井下無線物聯網與智能終端應用研究

姚 磊 張明泉 周 泉

（淮北礦業（集團）有限責任公司機電裝備部，安徽 淮北 235000）

1 研究背景

近年來，隨著煤礦信息化、自動化技術的不斷發展，自動控制、設備狀態監測、工作環境監測、語音通訊、視頻監視等系統不斷擴容升級，井上下數據交互、各類通訊設備大量增加，導致井下存在網絡結構復雜、多系統重復建設、管理維護困難等問題，且淮北礦區存在地質構造復雜、災害多的特點，井下巷道多，截面小，拐彎多，作業地點多，人員分散，難以有效地進行生產調度指揮管理。主要存在以下問題：

（1）各系統均為獨立建設，存在數據傳輸設備、線路重復投入建設的問題。

（2）建設標準不統一，設備通用性差，各系統數據集成困難，系統間協同配合處理能力弱，存在“信息孤島”現象。

（3）因各系統數據均通過有線網絡傳輸，導致各類監測傳感器、通訊電話、廣播、攝像頭等設備安裝位置相對固定，不能及時地隨著工作環境的變化而變化，采掘工作面等復雜工作環境下的工況信息很難及時、有效的傳遞，制約了礦井智能化建設。

（4）井下工作人員隨身攜帶礦燈、瓦斯監測儀、人員定位卡等裝備，各裝備均為獨立攜帶。現場工作人員缺乏即時通訊的手段，不能與地面調度及其他人員進行直接通信交流及協同配合，影響工作效率，同時也不便于井下作業人員的統一管理。

為提升煤礦綜合管控水平，保障井上下信息、數據傳輸的及時性，統一智能傳感、智能控制、調度通信、環境監測等數據的傳輸通道，實現多系統融合、聯動，提高人員協作配合能力，提升人員定位精度，實現工人佩戴設備智能化、少量化，研究井下無線物聯網與智能終端應用，為礦井智能化建設打下堅實基礎。

2 主要研究內容

2.1 開發融合智能調度平臺

融合調度平臺基于主流的IP技術，采用模塊化設計，集有線調度通信、無線調度通信、應急廣播、視頻、智能礦燈、人員定位及環境監測等功能為一體，實現有線、無線、廣播、視頻等系統的統一調度、統一管理、統一維護。

為了實現融合智能調度，系統采用了“以人為本”的調度理念，將所有調度終端作為尋找到人的技術保障手段。系統通過人員位置信息自動發現所找的人的周邊語音設備信息，大幅度提高調度效率。

高度標準化SIP協議是基于IP技術融合調度的核心，支持語音、視頻、文件傳輸，具備高度的靈活性以及傳統程控調度無法實現的功能，如調度系統跨地域部署，與視頻、應急廣播、環境監測等系統融合聯動，結合煤礦GIS地圖實現基于位置的音視頻調度等。融合調度平臺架構如圖1所示。

圖1 融合調度平臺架構圖

2.2 開發綜合物聯網基站

基于WiFi通訊技術設計綜合物聯網基站，具備WiFi終端探測、WiFi傳輸、WiFi橋接、以太網、現場總線擴展以及窄帶無線接入擴展等功能，為構建井下物聯網通道提供基礎硬件支撐。綜合物聯網基站結構示意如圖2所示。

（1）WiFi覆蓋和橋接，采用2.4G和5.8G雙頻WiFi基站，2.4G實現WiFi信號覆蓋、終端接入，5.8G實現基站間無線橋接，同時基站能夠為附近設備提供標準的以太網接口。

（2）集成藍牙、ZigBee等窄帶無線接入模塊，適應不同類型的終端接入，擴展RS485、CAN等現場總線接入模塊，為具備現場總線的終端設備提供數據傳輸通道。

2.3 開發智能終端

結合智能終端與礦燈特點，在未改變礦燈形態的基礎上，將智能芯片、喇叭、麥克、按鍵、攝像頭等部件與礦燈集成，實現智能終端編寫，且具有完善的管理制度、管理措施。

硬件平臺核心芯片選擇集成度高、功耗低的智能機方案，攝像頭選擇低照度、高清、專業級sony 1/2.8、200萬像素的圖像傳感器，按鍵、喇叭、麥克、指示燈等部件與燈頭一體化設計，防護等級Ip67，本安電路與通信部件協同設計，達到Ia級。智能礦燈示意圖如圖3、圖4所示，開發智能礦燈軟件程序，實現智能礦燈功能“軟件定義”。

圖2 綜合基站構成框圖

圖3 智能礦燈構成框圖

圖4 礦燈實體圖

2.4 基于WiFi的定位算法

井下人員定位主要采用RFID區域定位技術，存在協議私有化、接入復雜、功能單一（不具備傳輸語音、視頻、文件等功能）等特點，不利于礦山多系統融合、智能化的發展。

WiFi傳輸協議802.11x的底層，具有信號強度（RSSI）、數據傳輸時間（TOF）等信息以及WiFi終端探測特性，利用WiFi基站探測特性快速捕捉區域內WiFi終端，結合WiFi傳輸協議的RSSI、ToF信息，開發定位算法，進行距離計算，實現人員的精確定位，將定位與信息傳輸融合，簡化井下設備配置，降低系統復雜度。

