張帝，權(quán)悅，國海，周小杰，董飛，趙端

(1.安徽科技學院 電氣與電子工程學院， 安徽 蚌埠 233100；2.安徽大學 互聯(lián)網(wǎng)學院， 安徽 合肥 230039；3.中國礦業(yè)大學 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心， 江蘇 徐州 221008)

0 引言

采礦設備智能化、環(huán)境安全狀態(tài)感知和井下無線通信技術(shù)的快速發(fā)展對提高煤礦開采效率，降低煤礦安全生產(chǎn)事故發(fā)生率，保障礦工生命和礦井財產(chǎn)安全具有重大意義[1-2]。礦燈作為煤礦井下最常用的設備之一，在發(fā)揮其照明功能之外，還能夠在井下環(huán)境狀態(tài)感知、煤礦井下報警、井下人員定位等方面發(fā)揮重要作用。劉朝陽等[1]在對礦用無線通信網(wǎng)絡研究的基礎上，結(jié)合礦用智能終端的應用需求及關(guān)鍵技術(shù)研究，將TD-LTE技術(shù)與礦燈相融合，設計了一種礦用通信礦燈，該礦燈可將礦燈的檢測信息和礦工的位置信息實時傳輸至地面，但其未能檢測井下環(huán)境安全狀態(tài)，且未考慮礦燈的低功耗設計。戴劍波[2]為獲取井下人員定位信息，提高礦燈的安全可靠性，設計了一種低功耗多模定位礦燈標識卡，標識卡具有過壓、過流自診斷及保護功能，但該礦燈功能單一，未基于礦燈載體進行煤礦井下環(huán)境狀態(tài)檢測以及安全預警等。常云澤[3]針對只有照明功能的傳統(tǒng)礦燈，研發(fā)了一款信息化礦燈，具有定位、無線通信和語音調(diào)度等功能，但該礦燈采用WiFi通信，其在遠距離通信和低功耗方面存在一定的不足。劉江霞等[4]設計了一種基于ZigBee的智能瓦斯報警礦燈，實現(xiàn)了對礦井某些重點位置進行不間斷瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測，但該礦燈采用ZigBee通信，存在通信距離短的問題。張帝等[5]設計了一種基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的智能礦燈，該礦燈具有瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、人員定位與狀態(tài)監(jiān)測、安全報警等功能，但存在功耗較高且無線通信距離較短等問題。針對上述問題，本文設計了一種基于LoRa與RT-Thread的多功能礦燈，該礦燈除照明功能外，還具有井下環(huán)境感知、人員狀態(tài)監(jiān)測與定位、無線通信以及安全報警功能，采用遠距離LoRa無線通信方式，結(jié)合低功耗硬件設計，能夠在實現(xiàn)理想功能情況下盡可能降低功耗，延長礦燈使用時間。該礦燈將獲取到的環(huán)境與人員狀態(tài)數(shù)據(jù)遠程上傳到地面服務器，供地面人員遠程監(jiān)控井下環(huán)境、人員狀態(tài)和物資裝備的使用情況，為井下工作人員的安全管理和物資分配提供遠程決策服務[6]。

1 礦燈硬件設計

基于LoRa與RT-Thread的多功能礦燈的功能：

(1) 環(huán)境參數(shù)與人員狀態(tài)感知功能：實時采集井下環(huán)境和人員狀態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)測異常狀態(tài)。

(2) 液晶顯示功能：能夠本地顯示環(huán)境狀態(tài)參數(shù)和礦燈基本信息。

(3) 無線通信功能:可將獲取的環(huán)境與人員狀態(tài)數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡上報地面服務器，也可接收和處理服務器下發(fā)指令數(shù)據(jù)。

