收稿日期：2023-12-15

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.041

摘" 要：礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)包含眾多子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)使用獨立且不同的網(wǎng)關(guān)。煤礦井下環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性對于安全生產(chǎn)具有重要意義，傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理能力差，難以實時處理和傳輸海量數(shù)據(jù)。為此，設計一款礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)融合網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)以RK3568核心板為主控，搭載無線通信、有線通信和擴展模塊，負責接收來自各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理，通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合與轉(zhuǎn)發(fā)。

關(guān)鍵詞：安全監(jiān)控；融合網(wǎng)關(guān)；RK3568；工業(yè)以太網(wǎng)

中圖分類號：TP277" 文獻標識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2024）05-0190-05

Design of Fusion Gateway for Mine Safety Monitoring System

HE Ao， WANG Jinheng， QIAO Liyang， LIU Yibing， TAN Yubo

（School of Artificial Intelligence， China University of Mining and Technology-Beijing， Beijingnbsp; 100083， China）

Abstract： The mine safety monitoring system consists of numerous subsystems that use independent and different gateways. The underground environment of coal mines is harsh， and the real-time and reliable data transmission is of great significance for safety production. Traditional gateways have poor data processing capabilities and are difficult to process and transmit massive amounts of data in real time. To this end， it designs a fusion gateway for mine safety monitoring system. The gateway uses RK3568 core board as the main control， is equipped with wireless communication module， wired communication module， and expansion module， is responsible for receiving data from various subsystems， processes data within the gateway， uploads data through industrial Ethernet， and achieves data fusion and forwarding of each subsystem.

Keywords： safety monitoring; fusion gateway; RK3568; industrial Ethernet

0" 引" 言

煤礦安全在煤炭生產(chǎn)過程中廣受關(guān)注，煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)包含多個子系統(tǒng)，有瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、火災監(jiān)控系統(tǒng)、通風監(jiān)控系統(tǒng)、壓力監(jiān)控系統(tǒng)等，使用了多種不同的有線或無線通信技術(shù)，因為存在使用協(xié)議眾多、升級改造難度大等問題，無法實現(xiàn)多系統(tǒng)的互聯(lián)互通，使得礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)集成化低，數(shù)據(jù)利用率也低，從而造成“信息孤島”現(xiàn)象，甚至難以實現(xiàn)資源的有效共享，礦井出現(xiàn)安全問題時的應急聯(lián)動也難以實現(xiàn)[1]。這些系統(tǒng)的獨立運作會增加開發(fā)、生產(chǎn)和維護成本，也會導致工作效率的極大降低[2]。煤礦井下各個系統(tǒng)都有獨立且不同的網(wǎng)關(guān)，往往是根據(jù)單一系統(tǒng)的需求而定制的，各個系統(tǒng)的功能較少，只能實現(xiàn)對應系統(tǒng)中設備數(shù)據(jù)的接入與協(xié)議轉(zhuǎn)換；通用性差，過去的網(wǎng)關(guān)較多地使用單核MCU，主頻較低，數(shù)據(jù)處理能力和存儲能力較差，大多將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嗽龠M行數(shù)據(jù)的存儲與處理[3]。除此之外，煤礦礦井下還存在很多老舊設備，將這些老舊設備的數(shù)據(jù)接入也是一個難題。若同時接入多個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)同步到云端平臺，因數(shù)據(jù)量較大，需要較強的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力[4]。傳統(tǒng)礦用網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理能力與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力較差，協(xié)議轉(zhuǎn)換樣式單一且開發(fā)的靈活性較低，存儲空間較小，擴展性較差[5]。

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與計算機技術(shù)的高速發(fā)展，邊緣計算也成為工控領域的研究熱點，將計算能力從云端下降到邊緣端，為工業(yè)網(wǎng)關(guān)的設計提供了新的思路[6]。礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)融合網(wǎng)關(guān)采用以RK3568為主控芯片的LubanCat-2-BTB核心板，RK3568包含四顆Cortex-

A55內(nèi)核，主頻為2.0 GHz；該核心板內(nèi)有4 GB的DDR內(nèi)存和32 GB的eMMC，可以引出320個BTB引腳，其高性能的特性使網(wǎng)關(guān)能夠在邊緣端進行大量數(shù)據(jù)的處理與緩存。各個子監(jiān)控系統(tǒng)采集的瓦斯?jié)舛?、甲烷濃度、粉塵濃度、溫度、壓力、風速、振動等數(shù)據(jù)通過CAN總線、RS-485總線和Sub-G無線射頻模塊傳輸至網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)的邊緣側(cè)進行數(shù)據(jù)緩存和處理，并通過以太網(wǎng)上傳至地面監(jiān)控中心和云端，提高生產(chǎn)過程中的安全性[7]。