（1）基于RSSI定位

接收信號強度指示RSSI（Receive signal Strength Indicator），通過測得接收節點的接收功率以及信號強度，計算得到被測目標與基站間的距離，結合信息傳播造成的損耗，利用信號傳播衰減模型計算得到節點間的距離。

井下巷道環境復雜，由于巷道尺寸、粗糙度、側壁傾斜度、四周材料的介電常數不同，電波在巷道傳播特性較為復雜，需要建立各種模型進行配合測試。

（2）基于信號到達時間差 TDOA

通過測量不同基站接收被測目標所發信號的時間差或同一基站接收同一被測目標所發不同速度信號的時間差，計算各基站與被測目標距離的方法為TDOA測距法。

利用兩個基站接收到同一被測目標所發信號的時間差，確定被測目標位于以這兩個基站為焦點的雙曲線上。

3 關鍵技術

（1）WiFi定位模式與算法設計

采用WiFi進行定位，使定位技術更加標準化和通用化，實現了井下通信與定位融合，智能終端不借助第三方定位技術進行自主定位。

（2）IP語音通話以及回音抑制與降噪技術

采用標準的SIP音視頻通信協議，實現調度臺與智能裝備、應急廣播等設備的語音、視頻對講，優化軟件算法，加強回音抑制，做到在0.5m處聲音80dB無嘯叫，同時對不同地方的噪音做到動態調整，降低底噪。

（3）實時視頻編解碼、碼率幀率自適應網絡技術

根據網絡情況對實時視頻編解碼、碼率幀率進行處理。在網絡狀況一般時，維持常用的狀況，不做特殊復雜處理；在網絡狀況不好時采用降低碼率方案，如降低源頭幀率、降低目標分辨率、降低幅度，根據網絡狀況決定是否采用連續階梯降碼率。

（4）網絡漫游技術

為了避免智能終端在不同的AP（無線訪問接入點）之間切換時，出現網絡通訊中斷的現象，采用基于礦井的獨特的網絡漫游算法，保障在跨基站移動中數據通信不中斷。

（5）節電技術

智能判斷智能裝備“空閑”或“非滿負荷”狀態，結合軟硬件特性，使用節電技術，降低設備功耗。

4 創新點

（1）復雜工礦條件下高可靠無線傳輸技術

淮北礦區井下巷道具有距離短、截面小、設備多等特點，工礦環境復雜，無線物聯網應用過程中會發生多徑效應、電磁噪聲干擾等問題，通過對基站天線、軟件算法的研究設計，解決了復雜工礦環境下WiFi無線傳輸距離短、穩定性不足的問題，并實現了數據傳輸跨基站無線漫游等功能。

（2）小型化、多功能、實用性裝備設計

采用低功耗、本安化的集成設計，將有線以太環網、WiFi、CAN、RS485、I/O等硬件設備集成至小型化綜合物聯網基站中，打通井下各系統數據接入通道“最后一米”。在不改變礦燈產品形態的基礎上，集成超低功耗智能處理芯片、攝像頭、喇叭等模塊，在礦燈上實現音視頻通訊、人員定位、語音報警等功能。通過藍牙模塊，為瓦檢儀、智能手環等裝備提供數據傳輸通道，實現“一機多能”。

（3）算法及協議深度優化設計

通過對WiFi算法、VOIP協議等進行深度優化設計，實現WiFi數據終端用戶大并發接入及傳輸，實現基于WiFi協議的連續、精準人員定位，在井下惡劣環境下實現低帶寬、高質量、穩定的IP音視頻通話。

（4）通用、融合、共享的平臺開發

實現在一個平臺上對語音調度、定位、通信、應急廣播等多個系統一體化調度管理，無需專用調度臺，實現局/礦兩級分級調度管理。

5 結語

物聯網、智能裝備是國家大力倡導的發展方向，本次應用研究是一個新技術集成、融合、創新的項目。

（1）融合調度平臺實現了調度通訊、人員定位、應急廣播等多系統的統一調度管理，并實現集團統籌管控、礦井綜合調度管理、作業現場實時調度指揮多級管控模式，提升了礦井綜合管控水平。

（2）基于WiFi的物聯網綜合基站，通過優化設計，對復雜工礦環境適應性強，具有功能全、成本低、升級方便的特點，為各類監測、監控系統提供統一的數據傳輸通道，解決煤礦井下設備多、通信網絡繁雜、多系統重復建設的問題，可在各種類型的礦井推廣應用。

（3）智能終端的應用，在不增加井下作業人員負擔的情況下，可實時掌握井下作業人員的地理位置、生命特征，提升個人安全防護水平，通過實時音視頻通訊功能，提高礦井生產調度及應急指揮能力，提升安全生產效率。