(4) 人機交互功能:提供按鍵實現(xiàn)人機交互，可手動設置礦燈基本信息及上報井下異常情況報警信息到地面服務器。

基于上述功能確定了礦燈硬件總體設計方案，如圖1所示。

圖1 礦燈硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of miner lamp

1.1 STM32L151單片機低功耗核心系統(tǒng)

礦燈硬件設計選用性能穩(wěn)定的STM32L151VET6作為主控芯片，STM32L151VET6是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位低功耗處理器[7-8],能滿足礦燈的低功耗設計要求。

STM32L151VET6單片機低功耗核心電路主要由STM32單片機最小系統(tǒng)、時鐘電路、Flash電路、電量檢測電路、聲光報警電路及狀態(tài)指示電路構(gòu)成。其中Flash電路基于AT45DB041芯片設計，能夠存儲信息顯示所用到的漢字字模數(shù)據(jù)以及服務器監(jiān)控端發(fā)送到礦燈的指令信息。電量檢測電路用于礦燈的實時電量檢測，報警電路通過蜂鳴器實現(xiàn)環(huán)境檢測參數(shù)異常時的自動報警，報警時狀態(tài)指示燈會變成紅色。

1.2 傳感器電路

傳感器電路主要用于對井下環(huán)境中的溫度、瓦斯?jié)舛燃叭藛T狀態(tài)進行實時監(jiān)測。溫度檢測主要采用SHT11溫濕度傳感器，與單片機通過I2C串行通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，與主控電路GPIO_PB端口通過DATA數(shù)據(jù)線和SCK時鐘線連接，測溫范圍為-40～+123.8 ℃,溫濕度傳感器電路原理如圖2所示。人員狀態(tài)檢測采用空間運動加速度傳感器MPU6050,可精確跟蹤快速和慢速的運動來檢測人體姿態(tài)，從而判斷礦工是否處于安全狀態(tài)[9]。主控模塊通過配置GPIO端口模擬I2C通信驅(qū)動該傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,加速度傳感器電路原理如圖3所示。瓦斯?jié)舛葯z測采用催化燃燒式甲烷傳感器,電路原理如圖4所示。

圖2 溫濕度傳感器電路原理Fig.2 Circuit principle of temperature and humidity sensors

圖3 加速度傳感器電路原理Fig.3 Circuit principle of acceleration sensor

(a) 甲烷傳感器電路

(b) 電壓信號放大電路

1.3 電源管理模塊

礦燈的電源主要采用3.7 V的磷酸鐵鋰電池供電，并通過電平轉(zhuǎn)換電路，以滿足礦燈對3.3、-3.3、2.8 V電壓的需求。其中3.7 V轉(zhuǎn)3.3 V采用TPL720-3.3 V芯片實現(xiàn)，-3.3 V采用MAX828芯片實現(xiàn)，2.8 V電壓采用TPL710-2.8 V芯片實現(xiàn)，TPL720與TPL710電源芯片具有優(yōu)秀的低功耗性能，其靜態(tài)電流僅為1 μA，TPL720和TPL710的輸出電流分別可達400 mA和200 mA[10]。為降低甲烷傳感器的工作功耗，該模塊以提供不同頻率及占空比的脈沖電流對其供電[11]，此方式可使其平均供電電流由100 mA降低到60 mA。結(jié)合采用的超低功耗主控單片機，整個礦燈可達到低功耗的工作狀態(tài)，滿足設計要求。電源管理模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 電源管理模塊結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of power management module

1.4 LoRa無線通信模塊

礦燈設計的無線通信模塊主要采用超低功耗LoRa無線通信模塊ASR6505，支持工作頻段范圍為150～960 MHz,芯片內(nèi)部集成了高性能、低功耗的STM8L MCU，支持透傳模式，最大通信距離為7 km，供電電壓為2.5～3.7 V，集成LoraWAN/LinkWAN及AliOS,可適用于多種物聯(lián)網(wǎng)應用場景[12]。