1" 網(wǎng)關(guān)功能需求

網(wǎng)關(guān)在礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中主要負責接收各個安全監(jiān)控子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和緩存，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)控中心或云端。網(wǎng)關(guān)應具備以下功能特點：

1）通信方式的多樣化。為接收多個礦井安全監(jiān)控子系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛?、甲烷濃度、粉塵濃度、溫度、壓力、風速、振動等數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)應支持RS-232總線、RS-485總線、CAN總線、以太網(wǎng)和Sub-G無線射頻模塊等有線和無線通信方式。

2）協(xié)議轉(zhuǎn)換。支持Modbus協(xié)議、CAN總線協(xié)議、TCP、IP等協(xié)議。一方面，網(wǎng)關(guān)能夠?qū)碜缘V井安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡層可以識別的數(shù)據(jù)和信令；另一方面，來自網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)關(guān)之后可以解析為礦井監(jiān)控系統(tǒng)下各個設備能夠理解的信令和控制指令。

3）數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)關(guān)對接收的子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)進行數(shù)據(jù)篩選與融合，制定對應的規(guī)則，將超過設定閾值或變化幅度大的數(shù)據(jù)導出；多個監(jiān)控子系統(tǒng)的傳感設備數(shù)據(jù)并發(fā)接入時，往往需要多線程進行任務處理，這對網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理能力提出了較高的要求。

4）數(shù)據(jù)緩存?；诩淄闈舛?、溫度、風速、負壓、一氧化碳濃度等重要測點的實時監(jiān)測值存盤記錄應保存3個月以上；模擬量統(tǒng)計值、報警/解除報警時刻及狀態(tài)、斷電/復電時刻及狀態(tài)、饋電異常報警時刻及狀態(tài)、局部通風機、風筒、主要通風機、風向、風門等狀態(tài)及變化時刻、瓦斯抽采（放）量等累計量值、設備故障/恢復正常工作時刻及狀態(tài)等記錄應保存2年以上。網(wǎng)關(guān)應有較大的存儲空間，可以將網(wǎng)絡中斷時未及時上傳的數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)存儲在邊緣端，有效緩解云端和地面監(jiān)控端的存儲壓力[8]。

5）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。通過對各個子監(jiān)控系統(tǒng)的傳感設備進行巡檢，采集各個子監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，根據(jù)自己定義的協(xié)議將封裝后的數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳至上位機或云平臺。

6）可擴展性。留有擴展內(nèi)存的接口，可供存儲大量的數(shù)據(jù)，以邊緣存儲來緩解云端存儲的壓力，如果后期實際需求增加，可以對本系統(tǒng)進行內(nèi)存擴展及通信模塊的擴展，從而大大縮短二次開發(fā)的時間。

2" 總體設計

礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)融合網(wǎng)關(guān)接收來自瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、火災監(jiān)控系統(tǒng)、通風監(jiān)控系統(tǒng)、壓力監(jiān)控系統(tǒng)中各個傳感設備的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，并通過以太環(huán)網(wǎng)將融合后的數(shù)據(jù)上傳至上位機或云端。網(wǎng)關(guān)總體設計框圖如圖1所示。

圖1" 網(wǎng)關(guān)總體設計框圖

3" 網(wǎng)關(guān)硬件設計

根據(jù)功能需求，網(wǎng)關(guān)以RK3568核心板為主控模塊，在底板上搭載應用系統(tǒng)所需外設，包括電源模塊、以太網(wǎng)模塊、RS-232模塊、RS-485模塊、Sub-G模塊、存儲擴展模塊等。基于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)指標對直流電源和信號端口的要求，系統(tǒng)中的直流電源和信號端口需通過GB/T17625.5規(guī)定的嚴酷等級為2級的抗浪涌（沖擊）干擾度實驗，即應滿足線與線之間500 V、線與地之間1 000 V的開路實驗電壓[9]。在對網(wǎng)關(guān)進行選型與設計時，各個通信模塊均需要進行隔離設計。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求與硬件結(jié)構(gòu)框圖，以高性能網(wǎng)關(guān)為設計理念，在對各個模塊進行選型與設計時充分考慮礦井中復雜惡劣的環(huán)境，從主控模塊、電源模塊、有線通信模塊、無線通信模塊和擴展模塊等方面進行硬件選型設計。

3.1" 主控模塊

核心板采用瑞芯微公司生產(chǎn)的RK3568作為主芯片，RK3568采用22 nm工藝，主頻為2.0 GHz，集成四核64位Cortex-A55處理器，RK3568配有豐富的外留引腳，包括6路I2C接口、4路SPI接口、10路UART接口、三路CAN模塊通道、兩路以太網(wǎng)GMAC引腳、152個GPIO管腳；核心板搭載4 GB的LPDDR4內(nèi)存和32 GB的eMMC存儲空間，核心板的BTB連接器一共引出320個引腳，為底板上各個總線通信模塊留有足夠的設計余量與擴展空間。

