物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式礦下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

 引言

在“感知中國”的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全面發(fā)展的環(huán)境下，“感知礦山”是中國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中重要的一環(huán)，本設(shè)計所構(gòu)建的系統(tǒng)主要完成對礦井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，實現(xiàn)井下工作人員的定位跟蹤、將收集的信息數(shù)據(jù)存儲并上傳到監(jiān)控中心，為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)、管理者制定科學(xué)決策提供有效依據(jù)。該系統(tǒng)是一個集物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)，本文篇幅有限，主要闡述該系統(tǒng)的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及部署

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式礦下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，是基于PC、Cortex—A8及Cortex-M0等設(shè)計，依托各項互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)實現(xiàn)，實現(xiàn)各個礦井井下環(huán)境的遠程監(jiān)測、人員位置跟蹤，以實現(xiàn)最大限度的礦井環(huán)境監(jiān)測。

系統(tǒng)分為三大模塊：服務(wù)器端(PC)、數(shù)據(jù)處理平臺(A8)和遠程環(huán)境監(jiān)測終端(M0)。

本系統(tǒng)在礦區(qū)的安裝布置方式如圖1所示。

煤礦的礦區(qū)特點是單個礦井縱深長，而范圍卻比較小，各個終端和數(shù)據(jù)處理中心進行連接時必須使用級聯(lián)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(shù)據(jù)采集，通過ZigBee通信上報到A8前端數(shù)據(jù)處理中心，然后A8前端模塊集中將數(shù)據(jù)通過WEB方式提供給遠程PC后臺。

1.2 系統(tǒng)功能描述

系統(tǒng)實現(xiàn)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(lián)，實現(xiàn)整個礦井的分布式數(shù)據(jù)采集;M0終端實時采集礦下環(huán)境數(shù)據(jù)：溫度、濕度、瓦斯?jié)舛?、RFID刷卡數(shù)據(jù);最靠近數(shù)據(jù)處理中心的M0終端、通過ZigBee通信，將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)及刷卡信息傳送給數(shù)據(jù)處理中心;數(shù)據(jù)處理中心(A8)接收到各個M0終端采集的數(shù)據(jù)后進行統(tǒng)一處理(存儲、轉(zhuǎn)發(fā)、產(chǎn)生報警信息、更新到核心服務(wù)器端);數(shù)據(jù)處理中心(A8)通過GPRS模塊向綁定的手機發(fā)送報警信息;數(shù)據(jù)處理中心(A8)構(gòu)建嵌入式WEB服務(wù)器，用戶通過網(wǎng)絡(luò)和PC進行監(jiān)控，并進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置;服務(wù)器PC端為總的數(shù)據(jù)處理后臺，通過網(wǎng)絡(luò)連接到各個A8數(shù)據(jù)處理中心，下載各個數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)以進行二次數(shù)據(jù)處理。

1.3 系統(tǒng)通信方式

在本系統(tǒng)中，三個模塊間使用了以下幾種通信方式。

PC后臺和A8數(shù)據(jù)處理中心之間：使用WEB服務(wù)的方式，由A8數(shù)據(jù)處理中心構(gòu)建的嵌入式WEB服務(wù)器，在模塊內(nèi)實現(xiàn)簡單的控制網(wǎng)頁，PC通過普通網(wǎng)頁的方式進行模塊的訪問和控制。

A8數(shù)據(jù)處理中心和M0數(shù)據(jù)采集模塊之間：使用ZigBee短程無線的方式進行數(shù)據(jù)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(fā)生時，向用戶手機發(fā)出短信;同時GPRS模塊也可以提供數(shù)據(jù)連接方式，實現(xiàn)手機端的WEB訪問。

各個M0數(shù)據(jù)采集模塊之間：使用ZigBee短程無線通信，在深井內(nèi)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(lián)的方式，通過相鄰的M0模塊進行逐級上報。

2 數(shù)據(jù)處理中心(A8)

