漫游等功能。地面的監(jiān)控管理中心主要工作就是接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理，建立數(shù)據(jù)庫，以備統(tǒng)計和查驗等。遠程監(jiān)控終端為普通的PC機，用戶在客戶端主機上通過Web瀏覽器遠程訪問嵌入式Web服務器的主頁，對瓦斯?jié)舛鹊葦?shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

2.2 井下無線局域網(wǎng)系統(tǒng)測試

系統(tǒng)試驗平臺:Fedora 6(內(nèi)核Linux-2.6.18)操作系統(tǒng)，無線接入點AP(TP LINK)，無線USB網(wǎng)卡VT6656，需要考慮的因素:空直巷道下菲涅爾帶的影響;井下周圍設(shè)備反射對于收到的信號強度的影響;多徑效應的影響。

基于以上的因素，為了模擬礦井的環(huán)境，將試驗環(huán)境設(shè)置在地下，如圖2所示，試驗的區(qū)域長度為50 m，高度為45 m，三個AP均勻分布，由于井下包含了各種金屬設(shè)備，為有效地仿真這些金屬設(shè)備，將一塊長度為5 m的金屬板放在據(jù)頂部土墻1 m處，區(qū)域的底部設(shè)置為平滑的墻面，頂部設(shè)置為表面不光滑的墻面，以盡可能模擬井下環(huán)境，將配置了無線USB網(wǎng)卡的筆記本用來作為測試信號強度RSSI的終端設(shè)備，每隔5 m測試信號強度RSSI的變化[4]。

圖2 無線測試結(jié)構(gòu)圖

測量時，固定傳輸速率為54 Mb/s，AP功率為7.2 W，頻段為6，從每個無線接入點AP獲得的信號強度如圖3所示，信號的強度與終端移動的距離成反比，試驗的目的還在于利用天線分集技術(shù)測試多徑抑制性能，以保證在一定程度上無線網(wǎng)絡(luò)在礦井中的傳輸質(zhì)量，通過試驗最突出的一個方面就是在隧道的最后15 m處從AP3處接收到的信號強度有明顯的增強。

圖3 終端與RSSI之間的關(guān)系

模擬井下巷道，盡管存在波導效應對電波傳播的影響及巷道截面(包括形狀尺寸)、拐彎、傾斜、風門等影響，但在系統(tǒng)模型建立過程中，將會反映在nA，nB，n參數(shù)擬合值的不同，因此選擇的測試環(huán)境能夠代表實際的環(huán)境電磁波在巷道傳播路徑上有一個突變點將路徑分成兩個本質(zhì)截然不同的區(qū)域，有不同的路徑損耗指數(shù)，路徑傳播損耗的具體公式為:

Lf(d1)=Lf(d0)+10nAlg(d1)-10nBlg(df)+n

(1)

式中:d0=1 m為參考點距離;Lf(d0)約為40 dB;d1為終端距離突變點的距離;df為突變點距離AP的距離;nA和nB分別為突變點前后區(qū)域內(nèi)的路徑損耗指數(shù)。如圖4為擬合后終端到AP的距離以及與信號強度的關(guān)系。

圖4 擬合后終端與RSSI之間的關(guān)系

為了測試有效的信號質(zhì)量指標，在有線網(wǎng)絡(luò)和無線之間建立了一個高帶寬的數(shù)據(jù)流，測試到的信號質(zhì)量對建立井下無線通信有著非常重要的參考價值，如圖5所示，盡管隨著終端到距離的增加，信號強度逐漸減弱，但是信號質(zhì)量卻在部分區(qū)域相對增加，這是由于周圍金屬物所引起的多徑效應造成了碼間干擾，從而減弱了終端到AP的連接性能。

圖5 終端與信號質(zhì)量的關(guān)系

不同于地面自由空間的無線Wi-Fi，煤礦井下天線方向的變化對信號強度同樣存在影響，如圖6所示，這是因為在礦井環(huán)境下大量金屬存在物的反射從而導致了多徑效應和信號衰落，接收到的信號強度的這種變化在很大程度上限制了井下無線Wi-Fi信號的準確度。因此對于井下無線Wi-Fi來說，用多天線代替單天線以及如何提高傳輸?shù)臏蚀_度將是井下無線網(wǎng)絡(luò)研究的重點。