3.2" 電源模塊

網(wǎng)關(guān)中核心板工作電壓為5 V，其他各芯片模塊供電電壓為3.3 V，考慮到煤礦井下惡劣的環(huán)境，網(wǎng)關(guān)采用12 V-2 A隔離本安電源進行供電。隔離本安電源選用MKDD-I，采用兩級降壓設計，即12 V轉(zhuǎn)5 V和5 V轉(zhuǎn)3.3 V。第一級降壓采用DC-DC模塊K7805-2000R3，最大輸出電流為2 000 mA，可以將12 V電壓降至5 V為核心板供電，同時也可作為第二級降壓的輸入電壓；第二級降壓使用NCV1117ST33T3G線性穩(wěn)壓器，NCV1117ST33T3G的最大輸出電流為1 A，將5 V轉(zhuǎn)至3.3 V為RS-232總線、RS-485總線、CAN總線等模塊供電。

3.3" RS-232通信模塊

網(wǎng)關(guān)選用隔離RSM232模塊，3.3 V直流供電，傳輸速率可達235 kbit/s，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平。為了避免外界高壓或礦井惡劣環(huán)境下雷擊對芯片造成的損壞，在設計RS-232電路時加入保護電路，以防止高壓電力和雷擊對設備造成損害；在RIN和TOUT兩條線上以及這兩條線與地線之間分別加一個TVS管以防止過高的電壓對設備造成損害；在RIN和TOUT線上分別外加一個PTC進行過流保護。

3.4" RS-485通信模塊

網(wǎng)關(guān)選用隔離RSM3485ECHT模塊，3.3 V直流電源供電，數(shù)據(jù)傳輸速率可達500 kbit/s，總線上支持多達256個收發(fā)器，考慮到礦井惡劣環(huán)境下高電壓會損壞電路，在電路的485-A和485-B線及地線之間分別加上TVS管，并在485-A線和485-B線上加上一個共模電感以抑制共模噪聲。

3.5" CAN總線通信模塊

CAN模塊選用ZLG致遠電子的雙路隔離CTM8251KAD，工作電壓為3.3 V，傳輸波特率為5 kbit/s～1 Mbit/s，單網(wǎng)絡可連接多達110個CAN節(jié)點，最長通信距離為10 km，隔離耐壓直流3 500 V；在CANH和CANL兩條線上增加一個共模電感以抑制共模噪聲，在CANH、CANL、CANG（地）之間采用二極管、TVS管連接以防止電壓過高對CAN通信電路造成損害。

3.6" 以太網(wǎng)模塊

核心板中集成了MAC，因此額外使用一個PHY芯片和一個帶網(wǎng)絡變壓器的RJ45；PHY芯片選用JL2101-N0401，支持100 M/1 000 M的傳輸速率，芯片為40引腳QFN封裝，與MAC層的接口為RGMII，外部時鐘選用25 MHz無源晶振，通過PHY芯片JL2101內(nèi)部的鎖相環(huán)PLL實現(xiàn)倍頻輸出125 MHz的時鐘信號；帶網(wǎng)絡變壓器的RJ45選用HY911130A，相對于不帶網(wǎng)絡變壓器的RJ45，帶網(wǎng)絡變壓器的RJ45在信號電平耦合、傳輸距離和抗干擾能力方面有著顯著的優(yōu)勢。

3.7" 無線通信模塊

無線通信模塊選用基于CMT2000A芯片的無線射頻模塊E40-400MS，該無線射頻模塊可以兼容Si4463、Si4438和CC1101等通信芯片，工作頻段為433/470 MHz，工作電壓為3.3 V，支持0.5～300 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以設置更低的輸出功率以節(jié)省功耗，該通信模塊具有體積小、功耗低等特點，使用SPI與核心板通信。

3.8" 存儲擴展模塊

網(wǎng)關(guān)采用PCIE的擴展設計，PCIE固態(tài)硬盤擴展采用M2金手指連接器M KEY，PCIE擴展采用3.3 V供電，使用一對差分CLK時鐘信號線以提高抗干擾能力，支持PCIE3.0×2，大內(nèi)存的擴展對長時間存儲異常數(shù)據(jù)具有重要意義。

4" 網(wǎng)關(guān)協(xié)議及軟件設計

網(wǎng)關(guān)的主要作用是對不同網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)融合網(wǎng)關(guān)中接收瓦斯?jié)舛?、甲烷濃度、粉塵濃度、溫度、壓力、風速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)得到處理之后將數(shù)據(jù)封裝并通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳至上位機或云端。