1.5 LoRa智能網(wǎng)關(guān)

為實現(xiàn)礦燈數(shù)據(jù)上報地面服務器，需搭配LoRa網(wǎng)關(guān)將礦燈采集到的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)上報。LoRa智能網(wǎng)關(guān)能夠?qū)⒕W(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)、RS232數(shù)據(jù)、RS485數(shù)據(jù)來靈活適配不同網(wǎng)絡環(huán)境。對此，LoRa智能網(wǎng)關(guān)的設計采用集成方案，利用LoRa無線網(wǎng)關(guān)USR-LG210-L將LoRa網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS485和RS232數(shù)據(jù)，再利用串口通信服務器USR-TCP232-410s將RS485/RS232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)從LoRa上報至地面服務器。

1.6 人機交互模塊

人機交互模塊主要由OLED液晶顯示電路和多路按鍵組成，礦工通過按鍵操控礦燈，實現(xiàn)地面服務器數(shù)據(jù)下發(fā)和環(huán)境參數(shù)的查看。獨立按鍵與單片機IO口連接，通過檢測端口高低電平狀態(tài)判斷是否有按鍵按下。OLED液晶顯示電路與單片機通過串行通信完成信息顯示。通過多個獨立按鍵進行功能選擇，可查看環(huán)境參數(shù)，進行手動報警和查看地面服務器下發(fā)的信息。

2 礦燈軟件設計

礦燈軟件設計主要選擇Keil MDK5集成開發(fā)環(huán)境，軟件設計方法基于STM32自帶庫函數(shù)編程，同時搭載嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Thread進行多任務函數(shù)管理。整個開發(fā)過程采用模塊化編程思路，分別編寫并調(diào)試完成了礦燈主程序、數(shù)據(jù)采集程序、無線網(wǎng)絡通信程序、人機交互程序。

2.1 嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Thread

RT-Thread是以操作系統(tǒng)內(nèi)核(可以是RTOS、Linux等)為基礎，包括如文件系統(tǒng)、圖形庫等較為完整的中間件組件，具備低功耗、信息加密、通信協(xié)議支持和云端連接能力的軟件平臺[12]。該系統(tǒng)具有實時性高、占用資源少、功耗低等特點，特別適用于成本和功耗受到限制的場合，因此，基于低功耗和物聯(lián)網(wǎng)應用場景，本文選用該系統(tǒng)。

2.2 主程序設計

首先對底層硬件模塊進行初始化，包括系統(tǒng)時鐘、GPIO口配置、傳感器及液晶顯示等外設硬件的初始化。然后對RT-Thread操作系統(tǒng)進行初始化，根據(jù)總體功能劃分創(chuàng)建多任務線程，同時配置獨立看門狗。最后啟動操作系統(tǒng)實現(xiàn)多任務并發(fā)運行。操作系統(tǒng)運行過程中CPU內(nèi)核會根據(jù)任務優(yōu)先級實現(xiàn)任務調(diào)度，滿足實時響應的要求。礦燈總體功能主要細分為數(shù)據(jù)采集任務、數(shù)據(jù)異常報警任務、數(shù)據(jù)上傳任務、界面顯示任務、功能選擇設置任務、中斷處理任務等。啟動操作系統(tǒng)并將任務托管在RT-Thread中并發(fā)實時運行。礦燈主程序流程如圖6所示。

圖6 礦燈主程序流程Fig.6 Main program flowchart of miner lamp

2.3 數(shù)據(jù)采集處理程序設計

傳感器數(shù)據(jù)采集程序基于RT-Thread操作系統(tǒng)創(chuàng)建任務函數(shù)，通過賦予任務不同優(yōu)先級依次完成對瓦斯?jié)舛取囟群图铀俣葌鞲衅鞯膶崟r數(shù)據(jù)采集。以瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)采集程序設計為例，首先對主控STM32單元進行初始化，配置ADC外設，然后在操作系統(tǒng)中建立瓦斯?jié)舛葯z測任務，最后在該任務中對瓦斯數(shù)據(jù)進行處理并判斷是否超限，若監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)，則通過提交信號量使得內(nèi)核調(diào)度啟動報警任務運行，在異常數(shù)據(jù)報警并上傳后釋放信號量。

