礦井安全監控系統融合網關的設計

收稿日期：2023-12-15

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.041

摘" 要：礦井安全監控系統包含眾多子系統，這些子系統使用獨立且不同的網關。煤礦井下環境惡劣，數據傳輸的實時性和可靠性對于安全生產具有重要意義，傳統網關數據處理能力差，難以實時處理和傳輸海量數據。為此，設計一款礦井安全監控系統融合網關，該網關以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的數據，在網關內進行數據處理，通過工業以太網上傳數據，實現各個子系統的數據融合與轉發。

關鍵詞：安全監控；融合網關；RK3568；工業以太網

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過程中廣受關注，煤礦井下安全監控系統包含多個子系統，有瓦斯監控系統、火災監控系統、通風監控系統、壓力監控系統等，使用了多種不同的有線或無線通信技術，因為存在使用協議眾多、升級改造難度大等問題，無法實現多系統的互聯互通，使得礦井安全監控系統集成化低，數據利用率也低，從而造成“信息孤島”現象，甚至難以實現資源的有效共享，礦井出現安全問題時的應急聯動也難以實現[1]。這些系統的獨立運作會增加開發、生產和維護成本，也會導致工作效率的極大降低[2]。煤礦井下各個系統都有獨立且不同的網關，往往是根據單一系統的需求而定制的，各個系統的功能較少，只能實現對應系統中設備數據的接入與協議轉換；通用性差，過去的網關較多地使用單核MCU，主頻較低，數據處理能力和存儲能力較差，大多將數據傳輸到云端再進行數據的存儲與處理[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據接入也是一個難題。若同時接入多個系統的數據，并將數據同步到云端平臺，因數據量較大，需要較強的數據處理能力和數據傳輸能力[4]。傳統礦用網關的數據處理能力與數據轉發能力較差，協議轉換樣式單一且開發的靈活性較低，存儲空間較小，擴展性較差[5]。

隨著工業互聯網與計算機技術的高速發展，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，為工業網關的設計提供了新的思路[6]。礦井安全監控系統融合網關采用以RK3568為主控芯片的LubanCat-2-BTB核心板，RK3568包含四顆Cortex-

A55內核，主頻為2.0 GHz；該核心板內有4 GB的DDR內存和32 GB的eMMC，可以引出320個BTB引腳，其高性能的特性使網關能夠在邊緣端進行大量數據的處理與緩存。各個子監控系統采集的瓦斯濃度、甲烷濃度、粉塵濃度、溫度、壓力、風速、振動等數據通過CAN總線、RS-485總線和Sub-G無線射頻模塊傳輸至網關，在網關的邊緣側進行數據緩存和處理，并通過以太網上傳至地面監控中心和云端，提高生產過程中的安全性[7]。

1" 網關功能需求

網關在礦井安全監控系統中主要負責接收各個安全監控子系統采集的數據，在網關內進行協議轉換、數據處理和緩存，并將數據轉發至地面監控中心或云端。網關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控子系統的瓦斯濃度、甲烷濃度、粉塵濃度、溫度、壓力、風速、振動等數據，網關應支持RS-232總線、RS-485總線、CAN總線、以太網和Sub-G無線射頻模塊等有線和無線通信方式。

2）協議轉換。支持Modbus協議、CAN總線協議、TCP、IP等協議。一方面，網關能夠將來自礦井安全監控系統的數據統一封裝轉換成網絡層可以識別的數據和信令；另一方面，來自網絡層的數據包通過網關之后可以解析為礦井監控系統下各個設備能夠理解的信令和控制指令。

3）數據處理。網關對接收的子系統數據進行數據融合，在網關內進行數據篩選與融合，制定對應的規則，將超過設定閾值或變化幅度大的數據導出；多個監控子系統的傳感設備數據并發接入時，往往需要多線程進行任務處理，這對網關的數據處理能力提出了較高的要求。

4）數據緩存。基于甲烷濃度、溫度、風速、負壓、一氧化碳濃度等重要測點的實時監測值存盤記錄應保存3個月以上；模擬量統計值、報警/解除報警時刻及狀態、斷電/復電時刻及狀態、饋電異常報警時刻及狀態、局部通風機、風筒、主要通風機、風向、風門等狀態及變化時刻、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等記錄應保存2年以上。網關應有較大的存儲空間，可以將網絡中斷時未及時上傳的數據及故障數據存儲在邊緣端，有效緩解云端和地面監控端的存儲壓力[8]。

5）數據轉發。通過對各個子監控系統的傳感設備進行巡檢，采集各個子監控系統的數據，根據自己定義的協議將封裝后的數據通過工業以太環網上傳至上位機或云平臺。

6）可擴展性。留有擴展內存的接口，可供存儲大量的數據，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，可以對本系統進行內存擴展及通信模塊的擴展，從而大大縮短二次開發的時間。