圖6 天線方向?qū)π盘枏姸鹊挠绊?/p>

2.3 系統(tǒng)測試結(jié)論

通過試驗驗證了基于井下無線通信Wi-Fi技術(shù)的試驗效果，為井下無線終端的設(shè)計提供了試驗依據(jù)，分別對信號強度、信號質(zhì)量以及天線的方向等情況做了若干試驗，分析了多徑效應，噪聲以及信號衰減對井下無線網(wǎng)絡(luò)造成的影響，根據(jù)無線電磁波在煤礦井下傳輸?shù)倪@些特性以及在工程中實際的情況，對井下無線AP的部署策略如下[5]:

(1) 在必須部署無線AP的地區(qū)首先部署，剩余地區(qū)再根據(jù)AP的覆蓋范圍進行部署。

(2) 在井下巷道中衰減較快的地方，縮減AP與終端之間的距離，在井下長直型巷道中，適當少部署AP。

(3) 彎曲度較大的巷道，優(yōu)先在彎曲處部署AP。

3 井下Wi-Fi終端

3.1 終端設(shè)計

井下監(jiān)控終端是整個系統(tǒng)的管理調(diào)度者，負責管理底層信號采集單元，并實時地向上層的遠程控制終端發(fā)布數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)的樞紐，因此其設(shè)計對于整個系統(tǒng)的性能有舉足輕重的作用。井下監(jiān)控終端主要包含三個功能:通信功能，主要包括與底層信號采集單元和遠程監(jiān)控終端的通信，獲取現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)實時地向遠程監(jiān)控終端發(fā)布數(shù)據(jù);實現(xiàn)友好的人機交互界面以及簡潔的用戶輸入方式;作為調(diào)試和下載接口。

根據(jù)以上功能要求，主要硬件系統(tǒng)如圖7所示。軟件系統(tǒng)主要由嵌入式Linux操作系統(tǒng)，yaffs文件系統(tǒng)，驅(qū)動程序，Qt/Qtopia圖形用戶界面，嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫等組成，其中嵌入式操作系統(tǒng)，驅(qū)動程序，文件系統(tǒng)是構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的支撐部分;Qt/Qtopia圖形用戶界面為用戶提供了友好的人機界面，便于操作;嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫為終端提供信息支持。

圖7 終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 GUI模塊設(shè)計

嵌入式礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用軟件是根據(jù)設(shè)計需求，通過Linux內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用各功能模塊完成監(jiān)控系統(tǒng)的各項軟件功能。監(jiān)控系統(tǒng)利用人性化的圖形操作界面，簡化了設(shè)備的操作;應用軟件的各功能模塊采用多線程設(shè)計，提高了系統(tǒng)的運行性能;系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息主要包括配置參數(shù)，底層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和用戶信息，設(shè)計中采用SQLite數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對有關(guān)信息進行管理。

根據(jù)設(shè)計需要，本文目的是利用Qt/Qtopia圖形用戶界面[6](GUI)實現(xiàn)一個具有圖形接口界面的顯示終端。用戶可以通過GUI與系統(tǒng)進行交互，實現(xiàn)利用終端對信息進行采集，并且結(jié)合嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫[7]對站點的信息提供數(shù)據(jù)庫的瀏覽、檢索、插入、修改、刪除等功能，并可以通過選擇時間對歷史數(shù)據(jù)進行查詢。

系統(tǒng)啟動后要首先進入登陸界面，提示輸入用戶名和密碼。若用戶名和密碼與數(shù)據(jù)庫中的信息吻合則可以允許進入本系統(tǒng)主操作界面。主操作界面分為四個部分:系統(tǒng)操作、實時數(shù)據(jù)查詢、用戶管理、歷史數(shù)據(jù)查詢。本文主要描述系統(tǒng)操作界面的實現(xiàn)。