2.4 無線網(wǎng)絡通信程序設計

LoRa智能網(wǎng)關(guān)是LoRa自組網(wǎng)絡的核心部分，用于實現(xiàn)傳感器節(jié)點和地面服務器終端的無線網(wǎng)絡通信。該網(wǎng)關(guān)基于UDP(User Datagram Protocol)通信協(xié)議將傳感器節(jié)點采集到的井下環(huán)境數(shù)據(jù)、人員位置信息、物資設備信息及礦燈報警信息等定時轉(zhuǎn)發(fā)上傳。工作模式設定為節(jié)點主動上報和輪詢喚醒2種模式。主動上報模式下采集節(jié)點會在通電并接入網(wǎng)絡后自動定時發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后會自動回復并將數(shù)據(jù)上傳到地面服務器；輪詢喚醒工作模式下由網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令喚醒采集節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，當接收到節(jié)點數(shù)據(jù)后，網(wǎng)關(guān)會立即實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，否則處于等待狀態(tài)。

2.5 上位機管理程序設計

智能網(wǎng)關(guān)通過UDP Socket通信連接上位機，上位機將根據(jù)通信協(xié)議對接收到的數(shù)據(jù)進行解析并顯示，分字段存入數(shù)據(jù)庫。上位機管理程序開發(fā)使用C#語言,在Visual Studio 2013集成開發(fā)環(huán)境下,基于WPF(Windows Presentation Foundation)技術(shù)進行B/S端開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用Mysql數(shù)據(jù)庫[12]。

3 礦燈功能測試

多功能礦燈在3.7 V，10 A·H鋰電池供電下，能夠穩(wěn)定工作12 h以上，在此基礎上，分別進行傳感器數(shù)據(jù)采集測試、無線通信性能測試和系統(tǒng)功耗測試。

3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集測試

礦燈可通過采集溫濕度傳感器、加速度傳感器和瓦斯傳感器的數(shù)據(jù)來獲得井下溫度、濕度、瓦斯?jié)舛纫约暗V工運動狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)均可通過礦燈上的按鍵實現(xiàn)本地查看。另外,遠程服務監(jiān)控平臺也可接收并顯示數(shù)據(jù)，監(jiān)控平臺界面如圖7所示。試驗設置不同溫濕度環(huán)境和不同濃度瓦斯氣體來測試溫濕度傳感器與瓦斯傳感器的性能，溫濕度傳感器的平均測量誤差在1%以內(nèi)，瓦斯傳感器的平均測量誤差為0.5%～1%。試驗還安排礦工佩戴礦燈模擬行走、靜止及打鬧狀態(tài)，測試加速度傳感器獲取礦工運動狀態(tài)的性能。礦工在上述3種不同狀態(tài)下，加速度傳感器數(shù)據(jù)區(qū)分明顯，表征運動狀態(tài)準確。

圖7 監(jiān)控平臺軟件顯示數(shù)據(jù)Fig.7 Display data of monitoring platform software

3.2 無線通信性能測試

無線通信性能測試包括數(shù)據(jù)丟包率與數(shù)據(jù)上報時延測試。礦燈在特定隧道環(huán)境下，布置不同數(shù)量的采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，測試數(shù)據(jù)丟包率和數(shù)據(jù)上報時延。該部分測試工作選在類似煤礦巷道環(huán)境的某隧道開展，分別配置1，10，20，50個多功能礦燈進行無線通信性能測試。在隧道環(huán)境中，選取中段600 m范圍，安裝1套LoRa智能網(wǎng)關(guān)，分別測試1，10，20，50個多功能礦燈向地面服務器上報數(shù)據(jù)的丟包率與時延，數(shù)據(jù)丟包率與數(shù)據(jù)上報時延結(jié)果見表1—表4。根據(jù)表1—表4實驗數(shù)據(jù)可知，通過LoRa網(wǎng)絡和結(jié)合智能網(wǎng)關(guān)，該礦燈采集的傳感器數(shù)據(jù)傳輸時延在100 ms以內(nèi)，丟包率低于4%。

