季国华

摘要

针对煤矿业传统监测手段和系统的不足，本文深度挖掘Intel提供的GENE-8310嵌入式工控板资源，提出了一种集视频、语音、数据通信于一体的综合多业务且各业务均IP化的矿井安全监测平台，并介绍了这一款平台的架构原理，硬件搭建和相关模块的详细定义，可实现矿井下“三网合一”IP化和承载业务IP化。

【关键词】物联网 矿井安全 煤矿 嵌入式

在我国，能源工业一直占据着不可代替的地位，近年来，紧随着石油资源的日渐紧张以及石油行业的逐步不景气，煤炭行业发挥着越来越关键的作用。然而，煤炭行业内的安全生产状况却并不是很乐观，各地矿井安全事件时有发生，导致矿井安全生产现场成为事故易发地的原因有很多，最主要的在于井下作业的环境特殊性，矿井作业属于地下作业，与地面作业的明显直观不同，地下作业的形式多变，地底环境糟糕，非常容易引发各种地面作业不常见的事故。针对这一特殊性，国内不少煤矿企业正在着手或者已经在进行井下作业环境的监控系统及平台的搭建，而这在矿井现场作业安全生产中发挥了越来越重要的作用。

在对矿井现场作业环境以及煤矿行业市场需求调研的基础上，本论文以GENE-8310工控板为核心，搭建了一个集视频流信息、语音流信息和数据流信息于一体的网络化矿井安全监测预警终端，该终端可以实现矿井下的多媒体信息流的IP化承载与传递。并且，在矿井内不同的位置布置多个这样的终端使其连接到中心以太网交换机，还可以实现终端与终端之间的P2P通信、终端与地面监控中心的P2P通信。终端之间的连接依照TCP/IP协议标准执行，同时，终端还与地面监控中心的网络设备连接，从而搭建出一套集网络化矿井安全监测预警平台。

1 系统结构

伴随着物联网大数据技术的兴起，监测监控技术也在不断地朝着网络化的方向前进，针对矿井环境的特殊性，结合安全监控与应急联动的现实需要，本文做出了如图1所示的组网方案。整个系统分为三个层级，也就是矿井环境参数采集层、矿井现场监控层和地上管理层。系统框图如图1所示。

1.1 矿井环境参数采集层

现场环境监测参数暂有：瓦斯含量、巷道温度、矿井巷道顶板的位移量，由于本系统设计具有一定开放性，监测参数可以增加（比如井下环境的风速、一氧化碳的浓度、风机的开关、水位等）。同时监测点本身的数量也可以增加，并且还可以对各参数重新配置。

（1）甲烷传感器用来采集井下作业环境中重要部位和敏感部位的瓦斯浓度，比如各进风巷道、回风巷道等。（输出模拟信号值，如200HZ-1KHZ频率量）。

（2）位移传感器用来准确采集矿井内巷道的顶板位移值。（输出模拟信号值，如0-5V）。

（3）温度传感器用于采集矿井巷道内的温度值（输出模拟量，如4-20mA）。

对于采集到的瓦斯浓度值、顶板位移量和巷道温度值，通过信号处理板RS485串口信号线传送到安装在附近的矿井安全监测预警终端进行分析、处理、存储和显示。

1.2 井下现场监测监控层

井下现场监测监控层主要以GENE-8310工控板为核心，搭建一个集视频流信息、语音流信息和数据流信息于一体的网络化矿井安全监测预警终端（其结构如图2所示），特点如下：

（1）不同的矿井安全监测预警终端可以通过工业以太网来进行相互联能，以达到资源和信息共享的目的。

（2）通过整合GIS技术，矿井安全监测预警终端可以实时明确地定位作业人员和相关传感器，也可以通过曲线图来直观地查询相关传感器的实时信息和历史信息。

（3）通过整合GSM模块，针对诸如瓦斯浓度、温度以及位移量的变化值的超限报警，矿井安全监测预警终端可以以短信的方式通知地面管理人员。

（4）通过各终端的VOIP电话功能和视频通信功能，实现各终端之间的点对点可视对讲和点对多点可视语音广播，达到对矿井安全全方位、立体化、人性化的监测监控，保障安全生产，体现了“以人为本”的设计理念。