3.2.1 基于Qt技術(shù)的串口通信程序設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)操作界面是監(jiān)控終端的核心，主要是通過Qt實現(xiàn)比較復雜的RS 485通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)文件傳輸、視頻信息的傳送以及判斷報警的條件，并在符合這個條件時輸出控制信號，啟動報警響應機制。

S3C2440A中含有采用RS 485標準進行通信的串口0、采用RS 232標準通信的串口1，在Linux的/dev目錄下分別用s3c2410_serial0和s3c2410_serial1表示，終端通過串口0與底層傳感器控制單元進行一對多的多機通信。

Linux系統(tǒng)內(nèi)核自帶的串口驅(qū)動程序包含了與串口的打開、輸入和輸出操作有關(guān)的功能。因此應用層程序?qū)Υ诘牟僮骷词菍υO(shè)備文件s3c2410_serial0和s3c2410_serial1進行操作，其編程就是調(diào)用相應的open()，write()，read()等函數(shù)。在Linux下的串口編程流程如圖8所示。

圖8 串口編程流程圖

3.2.2 串口數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)通信流程

在串口配置完成后，應當制定合理的通信協(xié)議來完成終端與底層傳感器單元之間的數(shù)據(jù)交換。其具體流程如下:終端在RS 485總線上發(fā)送地址標識廣播消息給底層傳感器控制單元，請求底層單元發(fā)送現(xiàn)場信息數(shù)據(jù);每個底層傳感器控制單元都包含有惟一的地址標識符，標識號從0開始，每個控制單元的標識號依次加1。底層單元收到廣播信息后與自身的地址標識對照，當確定自身為被叫用戶時，底層傳感器控制單元響應終端的數(shù)據(jù)請求，將當前檢測到的現(xiàn)場信息通過RS 485總線發(fā)送給終端。

傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式要根據(jù)系統(tǒng)的實際情況來確定。在本系統(tǒng)中包含了6個底層傳感器單元，而且在實際應用中底層傳感器單元的數(shù)目不會超過256個，故使用一個字節(jié)的數(shù)據(jù)就能夠表示終端所發(fā)送的地址標識號。

底層傳感器單元需要向終端發(fā)送包括本機地址標識號、瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度和現(xiàn)場溫濕度等。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在此還傳輸了校驗碼數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為前面所有發(fā)送字節(jié)的異或。底層傳感器單元共向終端發(fā)送9個字節(jié)的單元信息，其幀格式如表1所示。

表1 串行通信數(shù)據(jù)幀格式

字節(jié)號012345678

字節(jié)信息地址信息瓦斯?jié)舛萇2濃度CO濃度水位風速溫度信息濕度信息校驗碼

為了確保通信過程的正確性，在程序設(shè)計中加入了通信超時檢驗、接收數(shù)據(jù)長度檢查和多次發(fā)送的機制。當終端向底層傳感器控制單元發(fā)送的通信請求在一定時間內(nèi)沒有得到響應，則再次發(fā)送數(shù)據(jù)請求，如果連續(xù)三次請求都不成功則轉(zhuǎn)向?qū)ο乱粋€底層傳感器控制單元發(fā)出請求，并標識出發(fā)生故障的底層傳感器。

在應用程序中，檢測時間的間隔可選，在此設(shè)置為每隔3 min集中控制單元要向各個底層控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)請求消息，獲得現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)后，更新系統(tǒng)當前數(shù)據(jù)，對串口讀寫的程序流程圖如圖9所示。以上過程在主程序中通過Qt定時器循環(huán)實現(xiàn)。部分程序如下:

OS_operatorGui::OS_operatorGui(QWidget*parent，const char* name，WFlags fl):

QWidget(parent，name，fl )，judgethread(this)，netthread(this)

{ ……

if((fd=MySerial::open_port(fd，2))<0)

{//打開串口錯誤}

else Txt_State->insertLine(″Open port success″，-1);

if((MySerial::set_opt(fd，115200，8，′N′，1))<0)