基于Cortex-A8的數(shù)據(jù)處理中心模塊，需要實現(xiàn)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(nèi)核的高性能嵌入式處理器，構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建嵌入式WEB服務(wù)器以實現(xiàn)遠端連接，移植QT圖像界面以實現(xiàn)本地化的簡單控制。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)處理中心模塊為一個完整的嵌入式Linux系統(tǒng)，硬件設(shè)計上使用三星公司基于Cortex—A8內(nèi)核ARMCPU S5PC100芯片作為主處理器，擴展SDRAM、Flash構(gòu)成一個高性能的嵌入式控制板。在此基礎(chǔ)上使用Linux操作系統(tǒng)、QT圖形界面，以及BOA嵌入式WEB服務(wù)器，提供網(wǎng)頁連接方式。

模塊開發(fā)過程中，使用了華清遠見公司的S5PC100開發(fā)板進行軟件開發(fā)和系統(tǒng)評估，在開發(fā)板的基礎(chǔ)上通過UART串口擴展了ZigBee和GPRS模塊，硬件架構(gòu)如圖2所示。

作為一個嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了軟件的分層和模塊化設(shè)計方式，在評估板上移植了嵌入式Linux作為應(yīng)用系統(tǒng)，并為各個部分的硬件模塊編寫相應(yīng)的Linux驅(qū)動，構(gòu)成一個嵌入式Linux開發(fā)平臺，在此平臺上再進行應(yīng)用程序的開發(fā)，整個系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 平臺設(shè)計

這里所說的平臺，是在S5PC100開發(fā)板上構(gòu)建一個嵌入式Linux平臺，分為內(nèi)核層和驅(qū)動層兩個主要部分。其中，內(nèi)核層完成Linux內(nèi)核的裝載、啟動、根文件系統(tǒng)的掛載，包括u—boot啟動器、Linux內(nèi)核、rootfs文件系統(tǒng)、yaffs文件系統(tǒng)，而驅(qū)動層則是GPRS、LED、ZigBee等外部硬件設(shè)備的硬件驅(qū)動。

系統(tǒng)啟動時，從NAND Flash中啟動u—boot，通過u—boot從NAND Flash中裝載Linux內(nèi)核鏡像，并掛載rootfs文件系統(tǒng)供內(nèi)核使用。yaffs文件系統(tǒng)用于管理NAND Flash的余下分區(qū)，作為數(shù)據(jù)存儲使用。

2.3 應(yīng)用設(shè)計

(1)系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)處理中心(A8)需要不停讀取各個采集終端(M0)采集到的環(huán)境信息，根據(jù)環(huán)境信息決定是否產(chǎn)生報警信號(發(fā)短信、網(wǎng)頁通知、聲光報警等)并進行數(shù)據(jù)的保存。同時，還要響應(yīng)PC后臺的網(wǎng)頁請求，提供后臺PC的無線訪問。

系統(tǒng)共設(shè)計了5個進程，描述如下：

①主進程負責(zé)采集數(shù)據(jù)，并做主要的事務(wù)處理，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及網(wǎng)頁報警信息通過共享內(nèi)存和QT進程，記錄進程并交互;

②ZigBee進程負責(zé)按設(shè)定好的時間間隔從各個分板將數(shù)據(jù)讀回來，并通過消息隊列通知主進程;

③QT進程負責(zé)人機界面交互，從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，顯示于LCD上，并處理用戶輸入，響應(yīng)用戶操作;

④數(shù)據(jù)記錄進程，從共享內(nèi)存中取得各項數(shù)據(jù)記錄于數(shù)據(jù)庫中;

⑤CGI程序為獨立的可執(zhí)行程序，從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，響應(yīng)網(wǎng)頁操作，并將網(wǎng)頁設(shè)置的值通過共享內(nèi)存?zhèn)鬟f給主進程，進行事務(wù)的處理。

(2)HTML和QT界面設(shè)計

網(wǎng)頁頁面主要用來顯示相關(guān)信息，并提供設(shè)置選擇是否產(chǎn)生相應(yīng)的報警信息。從安全角度考慮，進入系統(tǒng)之前，必須進行用戶校驗。用戶登錄進入系統(tǒng)后，可以通過左側(cè)選擇查看各個終端，右側(cè)設(shè)計為實時切換各個終端的數(shù)據(jù)顯示，如圖4所示。