4.1" 網(wǎng)關(guān)協(xié)議設計

網(wǎng)關(guān)對傳感設備進行巡檢的命令幀格式如表1所示。

表1" 網(wǎng)關(guān)巡檢命令幀格式

描述 地址碼 功能碼 數(shù)據(jù)長度 CRC校驗

字節(jié)數(shù) 1 1 1 2

傳感設備返回數(shù)據(jù)幀格式如表2所示。

表2" 傳感設備返回數(shù)據(jù)幀格式

描述 地址碼 功能碼 數(shù)據(jù) CRC校驗

字節(jié)數(shù) 1 1 N 2

網(wǎng)關(guān)最基本的作用就是協(xié)議轉(zhuǎn)換，網(wǎng)關(guān)采用Modbus協(xié)議對礦井安全監(jiān)控子系統(tǒng)的所有傳感設備進行巡檢，將采集到的數(shù)據(jù)進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)；以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)的傳輸使用TCP協(xié)議，TCP協(xié)議是基于IP協(xié)議的一種傳輸層協(xié)議，相較UDP協(xié)議具有更高的可靠性[10]。網(wǎng)關(guān)對來自子系統(tǒng)傳感設備的數(shù)據(jù)進行解析，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)上傳。網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)幀格式如表3所示。

表3" 網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)幀格式" " " " 單位：B

報文 描述 字節(jié)數(shù)

包頭 幀頭 2

類型 1

網(wǎng)關(guān)地址 6

報文長度 2

巡檢數(shù)量 1

正文 傳感器1類型編碼 1

傳感器1位置編碼 1

傳感器1采集值 4

傳感器2類型編碼 1

傳感器2位置編碼 1

傳感器2采集值 4

… …

傳感器n類型編碼 1

傳感器n位置編碼 1

傳感器n采集值 4

包尾 幀尾 1

CRC校驗 2

4.2" 網(wǎng)關(guān)軟件設計

網(wǎng)關(guān)軟件部分采用模塊化設計，根據(jù)各模塊的功能進行編程，模塊化編程可以縮短軟件二次開發(fā)的時間，方便軟件的后續(xù)更新與升級。網(wǎng)關(guān)上電后系統(tǒng)進行初始化，網(wǎng)關(guān)對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的傳感設備進行有線巡檢和無線巡檢，對傳感設備采集的數(shù)據(jù)進行判斷，將異常值數(shù)據(jù)進行單獨存儲，且本地存儲時間需要達到兩年；對正常值數(shù)據(jù)也要進行三個月的存儲，并通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳所有數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)主程序流程圖如圖3所示。

圖3" 網(wǎng)關(guān)主程序流程圖

5" 實驗測試

對網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)傳輸測試，設計的網(wǎng)關(guān)作為高性能網(wǎng)關(guān)，在基礎通信測試完成后需要進行網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸性能的測試；網(wǎng)關(guān)上移植Ubuntu 20.04操作系統(tǒng)，在網(wǎng)關(guān)上安裝網(wǎng)絡性能測試工具iPerf3，iPerf3是一個兼容多種操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡測試工具，可以測試基于特定路徑的數(shù)據(jù)傳輸性能；對網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸及速率進行測試，網(wǎng)關(guān)作為客戶端，PC作為模擬服務器端，使用指定的5206端口和TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸測試，通過調(diào)整TCP窗口的大小來控制網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的大小，窗口大小根據(jù)帶寬和延時來確定。網(wǎng)關(guān)和服務器共進行10 s的TCP數(shù)據(jù)傳輸測試，數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到50.5 Mbit/s。網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸性能測試圖如圖4所示。

圖4" 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸性能測試圖

6" 結(jié)" 論

根據(jù)礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)融合網(wǎng)關(guān)的功能需求，采用RK3568核心板，在底板上以電源模塊為基礎，設計了RS-232、RS-485、CAN、以太網(wǎng)等有線通信模塊和無線Sub-G射頻模塊的硬件電路；網(wǎng)關(guān)在存儲和通信上具有很好的可擴展性，可以大大縮短二次開發(fā)的時間；制定了傳輸協(xié)議，并在此基礎上進行了軟件設計，完成了對礦井安全監(jiān)控各個子系統(tǒng)傳感設備的數(shù)據(jù)接收、處理、存儲和上傳，在邊緣實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、融合與存儲，緩解了云端的計算和存儲壓力；同時也更好地實現(xiàn)了對礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)測，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率和實時性，進而顯著提高了礦井作業(yè)安全管理水平。

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作者簡介：何澳（1999—），男，漢族，安徽合肥人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設計；王金恒（1997—），男，漢族，黑龍江黑河人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設計；喬李陽（1999—），男，漢族，湖北襄陽人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設計；劉一兵（1999—），男，滿族，吉林遼源人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設計；譚宇博（1999—），男，漢族，遼寧錦州人，碩士研究生在讀，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設計。