表1 特定隧道環(huán)境下1個礦燈無線傳輸丟包率與時延Table 1 Packet loss rate and delay of wireless transmission of 1 miner lamp in specific tunnel environment

表2 特定隧道環(huán)境下10個礦燈無線傳輸丟包率與時延Table 2 Packet loss rate and delay of wireless transmission of 10 miner lamps in specific tunnel environment

表3 特定隧道環(huán)境下20個礦燈無線傳輸丟包率與時延Table 3 Packet loss rate and delay of wireless transmission of 20 miner lamps in specific tunnel environment

表4 特定隧道環(huán)境下50個礦燈無線傳輸丟包率與時延Table 4 Packet loss rate and delay of wireless transmission of 50 miner lamps in specific tunnel environment

3.3 功耗測試

對于礦燈功耗性能測試，進行了4種使用情況下的實時功耗測量。

(1) 礦燈僅使用照明功能，其他功能模塊均不工作，在此情況下，燈頭的平均消耗電流約為300 mA，在10 A·H鋰電池供電下，理論穩(wěn)定工作時間為30 h以上。

(2) 所有功能模塊同時工作(無線通信模塊無數(shù)據(jù)收發(fā))，在該工作情況下，礦燈平均消耗電流約為400 mA，在10 A·H鋰電池供電下，理論穩(wěn)定工作時間為24 h以上。

(3) 礦燈中所有功能模塊同時工作(無線通信模塊有數(shù)據(jù)收發(fā))，在該工作情況下，礦燈平均消耗電流約為500 mA，在10 A·H鋰電池供電下，理論穩(wěn)定工作時間為20 h以上。

(4) 礦燈中所有功能模塊處于待機工作狀態(tài)(無線通信模塊無數(shù)據(jù)收發(fā)，LoRa模塊休眠，燈頭熄滅，其他各功能模塊斷電待機，單片機進入待機模式)，在該工作情況下，礦燈平均消耗電流小于10 μA。

經(jīng)過上述功耗測試，表明該礦燈具有較低功耗，能夠滿足礦工在煤礦井下1個班次的使用時長需求。

4 結(jié)論

(1) 基于LoRa與RT-Thread的多功能礦燈以超低功耗STM32單片機為硬件核心，采用多種傳感器實現(xiàn)井下環(huán)境溫濕度、瓦斯?jié)舛群腿藛T運動狀態(tài)信息的實時感知；利用遠距離低功耗的LoRa無線通信技術(shù)，結(jié)合LoRa智能網(wǎng)關(guān)，與地面遠程監(jiān)控平臺進行信息交互，實現(xiàn)了本地異常狀態(tài)預警與上報。

(2) 分別從傳感器數(shù)據(jù)采集，無線通信性能和系統(tǒng)功耗3個方面開展了礦燈實驗測試，測試結(jié)果表明：① 該礦燈能夠通過多種傳感器有效測量環(huán)境參數(shù)，測量誤差不超過1%。② 該礦燈具有較高的無線通信性能，礦燈數(shù)量分別為1，10，20,50的情況下，通過智能網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控平臺進行數(shù)據(jù)交互，最大丟包率均不超過4%，最大時延低于100 ms。③ 在實現(xiàn)礦燈多功能的情況下，礦燈具有較低的功耗，當?shù)V燈處于待機工作狀態(tài)時，最低平均消耗電流小于10 μA，能夠有效延長其使用時間。該多功能礦燈較好地彌補了傳統(tǒng)礦燈存在的缺陷，實現(xiàn)了井下照明、環(huán)境狀態(tài)感知、人員狀態(tài)監(jiān)測與定位、無線通信、安全報警等功能，對于煤礦環(huán)境災害事故預警及煤礦安全管理具有重要意義。