除了登錄檢查和監(jiān)控，系統(tǒng)還提供了歷史數(shù)據(jù)查看功能，如圖5所示?？梢圆榭辞皫滋斓臄?shù)據(jù)，類似于監(jiān)控界面，通過左側(cè)的選擇框選擇相應(yīng)的終端，右邊實時切換至相應(yīng)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(shù)據(jù)采集終端(M0)

實際安裝在各個采集點的數(shù)據(jù)采集終端，在夜間斷電時還要能夠監(jiān)測礦井里各個點的環(huán)境數(shù)據(jù)，使用電池和電力交叉供電的方式?；贑ortex—M0內(nèi)核的LPC11C14微處理器作為主控芯片，它是一個超低功耗的ARM內(nèi)核CPU，可以在保證系統(tǒng)功能的情況下，實現(xiàn)在電池供電狀態(tài)下的較長待機時間。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)及功能描述

數(shù)據(jù)采集終端M0，安裝于礦井的各個部分，負責(zé)各個點的環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)上報，整體架構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)功能包括：環(huán)境信息采集，即如溫度、濕度、瓦斯?jié)舛?RFID數(shù)據(jù)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(fā)生地震時，由于不平衡，震動而觸發(fā));數(shù)據(jù)上報，通過ZigBee模塊將采集的數(shù)據(jù)上報到A8前端數(shù)據(jù)模塊進行統(tǒng)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(chǎn)生時，可以獨立生產(chǎn)異常報警信息;運行狀態(tài)指示，簡單的LED指示系統(tǒng)當前運行狀態(tài)(是否在工作)等。

M0終端需要采集環(huán)境的濕度、溫度、瓦斯?jié)舛燃捌渌嚓P(guān)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(tǒng)中，M0作為分布式模塊安裝于礦井的各個監(jiān)測點，負責(zé)采集各個環(huán)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(tǒng)上電初始化M0終端設(shè)備，系統(tǒng)定時器、GPIO口、SPI、UART、I2C總線等設(shè)備，配置系統(tǒng)定時器為1ms，配置中斷處理函數(shù)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(shù)據(jù)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(shè)置為自動報警模式(自我環(huán)境監(jiān)測、異常報警等)。

當有外部RFID時，其他數(shù)據(jù)正常采集，RFID中斷函數(shù)同時對磁卡數(shù)據(jù)采集校驗，并通過ZigBee模塊發(fā)送給A8模塊。

當有外部中斷ZigBee接收中斷時，中斷處理函數(shù)接收A8服務(wù)器發(fā)過來的命令，執(zhí)行不同的操作，同時將M0終端設(shè)置為受控模式。

從安全穩(wěn)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(jù)設(shè)置好的參數(shù)判斷是否產(chǎn)生報警信息(聲光報警)。

結(jié)語

整個系統(tǒng)的構(gòu)建比較復(fù)雜，涉及硬件設(shè)計、ARM內(nèi)核編程、系統(tǒng)bootloader、Linux內(nèi)核移植、驅(qū)動程序、嵌入式Linux應(yīng)用編程、網(wǎng)頁編程、AJAX網(wǎng)頁動態(tài)加載技術(shù)、數(shù)據(jù)庫編程等多各項技術(shù)的綜合應(yīng)用。

在系統(tǒng)的構(gòu)建過程中，必須保持清晰的模塊化設(shè)計，并且在模塊分布架構(gòu)前，必須設(shè)計好整個數(shù)據(jù)流，根據(jù)數(shù)據(jù)流來進行模塊的劃分與交互，單個模塊的技術(shù)應(yīng)用并不復(fù)雜，整個系統(tǒng)的實現(xiàn)與架構(gòu)是設(shè)計的難點。

目前，本設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的基本框架，完成了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流閉環(huán)，需要完善的是根據(jù)實際的使用情況改善用戶體驗度，例如網(wǎng)頁的操作模式、工人井下操作的便利性等。