{//設(shè)置串口錯誤}

else Txt_State->insertLine(″Set port success″，-1);

……

QTimer *mytime=new QTimer(this);

connect( mytime，SIGNAL(timeout())，this，SLOT(receive_slot()));

mytime->start( 180000，1);

……

}

void OS_operatorGui::receive_slot()//定時時間到采集數(shù)據(jù)

{ //串口數(shù)據(jù)采集}

3.2.3 用戶自定義事件在系統(tǒng)操作界面中的應用

當一個Qt應用程序開始執(zhí)行時，只有一個線程正在運行初始線程。因為這個原因，把這個線程作為圖形用戶界面線程，圖形用戶界面線程通過創(chuàng)建QThread子類的對象開始新的線程，如果新線程之間要進行通信，可以使用互斥量、信號或者等待條件和共享變量方式通訊。但是這些技術(shù)不能用來和圖形用戶界面線程進行通訊，因為他們會鎖住事件循環(huán)并且凍結(jié)用戶界面。非圖形用戶界面和圖形用戶界面線程之間的通訊只能采用投遞自定義的方式。Qt的事件機制允許在內(nèi)置事件類型之外定義自定義事件類型，并且允許使用QApplication::postEvent()來投遞這些類型的事件。

圖9 串口讀寫程序流程圖

本系統(tǒng)中終端另一個重要的功能是報警和控制動作的輸出，當瓦斯?jié)舛?、氧氣含量或者一氧化碳含量達到報警限時，就進行報警并啟動風機。此控制功能在RS 485通信協(xié)議中已經(jīng)體現(xiàn)出來，即:

if(Recframe[1]>MaxCH4‖Recframe[3]>CO‖Recframe[2]

{FAN=1;ALARM=1;Alarmflag=1;}

上述功能為簡單的開關(guān)控制，不再細述。但在報警的同時，需要通過系統(tǒng)操作界面的異常處理按鈕，將報警寫入數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)表中，以備查用。同時為方便用戶的使用，操作界面同時提供了網(wǎng)絡(luò)文件傳輸?shù)墓δ?，文件發(fā)送通過采用socket通信，socket通信的程序設(shè)計主要分為服務器端和客戶端兩個部分，本設(shè)計ARM板上的Linux作為服務器端，遠程的監(jiān)控中心作為客戶端，實現(xiàn)文件的互傳。部分程序如下:

void judgeThread::run()//異常處理線程

{myEvent*event=new myEvent(1);

QThread::postEvent(receiver，event);

}

void netThread::run() //網(wǎng)絡(luò)文件傳輸線程

{myEvent *event = new myEvent(2);

postEvent(receiver，event);

}

為了滿足用戶的需求，Qt系統(tǒng)提供了一個QCustomEvent類，用于用戶自定義事件，這些自定義事件可以利用QThread::postEvent()或者QApplication::postEvent()并發(fā)給各種控件或其他QObject實例，而QWidget類的子類可以通過QWidget::customEvent()事件處理函數(shù)方便地接收到這些自定義的事件。

class myEvent:public QCustomEvent

{public:

myEvent(int i):QCustomEvent(12345)，id(i) {};

int id;

};

void OS_operatorGui::customEvent(QCustomEvent *event)

{ if(event->type() == 12345)

{ switch( ((myEvent*)event)->id )

{ case 1://寫入數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)表 break;

case 2://網(wǎng)絡(luò)文件傳輸 break;

default:OS_operatorGui::customEvent(event);

}

}

}

4 結(jié) 語

煤礦現(xiàn)代化建設(shè)是我國國民經(jīng)濟持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展的重要基礎(chǔ)，先進的井下安全監(jiān)測是煤礦現(xiàn)代化建設(shè)的重要組成部分，本文通過合理的系統(tǒng)設(shè)計，利用無線Wi-Fi技術(shù)和嵌入式技術(shù)完成礦井安全監(jiān)測終端的實驗研究，實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)及各站點重要信息的傳輸。

參考文獻

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