2" 總體設計

礦井安全監控系統融合網關接收來自瓦斯監控系統、火災監控系統、通風監控系統、壓力監控系統中各個傳感設備的數據，在網關內進行協議轉換，并通過以太環網將融合后的數據上傳至上位機或云端。網關總體設計框圖如圖1所示。

圖1" 網關總體設計框圖

3" 網關硬件設計

根據功能需求，網關以RK3568核心板為主控模塊，在底板上搭載應用系統所需外設，包括電源模塊、以太網模塊、RS-232模塊、RS-485模塊、Sub-G模塊、存儲擴展模塊等。基于煤礦安全監控系統通用技術指標對直流電源和信號端口的要求，系統中的直流電源和信號端口需通過GB/T17625.5規定的嚴酷等級為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]。在對網關進行選型與設計時，各個通信模塊均需要進行隔離設計。網關硬件結構框圖如圖2所示。

根據網關的功能需求與硬件結構框圖，以高性能網關為設計理念，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GMAC引腳、152個GPIO管腳；核心板搭載4 GB的LPDDR4內存和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

網關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境，網關采用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5 V和5 V轉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線性穩壓器，NCV1117ST33T3G的最大輸出電流為1 A，將5 V轉至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

網關選用隔離RSM232模塊，3.3 V直流供電，傳輸速率可達235 kbit/s，將TTL電平轉換為RS-232電平。為了避免外界高壓或礦井惡劣環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

網關選用隔離RSM3485ECHT模塊，3.3 V直流電源供電，數據傳輸速率可達500 kbit/s，總線上支持多達256個收發器，考慮到礦井惡劣環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，單網絡可連接多達110個CAN節點，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內部的鎖相環PLL實現倍頻輸出125 MHz的時鐘信號；帶網絡變壓器的RJ45選用HY911130A，相對于不帶網絡變壓器的RJ45，帶網絡變壓器的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的數據傳輸速率，可以設置更低的輸出功率以節省功耗，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

網關采用PCIE的擴展設計，PCIE固態硬盤擴展采用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，大內存的擴展對長時間存儲異常數據具有重要意義。

4" 網關協議及軟件設計

網關的主要作用是對不同網絡中的數據進行協議轉換和數據轉發。在礦井安全監控系統融合網關中接收瓦斯濃度、甲烷濃度、粉塵濃度、溫度、壓力、風速數據，數據得到處理之后將數據封裝并通過工業以太網上傳至上位機或云端。

4.1" 網關協議設計

網關對傳感設備進行巡檢的命令幀格式如表1所示。

表1" 網關巡檢命令幀格式

描述 地址碼 功能碼 數據長度 CRC校驗

字節數 1 1 1 2

傳感設備返回數據幀格式如表2所示。

表2" 傳感設備返回數據幀格式

描述 地址碼 功能碼 數據 CRC校驗

字節數 1 1 N 2

網關最基本的作用就是協議轉換，網關采用Modbus協議對礦井安全監控子系統的所有傳感設備進行巡檢，將采集到的數據進行協議轉換，通過工業以太環網上傳數據；以太網中數據的傳輸使用TCP協議，TCP協議是基于IP協議的一種傳輸層協議，相較UDP協議具有更高的可靠性[10]。網關對來自子系統傳感設備的數據進行解析，通過工業以太環網進行數據上傳。網關上傳數據幀格式如表3所示。

表3" 網關上傳數據幀格式" " " " 單位：B

報文 描述 字節數

包頭 幀頭 2

類型 1

網關地址 6

報文長度 2

巡檢數量 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" 網關軟件設計

網關軟件部分采用模塊化設計，根據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的時間，方便軟件的后續更新與升級。網關上電后系統進行初始化，網關對礦井安全監控系統中各個子系統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據進行判斷，將異常值數據進行單獨存儲，且本地存儲時間需要達到兩年；對正常值數據也要進行三個月的存儲，并通過工業以太環網上傳所有數據。網關主程序流程圖如圖3所示。

圖3" 網關主程序流程圖

5" 實驗測試

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

圖4" 網關數據傳輸性能測試圖

6" 結" 論

根據礦井安全監控系統融合網關的功能需求，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、以太網等有線通信模塊和無線Sub-G射頻模塊的硬件電路；網關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的時間；制定了傳輸協議，并在此基礎上進行了軟件設計，完成了對礦井安全監控各個子系統傳感設備的數據接收、處理、存儲和上傳，在邊緣實現了數據處理、融合與存儲，緩解了云端的計算和存儲壓力；同時也更好地實現了對礦井安全監控系統的實時監測，提高了數據傳輸速率和實時性，進而顯著提高了礦井作業安全管理水平。

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