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矿用车载终端通信设备的研究与设计

2023-10-12 10:34:55  来源:智能矿山杂志  作者:孙虎,王聪聪,马燕燕,郑越
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随着智能化矿井建设的快速发展,井下无线通信系统日益完善,基于井下网络通信的辅助运输系统成为矿井安全生产的重要组成环节。车载终端作为辅助运输系统的重要车载设备,主要承担着井下车辆信息采集上传、车辆定位及导航、语音通信及行车视频采集功能,同时利用井下无线网络进行交通信息下发、物流任务调度等工作。目前,车载终端大部分都是采用WiFi 和4G通信模块,在工作中信号连接质量差,经常出现断网、掉线的情况,同时处理器性能低下,无法满足更高的业务需求。

针对上述问题,笔者根据煤矿井下工作环境,从提升信号质量角度,研究设计了基于展锐T760 处理器平台的5G车载终端通信设备。该终端实现了井下车辆信息、行车视频的实时上传,交通信息、物流任务的及时下达等,并在结构、电气等方面进行了全面优化设计,在结构简单可靠的前提下,进行多种串口连接综合设计,节省了硬件成本,降低了终端功耗。

矿用车载终端通信设备的总体设计方案

按功能划分,矿用车载终端通信设备主要由处理器、串口通信模块、无线通信模块组成,串口通信模块的主要功能是连接各种外设、读取车辆信息;无线通信模块的主要功能是通过连接井下5G或者WiFi 进行车辆数据上传、交通信息下发、语音通信及接收车辆定位信息等;处理器负责对串口通信模块和无线通信模块的数据进行分析处理,并控制和协调终端内各部的工作。为使终端通信设备工作场景多元化,结合设备在井下使用对防爆产品功耗有严格要求,对终端通信设备进行了分体设计(图1)。串口通信模块主要应用场景为车载模式,为安装方便、拆卸简单,综合考虑把串口通信模块做成终端底座形式。终端通信设备与底座通过有线连接,两者相结合时作为车载设备使用,分开时终端通信设备可单独作为平板电脑使用。

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矿用车载终端通信设备硬件选型

展锐T760 处理器

处理器相当于车载终端通信设备的大脑,主要负责对各个模块进行控制与协调,数据交互、运算及软件层面的信息处理(图2)。综合考虑处理器的结构性能、处理能力、支持多种外设、功耗及内存等因素,最终选择展锐T760 处理器。展锐T760 处理器能够很好地平衡性能和功耗,采用6 nm 工艺,晶体管密度更高,功耗更低。通过结构设计优化、代码质量提升等使芯片能效提高。展锐T760 处理器采用多模融合带来架构提升,为5G智能体验带来更好的选择,同时能够满足3G、4G、5G高速数据业务。考虑到车载终端实际业务需求,内存及储存采用6+128 G,既能满足系统需求又可以扩展新功能。

10.1寸电阻触摸屏

考虑到煤矿井下环境因素,矿用车载终端通信设备屏幕需要具有防尘防水、不惧油污等特点,电阻触摸屏成为首选。电阻触摸屏的结构特点让其能够应对井下恶劣的使用环境,同时,当工人佩戴手套或者因工作手上有污渍时,也完全能够操作终端。

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WiFi6、5G 通信单元

随着矿井智能化建设的发展,现在井下智能通信设备种类越来越多,多种多样的设备使得井下WiFi 网络需求提高,WiFi 6 成为首选。WiFi 6 主要使用MU-MIMO (多用户多入多出)、OFDMA (正交频分多址)、发射波束成形等技术。MU-MIMO技术允许路由器同时与多个设备通信,而不是依次进行通信,MU-MIMO 允许路由器1 次与4 个设备通信,WiFi 6 将允许与多达8 个设备通信;OFDMA和发射波束成形的作用分别为提高效率和网络容量。此外,WiFi 6 最高速率可达9.6 Gbit/s。

5G无线通信技术具有带宽大、时延低、无缝漫游切换基站和广连接等优势,能很好地弥补WiFi 网络移动性差、覆盖范围小、容易受频段干扰和带宽受限等缺点。矿用车载终端通信设备支持5G无线通信技术,对于矿井智能化发展和数字化转型及更多先进技术融合的应用创新起到重要作用。

连接总线

矿用车载终端通信设备主体与分体之间采用USB Type-C 接口方式进行数据传输,USB Type-C是一种USB 接口外形标准,拥有比Type-A 及Type-B 更小的体积,既可以应用于PC (主设备),又可以应用于外部设备(从设备,如手机) 的接口类型。其中集成了供电线、USB 数据线、TTL 电平uart 串口收发数据线、MIC音频输入信号线等,能够使终端底座采集数据通过总线的方式传输到车载终端,避免了终端多次拆卸带来的接线问题。

电源模块

矿用车载终端通信设备在车载模式使用时,可以通过终端底座连接车上电源进行充电,车载电源一般为12 V电池。因此,在车载底座内选用车规级的DC/DC稳压电源,将车载12 V电源转换为5 V电源,通过USB口随时给车载终端充电。充电完全遵循BC1.2 充电规范,可以满足不同平台/协议的充电需求,最大可以支持15 W快速充电。

UWB(Ultra Wide Band)定位模块

井下精确定位系统是矿井智能化建设的重要组成环节,利用卫星的GPS定位并不适用于井下环境,在各种现有定位技术中,UWB精确定位技术最为合适。UWB具有定位精度高、结构简单、功耗低等特点。UWB超宽带技术是一种无载波通信技术,利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,其所占的频谱范围较宽。同时UWB可以完全数字化,所有的电子器件、电路可以集成到一个芯片上,大幅减少了系统的复杂性,降低了设备成本。笔者在矿用车载终端设计中集成UWB技术,实现了井下车辆的实时定位。

