收稿日期：2023-12-15
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.041
摘" 要：矿井安全监控系统包含众多子系统，这些子系统使用独立且不同的网关。煤矿井下环境恶劣，数据传输的实时性和可靠性对于安全生产具有重要意义，传统网关数据处理能力差，难以实时处理和传输海量数据。为此，设计一款矿井安全监控系统融合网关，该网关以RK3568核心板为主控，搭载无线通信、有线通信和扩展模块，负责接收来自各个子系统的数据，在网关内进行数据处理，通过工业以太网上传数据，实现各个子系统的数据融合与转发。
关键词：安全监控；融合网关；RK3568；工业以太网
中图分类号：TP277" 文献标识码：A" " 文章编号：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
煤矿安全在煤炭生产过程中广受关注，煤矿井下安全监控系统包含多个子系统，有瓦斯监控系统、火灾监控系统、通风监控系统、压力监控系统等，使用了多种不同的有线或无线通信技术，因为存在使用协议众多、升级改造难度大等问题，无法实现多系统的互联互通，使得矿井安全监控系统集成化低，数据利用率也低，从而造成“信息孤岛”现象，甚至难以实现资源的有效共享，矿井出现安全问题时的应急联动也难以实现[1]。这些系统的独立运作会增加开发、生产和维护成本，也会导致工作效率的极大降低[2]。煤矿井下各个系统都有独立且不同的网关，往往是根据单一系统的需求而定制的，各个系统的功能较少，只能实现对应系统中设备数据的接入与协议转换；通用性差，过去的网关较多地使用单核MCU，主频较低，数据处理能力和存储能力较差，大多将数据传输到云端再进行数据的存储与处理[3]。除此之外，煤矿矿井下还存在很多老旧设备，将这些老旧设备的数据接入也是一个难题。若同时接入多个系统的数据，并将数据同步到云端平台，因数据量较大，需要较强的数据处理能力和数据传输能力[4]。传统矿用网关的数据处理能力与数据转发能力较差，协议转换样式单一且开发的灵活性较低，存储空间较小，扩展性较差[5]。
随着工业互联网与计算机技术的高速发展，边缘计算也成为工控领域的研究热点，将计算能力从云端下降到边缘端，为工业网关的设计提供了新的思路[6]。矿井安全监控系统融合网关采用以RK3568为主控芯片的LubanCat-2-BTB核心板，RK3568包含四颗Cortex-
A55内核，主频为2.0 GHz；该核心板内有4 GB的DDR内存和32 GB的eMMC，可以引出320个BTB引脚，其高性能的特性使网关能够在边缘端进行大量数据的处理与缓存。各个子监控系统采集的瓦斯浓度、甲烷浓度、粉尘浓度、温度、压力、风速、振动等数据通过CAN总线、RS-485总线和Sub-G无线射频模块传输至网关，在网关的边缘侧进行数据缓存和处理，并通过以太网上传至地面监控中心和云端，提高生产过程中的安全性[7]。
1" 网关功能需求
网关在矿井安全监控系统中主要负责接收各个安全监控子系统采集的数据，在网关内进行协议转换、数据处理和缓存，并将数据转发至地面监控中心或云端。网关应具备以下功能特点：
1）通信方式的多样化。为接收多个矿井安全监控子系统的瓦斯浓度、甲烷浓度、粉尘浓度、温度、压力、风速、振动等数据，网关应支持RS-232总线、RS-485总线、CAN总线、以太网和Sub-G无线射频模块等有线和无线通信方式。
2）协议转换。支持Modbus协议、CAN总线协议、TCP、IP等协议。一方面，网关能够将来自矿井安全监控系统的数据统一封装转换成网络层可以识别的数据和信令；另一方面，来自网络层的数据包通过网关之后可以解析为矿井监控系统下各个设备能够理解的信令和控制指令。
3）数据处理。网关对接收的子系统数据进行数据融合，在网关内进行数据筛选与融合，制定对应的规则，将超过设定阈值或变化幅度大的数据导出；多个监控子系统的传感设备数据并发接入时，往往需要多线程进行任务处理，这对网关的数据处理能力提出了较高的要求。
4）数据缓存。基于甲烷浓度、温度、风速、负压、一氧化碳浓度等重要测点的实时监测值存盘记录应保存3个月以上；模拟量统计值、报警/解除报警时刻及状态、断电/复电时刻及状态、馈电异常报警时刻及状态、局部通风机、风筒、主要通风机、风向、风门等状态及变化时刻、瓦斯抽采（放）量等累计量值、设备故障/恢复正常工作时刻及状态等记录应保存2年以上。网关应有较大的存储空间，可以将网络中断时未及时上传的数据及故障数据存储在边缘端，有效缓解云端和地面监控端的存储压力[8]。
5）数据转发。通过对各个子监控系统的传感设备进行巡检，采集各个子监控系统的数据，根据自己定义的协议将封装后的数据通过工业以太环网上传至上位机或云平台。
6）可扩展性。留有扩展内存的接口，可供存储大量的数据，以边缘存储来缓解云端存储的压力，如果后期实际需求增加，可以对本系统进行内存扩展及通信模块的扩展，从而大大缩短二次开发的时间。
