物聯網技術的嵌入式礦下環境監測系統設計

劉 佳

（正德職業技術學院 電子與信息技術系，南京211006）

引 言

在“感知中國”的物聯網技術全面發展的環境下，“感知礦山”是中國物聯網技術應用中重要的一環，本設計所構建的系統主要完成對礦井下環境參數的監測，實現井下工作人員的定位跟蹤、將收集的信息數據存儲并上傳到監控中心，為煤礦企業的安全生產、管理者制定科學決策提供有效依據。該系統是一個集物聯網、互聯網、傳感器等技術于一體的綜合系統，本文篇幅有限，主要闡述該系統的設計方案。

系統分為三大模塊：服務器端（PC）、數據處理平臺（A8）和遠程環境監測終端（M0）。

本系統在礦區的安裝布置方式如圖1所示。

圖1 系統安裝布置方式

1 系統概述

1.1 系統構成及部署

基于物聯網技術的嵌入式礦下環境監測系統，是基于PC、Cortex-A8及Cortex-M0等設計，依托各項互聯網、物聯網、傳感器等技術實現，實現各個礦井井下環境的遠程監測、人員位置跟蹤，以實現最大限度的礦井環境監測。

煤礦的礦區特點是單個礦井縱深長，而范圍卻比較小，各個終端和數據處理中心進行連接時必須使用級聯的方式，各個終端相互之間進行逐級上報，M0采集模塊完成數據采集，通過ZigBee通信上報到A8前端數據處理中心，然后A8前端模塊集中將數據通過WEB方式提供給遠程PC后臺。

1.2 系統功能描述

系統實現的基本功能主要包括：M0終端安裝在礦井的縱深方向，各個M0終端通過ZigBee進行級聯，實現整個礦井的分布式數據采集；M0終端實時采集礦下環境數據：溫度、濕度、瓦斯濃度、RFID刷卡數據；最靠近數據處理中心的M0終端、通過ZigBee通信，將采集到的環境數據及刷卡信息傳送給數據處理中心；數據處理中心（A8）接收到各個M0終端采集的數據后進行統一處理（存儲、轉發、產生報警信息、更新到核心服務器端）；數據處理中心（A8）通過GPRS模塊向綁定的手機發送報警信息；數據處理中心（A8）構建嵌入式WEB服務器，用戶通過網絡和PC進行監控，并進行相應的參數設置；服務器PC端為總的數據處理后臺，通過網絡連接到各個A8數據處理中心，下載各個數據中心數據以進行二次數據處理。

1.3 系統通信方式

在本系統中，三個模塊間使用了以下幾種通信方式。

PC后臺和A8數據處理中心之間：使用WEB服務的方式，由A8數據處理中心構建的嵌入式WEB服務器，在模塊內實現簡單的控制網頁，PC通過普通網頁的方式進行模塊的訪問和控制。

A8數據處理中心和M0數據采集模塊之間：使用ZigBee短程無線的方式進行數據的傳輸和模塊的控制。

A8模塊和手機之間：A8模塊連接一個GPRS模塊，目前主要使用短信的方式，在緊急事件發生時，向用戶手機發出短信；同時GPRS模塊也可以提供數據連接方式，實現手機端的WEB訪問。

各個M0數據采集模塊之間：使用ZigBee短程無線通信，在深井內的M0模塊由于距離過長，無法和A8進行通信，所以必須使用級聯的方式，通過相鄰的M0模塊進行逐級上報。

2 數據處理中心（A8）

基于Cortex-A8的數據處理中心模塊，需要實現與PC的WEB連接、與各個采集模塊的ZigBee通信、與手機的GPRS通信，為此使用基于ARMv7的Cortex-A8內核的高性能嵌入式處理器，構建嵌入式Linux系統，并在此基礎上構建嵌入式WEB服務器以實現遠端連接，移植QT圖像界面以實現本地化的簡單控制。

2.1 系統架構

數據處理中心模塊為一個完整的嵌入式Linux系統，硬件設計上使用三星公司基于Cortex-A8內核ARM CPU S5PC100芯片作為主處理器，擴展SDRAM、Flash構成一個高性能的嵌入式控制板。在此基礎上使用Linux操作系統、QT圖形界面，以及BOA嵌入式WEB服務器，提供網頁連接方式。

模塊開發過程中，使用了華清遠見公司的S5PC100開發板進行軟件開發和系統評估，在開發板的基礎上通過UART串口擴展了ZigBee和GPRS模塊，硬件架構如圖2所示。

圖2 硬件架構圖

作為一個嵌入式系統，系統的設計充分考慮了軟件的分層和模塊化設計方式，在評估板上移植了嵌入式Linux作為應用系統，并為各個部分的硬件模塊編寫相應的Linux驅動，構成一個嵌入式Linux開發平臺，在此平臺上再進行應用程序的開發，整個系統的層次結構如圖3所示。

圖3 系統設計層次結構

2.2 平臺設計

這里所說的平臺，是在S5PC100開發板上構建一個嵌入式Linux平臺，分為內核層和驅動層兩個主要部分。其中，內核層完成Linux內核的裝載、啟動、根文件系統的掛載，包括u-boot啟動器、Linux內核、rootfs文件系統、yaffs文件系統，而驅動層則是GPRS、LED、ZigBee等外部硬件設備的硬件驅動。

系統啟動時，從NAND Flash中啟動u-boot，通過uboot從NAND Flash中裝載Linux內核鏡像，并掛載rootfs文件系統供內核使用。yaffs文件系統用于管理NAND Flash的余下分區，作為數據存儲使用。