1.3 地面管理层

通过工业以太网，分布在环境恶劣复杂的矿井安全监测预警终端可以组网联通，从而实现对所有工作面的全面监测以及不同源头信息的整合管理。同时地面管理层也可以对包括视频、音频和传感器信息在内的各类信息进行即时显示、分析、加工、存储等，以便达到对地下环境的实时监测监控，达到与分布在地下的矿井安全监测预警终端基本相同的监测监控效果。同时，地面管理层还可以通过语音、视频和数据流对所连接的矿井安全监测预警终端保持通信，从而保障地上和地下的信息能够维持即时稳定的畅通。

2 硬件设计

硬件平台的搭建主要以Intel GENE-8310工控板为基础来扩展监测监控所需要的不同外围模块，这些外围模块包括模拟信号采集板、开关信号输入板、开关信号输入板、传感器接口电路的设计、GSM通信模块接口的设计等。其总体接口框图如图3所示。

2.1 GSM模块接口电路

GSM通信模块又MC35i模块，Wonbond公司的单片机W77E58为核心，实现短消息报警和无线话音通信。扩展了EPROM用于存储系统参数和电话号码，由于处理TCP/IP數据报占用内存量大，系统还扩展了32kSRAM。

2.2 音频功放驱动电路

采用LM386集成电路驱动扬声器，效果

如图5所示，物理量采集板属自行设计研制，以低功耗的AVR单片机为核心，该单片机自带8路模拟量的，除了AVR单片机自带的8路模拟量采集，系统还另外设计了2路200-1000HZ的频率量采集和8位状态量采集。关于前端传感器信号的采集，系统采用了模拟电子技术调制放大。其采集板框图如图5所示。

2.4 LCD和触摸屏接口设计

为了便于更简单直接地显示出系统的功能以及适应矿井作业环境的需要，本平台还增加了LCD显示触摸屏，通过LCD触摸屏的设计，系统可以直观地显示诸如各类信号的实时模拟曲线图形、历史曲线图形、数据表格、多层显示矿井平面布局、信号采集点的地理布置等，同时，管理人员也可以通过LCD触摸屏对终端的信息进行编制以实现人机的交互。与工业主板的接口实现方案如图6、7所示。

2.5 RFID和阅读器硬件设计

RFID阅读器采用北京华荣汇通信设备有限公司生产的HR6020阅读器，这一款阅读器可以接收到有效距离内RFID电子标签发送的数据信息，诸如人员的个人身份信息和编号等，并同时把所接收到的信息实时地传递到地面管理中心的上位机系统。

在本系统平台的搭建中，RFID阅读器HR6020采用了主动连接的方式与上位机建立通信，这就意味着，当RFID阅读器接收到了RFID电子标签的信息后，无需上位机的命令，便会实时自动地把接收到的信息以既定的统一格式上传给所连接的上位机。阅读器HR6020可以自行设置所上传的数据帧的格式并在上位机上实现解读。

3 结束语

本论文所述平台本着从技术和管理的角度出发，实现了一种集视频业务、语音业务、数据业务融合的智能监控终端，解决了现有矿业三大系统（视频监控系统、监测监控系统、语音通信系统）相互独立，条块分割之局面，使得三大系统有机整合、三类业务IP化、三类网络环境IP化，为保障矿业安全生产提供了一种集中化、智能化、高可靠性的集视频通信、VOIP语音通信、监测监控于一体解决方案，以更便于地面管理者实时、快捷地掌握井下的环境状况、人员配置、设备配置等，从而为高效管理、科学决策、实时响应、及时联动提供全角度多方面的通信渠道和应急方式，为紧急情况下应急预案的快速发布和调度提供了良好的通信平台。

参考文献

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