2" 总体设计
矿井安全监控系统融合网关接收来自瓦斯监控系统、火灾监控系统、通风监控系统、压力监控系统中各个传感设备的数据，在网关内进行协议转换，并通过以太环网将融合后的数据上传至上位机或云端。网关总体设计框图如图1所示。
图1" 网关总体设计框图
3" 网关硬件设计
根据功能需求，网关以RK3568核心板为主控模块，在底板上搭载应用系统所需外设，包括电源模块、以太网模块、RS-232模块、RS-485模块、Sub-G模块、存储扩展模块等。基于煤矿安全监控系统通用技术指标对直流电源和信号端口的要求，系统中的直流电源和信号端口需通过GB/T17625.5规定的严酷等级为2级的抗浪涌（冲击）干扰度实验，即应满足线与线之间500 V、线与地之间1 000 V的开路实验电压[9]。在对网关进行选型与设计时，各个通信模块均需要进行隔离设计。网关硬件结构框图如图2所示。
根据网关的功能需求与硬件结构框图，以高性能网关为设计理念，在对各个模块进行选型与设计时充分考虑矿井中复杂恶劣的环境，从主控模块、电源模块、有线通信模块、无线通信模块和扩展模块等方面进行硬件选型设计。
3.1" 主控模块
核心板采用瑞芯微公司生产的RK3568作为主芯片，RK3568采用22 nm工艺，主频为2.0 GHz，集成四核64位Cortex-A55处理器，RK3568配有丰富的外留引脚，包括6路I2C接口、4路SPI接口、10路UART接口、三路CAN模块通道、两路以太网GMAC引脚、152个GPIO管脚；核心板搭载4 GB的LPDDR4内存和32 GB的eMMC存储空间，核心板的BTB连接器一共引出320个引脚，为底板上各个总线通信模块留有足够的设计余量与扩展空间。
3.2" 电源模块
网关中核心板工作电压为5 V，其他各芯片模块供电电压为3.3 V，考虑到煤矿井下恶劣的环境，网关采用12 V-2 A隔离本安电源进行供电。隔离本安电源选用MKDD-I，采用两级降压设计，即12 V转5 V和5 V转3.3 V。第一级降压采用DC-DC模块K7805-2000R3，最大输出电流为2 000 mA，可以将12 V电压降至5 V为核心板供电，同时也可作为第二级降压的输入电压；第二级降压使用NCV1117ST33T3G线性稳压器，NCV1117ST33T3G的最大输出电流为1 A，将5 V转至3.3 V为RS-232总线、RS-485总线、CAN总线等模块供电。
3.3" RS-232通信模块
网关选用隔离RSM232模块，3.3 V直流供电，传输速率可达235 kbit/s，将TTL电平转换为RS-232电平。为了避免外界高压或矿井恶劣环境下雷击对芯片造成的损坏，在设计RS-232电路时加入保护电路，以防止高压电力和雷击对设备造成损害；在RIN和TOUT两条线上以及这两条线与地线之间分别加一个TVS管以防止过高的电压对设备造成损害；在RIN和TOUT线上分别外加一个PTC进行过流保护。
3.4" RS-485通信模块
网关选用隔离RSM3485ECHT模块，3.3 V直流电源供电，数据传输速率可达500 kbit/s，总线上支持多达256个收发器，考虑到矿井恶劣环境下高电压会损坏电路，在电路的485-A和485-B线及地线之间分别加上TVS管，并在485-A线和485-B线上加上一个共模电感以抑制共模噪声。
3.5" CAN总线通信模块
CAN模块选用ZLG致远电子的双路隔离CTM8251KAD，工作电压为3.3 V，传输波特率为5 kbit/s～1 Mbit/s，单网络可连接多达110个CAN节点，最长通信距离为10 km，隔离耐压直流3 500 V；在CANH和CANL两条线上增加一个共模电感以抑制共模噪声，在CANH、CANL、CANG（地）之间采用二极管、TVS管连接以防止电压过高对CAN通信电路造成损害。
3.6" 以太网模块
核心板中集成了MAC，因此额外使用一个PHY芯片和一个带网络变压器的RJ45；PHY芯片选用JL2101-N0401，支持100 M/1 000 M的传输速率，芯片为40引脚QFN封装，与MAC层的接口为RGMII，外部时钟选用25 MHz无源晶振，通过PHY芯片JL2101内部的锁相环PLL实现倍频输出125 MHz的时钟信号；带网络变压器的RJ45选用HY911130A，相对于不带网络变压器的RJ45，带网络变压器的RJ45在信号电平耦合、传输距离和抗干扰能力方面有着显著的优势。
3.7" 无线通信模块
无线通信模块选用基于CMT2000A芯片的无线射频模块E40-400MS，该无线射频模块可以兼容Si4463、Si4438和CC1101等通信芯片，工作频段为433/470 MHz，工作电压为3.3 V，支持0.5～300 kbit/s的数据传输速率，可以设置更低的输出功率以节省功耗，该通信模块具有体积小、功耗低等特点，使用SPI与核心板通信。