2.3 應用設計

（1）系統架構

數據處理中心（A8）需要不停讀取各個采集終端（M0）采集到的環境信息，根據環境信息決定是否產生報警信號（發短信、網頁通知、聲光報警等）并進行數據的保存。同時，還要響應PC后臺的網頁請求，提供后臺PC的無線訪問。

系統共設計了5個進程，描述如下：

①主進程負責采集數據，并做主要的事務處理，產生的數據及網頁報警信息通過共享內存和QT進程，記錄進程并交互；

②ZigBee進程負責按設定好的時間間隔從各個分板將數據讀回來，并通過消息隊列通知主進程；

③QT進程負責人機界面交互，從共享內存中讀取數據，顯示于LCD上，并處理用戶輸入，響應用戶操作；

④數據記錄進程，從共享內存中取得各項數據記錄于數據庫中；

⑤CGI程序為獨立的可執行程序，從共享內存中讀取數據，響應網頁操作，并將網頁設置的值通過共享內存傳遞給主進程，進行事務的處理。

（2）HTML和QT界面設計

網頁頁面主要用來顯示相關信息，并提供設置選擇是否產生相應的報警信息。從安全角度考慮，進入系統之前，必須進行用戶校驗。用戶登錄進入系統后，可以通過左側選擇查看各個終端，右側設計為實時切換各個終端的數據顯示，如圖4所示。

除了登錄檢查和監控，系統還提供了歷史數據查看功能，如圖5所示。可以查看前幾天的數據，類似于監控界面，通過左側的選擇框選擇相應的終端，右邊實時切換至相應的信息顯示；此外增加了圖表方式進行連接的曲線顯示。

3 數據采集終端（M0）

實際安裝在各個采集點的數據采集終端，在夜間斷電時還要能夠監測礦井里各個點的環境數據，使用電池和電力交叉供電的方式。基于Cortex-M0內核的LPC11C14微處理器作為主控芯片，它是一個超低功耗的ARM內核CPU，可以在保證系統功能的情況下，實現在電池供電狀態下的較長待機時間。

3.1 系統架構及功能描述

數據采集終端M0，安裝于礦井的各個部分，負責各個點的環境監測與數據上報，整體架構如圖6所示。系統功能包括：環境信息采集，即如溫度、濕度、瓦斯濃度；RFID數據采集，每個M0終端可以連接一個RFID讀卡器，用于工人位置的簡單定位；輔助信息采集，模塊本身電池電量、Axis＿3三軸加速度（在發生地震時，由于不平衡，震動而觸發）；數據上報，通過ZigBee模塊將采集的數據上報到A8前端數據模塊進行統一處理；異常報警，正常情況下，模塊的異常告警由A8模塊進行控制，在異常產生時，可以獨立生產異常報警信息；運行狀態指示，簡單的LED指示系統當前運行狀態（是否在工作）等。

圖4 登錄頁面與系統監控界面

圖5 歷史數據查看

圖6 M0模塊系統架構

M0終端需要采集環境的濕度、溫度、瓦斯濃度及其他相關信息，并處理ZigBee通信。

主要包括：采用DHT11傳感器對溫濕度信息進行采集；采用 MMA7455L傳感器采集三軸加速度；采用CY14443/SPI對RFID信息采集；采用ADC 3通道對電池電量信息采集；采用ADC0通道對電位器信息采集；采用RS232接口的集成ZigBee模塊進行無線通信。

3.2 M0終端工作流程

在本系統中，M0作為分布式模塊安裝于礦井的各個監測點，負責采集各個環境信息并通過ZigBee模塊進行上報，主要包括4個處理流程：ZigBee接收中斷處理、RFID中斷處理、秒中斷處理和主流程。

首先，系統上電初始化 M0終端設備，系統定時器、GPIO口、SPI、UART、I2C總線等設備，配置系統定時器為1 ms，配置中斷處理函數為1 s，第一次采集信息。

然后，主程序進行輪詢判斷，在沒有外部中斷（ZigBee接收中斷，RFID刷卡中斷）情況下進行數據的采集，嘗試與主站A8模塊進行通信。在通信未成功之前，M0終端設置為自動報警模式（自我環境監測、異常報警等）。

當有外部RFID時，其他數據正常采集，RFID中斷函數同時對磁卡數據采集校驗，并通過ZigBee模塊發送給A8模塊。

當有外部中斷ZigBee接收中斷時，中斷處理函數接收A8服務器發過來的命令，執行不同的操作，同時將M0終端設置為受控模式。

從安全穩定的角度考慮，在A8模塊異常、M0終端無法和A8模塊通信超過30 s時，M0終端將會切換到自動模式，自己進行異常檢測，根據設置好的參數判斷是否產生報警信息（聲光報警）。

結 語

整個系統的構建比較復雜，涉及硬件設計、ARM內核編程、系統bootloader、Linux內核移植、驅動程序、嵌入式Linux應用編程、網頁編程、AJAX網頁動態加載技術、數據庫編程等多各項技術的綜合應用。

在系統的構建過程中，必須保持清晰的模塊化設計，并且在模塊分布架構前，必須設計好整個數據流，根據數據流來進行模塊的劃分與交互，單個模塊的技術應用并不復雜，整個系統的實現與架構是設計的難點。

目前，本設計已經實現了整個系統的基本框架，完成了整個系統的數據流閉環，需要完善的是根據實際的使用情況改善用戶體驗度，例如網頁的操作模式、工人井下操作的便利性等。

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