矿井一体化智能通信终端的研究与设计

张德胜

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京市朝阳区，100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京市朝阳区，100013)

目前，井下作业人员一般需要佩戴三参数气体检测仪、人员定位卡、矿灯、手机等多种设备，设备佩戴不仅繁琐，而且各个设备功能单一且智能化程度较低，不能及时有效地对井下安全状况进行预警与管控，不利于矿井的安全化生产及人员健康防护。

《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》(国发〔2017〕35号)文件提出发展“利用人工智能提升公共安全保障能力视频图像信息分析识别技术”，原国家安全生产监督管理总局印发的《煤矿安全生产“十三五”规划》(安监总煤装〔2017〕64号)中提出要加强井下安全预警机制的建设，因此建立一套智能化和一体化智能终端势在必行。

本文针对现有井下作业人员携带设备较多和设备智能化程度较低等问题，采用安卓系统作为开发平台，利用机电一体化技术，在安卓平台基础上实现环境参数检测、人员位置采集、照明、通话调度、拍照摄像的有机结合，检测到的数据自动保存在嵌入式数据库中，并形成数据报表和数据曲线，同时数据可通过井下无线网络上传到井上服务器，为井下作业指导以及安全防护提供了数据支持。

1 智能终端总体设计

智能终端主要由环境参数检测模块、人员定位模块、无线通信模块、拍照摄录模块、历史数据模块以及照明模块组成，其结构框图如图1所示。

图1 智能终端结构框图

由图1可以看出，环境参数检测模块可检测空气中的甲烷、氧气和一氧化碳这3个参数；人员定位模块采用UWB技术，利用终端内置板卡天线与人员定位基站进行通信，获取位置信息；无线通信模块由WIFI通信和4G通信模块组成，可通过井下无线网络进行数据通信；拍照摄录模块由数字式低照度USB摄像头组成，可在井下黑暗环境中进行拍照摄像；历史数据模块由历史报表和历史曲线组成，历史报表包含时间、人员位置以及环境参数信息，可进行精确历史查询。历史曲线以时间为横坐标，以环境数据为纵坐标，可通过拉伸方式进行查看；照明模块采用高强度LED灯做为光源，可实现远近光自由切换。

2 智能终端硬件设计

考虑到系统的稳定性，硬件设计时智能终端主要模块分别设计不同板卡，其中环境参数检测模块、人员定位模块为独立板卡，其他模块集成在ARM核心板上。所有独立板卡以及外设与ARM核心板之间通过标准接口进行通信和控制，终端硬件结构图如图2所示。

由图2可以看出，环境参数检测模块由甲烷探头、一氧化碳探头、氧气探头、信号处理电路和信号转换电路组成，探头经过处理电路后转换为3路电压信号，电压信号通过信号转换电路后通过1路串口与ARM核心板进行通信，实时采集环境参数信息并通过液晶显示；人员定位模块由测距模块、板卡天线、按键、蜂鸣器组成，测距模块通过板卡天线与井下人员定位基站进行通信，采集人员位置信息，人员位置信息通过1路串口与ARM核心板进行通信，实时采集人员位置信息并通过液晶显示；ARM核心板通过USB驱动模块控制USB摄像头进行拍照摄录，同时通过输出电压信号的方式控制LED灯进行照明。

图2 智能终端硬件结构图

ARM核心板内置电源管理模块、声光报警模块、液晶显示模块、WIFI模块、4G模块、外设控制模块以及SD卡等。其中电源管理模块可实现充放电的保护和控制以及分级管理功能，设计时将人员定位、照明和其他模块功能设置为三级电源优先级，其中人员定位优先级为一级，照明优先级为二级，其他模块功能优先级为三级，通过设置模块电源阈值,在电量不足的情况下确保高优先级模块优先工作；声光报警模块可实现环境参数异常、低电等情况下的报警，报警时声报警采用ARM核心板内置蜂鸣器进行，光报警采用LED灯闪烁方式进行；液晶显示模块可实时显示终端检测到的数据，同时数据可通过核心板上内置的WIFI模块和4G模块上传到井上服务器。

3 智能终端软件设计

软件设计时，采用安卓系统多线程机制，设计4个线程，分别为主线程、文本数据采集线程、工况数据采集线程、数据上传线程。智能终端软件流程图如图3所示。

图3 智能终端软件流程图

主线程采用Android Service实现，利用发送与接收广播(Broadcast)机制,与其它子线程进行消息交互。

(1)文本数据采集过程。主线程开始后先进行外设的初始化，初始化完成后开启定时器，当定时时间T完成后，开始发送数据采集命令通知文本数据采集线程进行环境参数采集与人员位置信息采集。环境参数检测板卡接收到数据请求帧后立即采集一帧环境参数信息(甲烷、氧气和一氧化碳)；人员定位板卡立即采集一帧人员位置信息(包含人员定位基站号、人员定位卡号、定位卡与定位基站距离以及方向信息)，数据采集完成后进行时间标记，并存储在本地嵌入式数据库中。

其中环境参数一帧数据共14个字节，波特率为9600 bps，帧格式见表1。人员位置一帧数据共10个字节，波特率为9600 bps，帧格式见表2。

表1 环境参数数据帧格式

表2 人员位置数据帧格式

(2)工况数据采集过程。使用过程中，有时需要对作业人员周围工况信息进行采集。此时可通过主线程发送采集命令给工况数据采集线程，驱动USB摄像头进行拍照或摄录，采集的图片和视频存储在本地SD卡中。

(3)数据传输过程。采集后的文本数据、图像以及视频信息需要上传时，可启动数据上传线程。为了减小带宽占用，提高传输的可靠性，需要对数据进行压缩，视频信息采用H.264标准对视频数据进行压缩；图片信息采用Webp格式对数据进行压缩；文本信息(环境参数信息与人员位置信息)采用http方式对数据进行压缩，利用JSON格式最大程度减少数据冗余，节省带宽。压缩后的数据可通过井下WIFI或4G网络传输到井上监控平台。

4 智能终端性能测试

2016年，该智能终端在神东煤炭集团锦界煤矿进行了工业试验，该矿作业人员携带智能终端在井下大巷、变电所、工作面等不同区域测试，实现了井下环境参数、人员位置、工况图片视频的实时采集、在线传输以及历史查询等功能。智能终端井下应用拓扑图如图4所示，具体性能测试见表3，测试时智能终端实时定位界面和历史报表界面如图5所示。

图4 智能终端井下应用拓扑图

表3 智能终端性能测试

5 结论

为了实现井下照明、人员定位、环境参数检测、拍照摄像等功能的有机融合与数据的实时监控，采用安卓系统作为开发平台，研制了矿井一体化智能通信终端，利用多线程机制实现多源数据的采集，并借助井下无线网络实现了数据的实时传输。本设计具有以下优点：

(1)设备集成度高，极大地减轻了井下作业人员所需佩戴的设备数量，而且设备的智能化程度较高。

(2)实现了环境参数数据、人员位置数据、工况图片视频数据的采集与无线上传，所有数据可在同一管理平台进行实时监控，最大程度地为井下安全预警提供数据支持。

(3)采用安卓系统作为开发平台，支持后期功能扩展，可由矿山物联网与矿井多系统进行联动控制。