3.8" 存储扩展模块
网关采用PCIE的扩展设计，PCIE固态硬盘扩展采用M2金手指连接器M KEY，PCIE扩展采用3.3 V供电，使用一对差分CLK时钟信号线以提高抗干扰能力，支持PCIE3.0×2，大内存的扩展对长时间存储异常数据具有重要意义。
4" 网关协议及软件设计
网关的主要作用是对不同网络中的数据进行协议转换和数据转发。在矿井安全监控系统融合网关中接收瓦斯浓度、甲烷浓度、粉尘浓度、温度、压力、风速数据，数据得到处理之后将数据封装并通过工业以太网上传至上位机或云端。
4.1" 网关协议设计
网关对传感设备进行巡检的命令帧格式如表1所示。
表1" 网关巡检命令帧格式
描述 地址码 功能码 数据长度 CRC校验
字节数 1 1 1 2
传感设备返回数据帧格式如表2所示。
表2" 传感设备返回数据帧格式
描述 地址码 功能码 数据 CRC校验
字节数 1 1 N 2
网关最基本的作用就是协议转换，网关采用Modbus协议对矿井安全监控子系统的所有传感设备进行巡检，将采集到的数据进行协议转换，通过工业以太环网上传数据；以太网中数据的传输使用TCP协议，TCP协议是基于IP协议的一种传输层协议，相较UDP协议具有更高的可靠性[10]。网关对来自子系统传感设备的数据进行解析，通过工业以太环网进行数据上传。网关上传数据帧格式如表3所示。
表3" 网关上传数据帧格式" " " " 单位：B
报文 描述 字节数
包头 帧头 2
类型 1
网关地址 6
报文长度 2
巡检数量 1
正文 传感器1类型编码 1
传感器1位置编码 1
传感器1采集值 4
传感器2类型编码 1
传感器2位置编码 1
传感器2采集值 4
… …
传感器n类型编码 1
传感器n位置编码 1
传感器n采集值 4
包尾 帧尾 1
CRC校验 2
4.2" 网关软件设计
网关软件部分采用模块化设计，根据各模块的功能进行编程，模块化编程可以缩短软件二次开发的时间，方便软件的后续更新与升级。网关上电后系统进行初始化，网关对矿井安全监控系统中各个子系统的传感设备进行有线巡检和无线巡检，对传感设备采集的数据进行判断，将异常值数据进行单独存储，且本地存储时间需要达到两年；对正常值数据也要进行三个月的存储，并通过工业以太环网上传所有数据。网关主程序流程图如图3所示。
图3" 网关主程序流程图
5" 实验测试
对网关进行数据传输测试，设计的网关作为高性能网关，在基础通信测试完成后需要进行网关数据传输性能的测试；网关上移植Ubuntu 20.04操作系统，在网关上安装网络性能测试工具iPerf3，iPerf3是一个兼容多种操作系统的网络测试工具，可以测试基于特定路径的数据传输性能；对网关的数据传输及速率进行测试，网关作为客户端，PC作为模拟服务器端，使用指定的5206端口和TCP协议进行数据传输测试，通过调整TCP窗口的大小来控制网络中数据的大小，窗口大小根据带宽和延时来确定。网关和服务器共进行10 s的TCP数据传输测试，数据传输速度可以达到50.5 Mbit/s。网关数据传输性能测试图如图4所示。
图4" 网关数据传输性能测试图
6" 结" 论
根据矿井安全监控系统融合网关的功能需求，采用RK3568核心板，在底板上以电源模块为基础，设计了RS-232、RS-485、CAN、以太网等有线通信模块和无线Sub-G射频模块的硬件电路；网关在存储和通信上具有很好的可扩展性，可以大大缩短二次开发的时间；制定了传输协议，并在此基础上进行了软件设计，完成了对矿井安全监控各个子系统传感设备的数据接收、处理、存储和上传，在边缘实现了数据处理、融合与存储，缓解了云端的计算和存储压力；同时也更好地实现了对矿井安全监控系统的实时监测，提高了数据传输速率和实时性，进而显著提高了矿井作业安全管理水平。
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作者简介：何澳（1999—），男，汉族，安徽合肥人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式系统开发与设计；王金恒（1997—），男，汉族，黑龙江黑河人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式系统开发与设计；乔李阳（1999—），男，汉族，湖北襄阳人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式系统开发与设计；刘一兵（1999—），男，满族，吉林辽源人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式系统开发与设计；谭宇博（1999—），男，汉族，辽宁锦州人，硕士研究生在读，研究方向：嵌入式系统开发与设计。