手麦

车辆行驶中,驾驶人员不方便靠近车载终端的语音输入端,为了能够将语音较好地传输,手麦是一个很有效的选择。手麦既能保证正常的车辆驾驶,又能尽可能地滤除杂音,实现高质量的语音输入。为了使用方便,手麦设计与车载底座连接安装,在矿用车载终端与底座连接时,终端自动切换为使用手麦模式进行收音工作。

矿用车载终端通信设备软件设计

操作系统

矿用车载终端通信设备的操作系统选择成熟稳定的Android 11。Android 11 在5G与信息安全上表现十分突出,同时具有WiFi Passpoint 增强功能,作为一款开源移动系统,大幅缩减了研发成本。操作系统与主流手机保持一致,让使用者刚接触就能熟练使用,更容易被市场接受。

信息处理及通信软件

信息处理与通信软件以Kotlin 和HTML5 为核心语言开发,使用基于Jetpack 的MVVM 架构编码,包含网络交互、串口通信、井下地图导航、SIP 通话、IM 通信、摄像头视频播放、存储、回放等模块(图3)。

信息处理与通信软件采用单Activity + 多Fragment 的页面开发模式, 使用Jetpack 中的Navigation 来进行路由管理。数据交互主要通过网络和本地数据库实现, 网络框架选用Okhttp+Retrofit,本地数据库使用的是Jetpack中的Room。

(1) 串口通信软件模块

为方便司机查看车辆时速、转速、水温等信息,并且可以将数据上传到地面服务器,矿用车载终端通信设备需要从车辆获取到实时运行数据,终端底座中串口模块便是为了此功能而设计(图4)。目前CAN和RS232 通信协议广泛应用于汽车电子控制领域,研发人员大多遵循这些协议进行汽车数据采集及汽车电子管理控制单元开发,因此终端底座串口模块中预留了CAN口和232 口,支持CAN或RS232通信协议,通过接口协议实现车辆与终端间的数据共享。

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矿用车载终端通信设备获取到车辆传输的数据,通过车辆厂家给定协议解析得到ECU 不同参数。APP中提供了ECU厂家选择的入口,根据对应厂家协议的波特率打开串口,循环读取串口输入流数据,将字节数组转换成十六进制数据,通过对应的协议解析类解析数据。协议解析类在设计模式上采用的是工厂模式,不同的车辆ECU 协议类实现SerialDecoder 接口,在Decode 方法中根据协议中给出的报文格式、识别码、参数信息等解析计算得出参数实际数据,Serial Decoder Factory 类根据协议类型创建不同的协议解析类,解析完的数据通过Live Data发送到所需要的页面,终端通信设备就可直观清晰地看到车辆的运行数据,如车速、转速、里程、水温、排温、表温等参数值。

(2) SIP 通话模块

随着无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN) 技术的不断发展,无线IP 电话得到进一步的研究并广泛应用于各个领域。与其他信令相比,会话初始协议(Session Initiation Protocol,SIP) 作为一种应用层会话协议,具有简单灵活、互操作和可扩展等优点,并支持移动性。因此,SIP 协议成为无线IP 电话中重要的信令控制协议,并广泛用于嵌入式移动终端中。目前矿井通信采用传统防爆电话和扩音电话等有线通信的方式,存在采掘工作面更替等影响通信的问题,而灵活、畅通、可靠的井下通信是提高生产效益和矿工安全的重要条件,因此,矿用车载终端通信设备融入了SIP 通话模块,借助SIP 服务器实现了车辆之间、车辆和智能手机以及车辆和调度电话间的语音通信功能。

SIP 通话模块中,矿井部署SIP 服务器,完成SIP 账号的注册分发,在终端软件中借助开源库Linphone SDK,进行SIP 服务初始化、登录,输入SIP 号码便可与其他SIP 账号发起会话,也可接听其他SIP 账号发起的会话,从而达到井下语音通信的效果。

(3) 摄像头模块

摄像头模块包含预览、存储回放、推流等功能。摄像头模块技术采用ffmpeg,通过JNA实现了JAVA和C++之间的调用。预览功能是通过摄像头rtsp 地址取流得到h264 编码视频数据,转换得到YUV格式视频数据,通过surfaceView 控件进行展示。在摄像头回放功能中,首先将摄像头rtsp 流取流以MP4文件格式实时存储到平板TF卡,回放则以日期文件夹、视频文件的方式进行选择查看。摄像头推流功能主要是实现车载摄像头预览视频上传到服务器的功能,将摄像头rtsp 流取流再通过rtmp 推流上传到服务器,解决了车载摄像头因网络受限无法访问的问题。

(4) IM模块

IM通信使用的是MobileIMSDK。IMClientManager类负责登录和注销,ChatMessageEventImpl 类负责接收消息,ImMsgType 类定义了所有类型的消息,SendDataTask 负责发送消息。

结 语

笔者设计的矿用车载终端通信设备方案,借助开源的操作系统、市场上成熟的硬件产品,缩短了开发周期,节约了研发成本,同时具有良好的开放性和拓展性。利用5G网络优势,具备传输特性好、无漫游切换等特点,又可以使用WiFi 6 模块,配合井下WiFi 网络系统,做到多元化的信息实时传递。专为井下车载工作环境开发多功能实用软件,具有车辆信息采集、行车视频采集、实时网络通话等功能,让井下工作更加方便、智能化。功能模块的分体化设计,让矿用车载终端通信设备既可以作为车载设备,又能当作平板电脑使用,应用场景广阔。


助理编辑:李雅楠


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