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标题: 5G+煤矿智能化-煤矿专用5G智能工业网关设计思路 [打印本页]
作者: ningmengzier    时间: 2021-12-16 16:58
标题: 5G+煤矿智能化-煤矿专用5G智能工业网关设计思路
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3 g3 L+ o4 C/ w. [  L' l一、什么是“5G+煤矿智能化”？1 T" |. a) f3 _
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“ 5G+煤矿 智能化”是指建设煤矿井上井下5G网络基础系统，搭建智能化煤矿融合管控平台、企业云平台和大数据处理中心等基础设施，打造“ 云-边-端”的矿山工业互联网体系架构，重点应用场景包括井下巡检和安防、无人驾驶、智能采掘及生产控制等。, F' V9 h: N# L

, p( S) E! A% k0 K  F二、5G+煤矿智能化重点应用场景/ t: ]& p( ?0 |# U0 ]8 B

' o) N! ~* G! l. k% ^1 I* C6 x1、智能采掘及生产控制
% l$ X5 B* j) S! K: o. G% h基于5G网络高速率、低时延、高可靠等特性和网络 切片技术，深入研究 5G 工业模组与煤机装备的深度融合，实现关键大型煤机装备 对5G通信的支持；开发基于煤矿 5G 网络的生产实时性控制平台，实现煤矿采掘和生产中各类信息的实时交互、远程控制，为实现无人化井下作业提供技术支撑。& G: k1 f4 M3 y# D  H# b: n  C
2、环境监测与安全防护8 z5 T4 L: w# O7 g0 p3 O, p* E& B
基于5G 网络高速率、高可靠特性，实现井下可视化通信、实时高清视频传输、环境监测数据采集，满足环境监测与安全防护的海量高 清视频数据承载需求，提供全矿井、全流程智能安全预警。2 ~, u5 V6 }* L3 r/ w
3、井下巡检
) U  b5 P7 E5 b9 g, m基于5G 网络大连接、高可靠特性和边缘计算、5G 高精度定位等技术，研制支持5G 高精度定位技术的基站、终端及矿用传输等设备，实现井下人员及装备定位与信息实时交互，满足井下巡检需要。
" w2 k3 |# O( E* r1 ?4 A/ E8 P4、露天/地下矿山无人驾驶
0 P1 _( n0 B  L2 m基于5G 网络高速率、低时延、高可靠特性和 5G 高精度定位技术，利用高级驾驶辅助系统，开展矿山无人驾驶系统建设与应用，减少现场作业人员，实现安全、减员，支撑企业降本增效。; _; P3 e# K& `3 l* p
5、虚拟交互
( d7 }2 K( E& S$ Q5 g, t基于5G网络高速率、低时延特性，探索虚拟现实（VR）与增强 现实（AR）在煤矿井下的应用，实现现场实时巡检、专家远程辅助、生产培训等功能。
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三、5G+煤矿智能化现状
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& E0 K9 \: y1 m0 L3 c7 p煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的保障，当前处于煤矿智能化发展的初级阶段，是新一代信息技术与煤炭开采的有机结合，很多新的要求和问题，在传统4G、Wi-Fi条件下是难以解决的。”比如，井下越来越多的传感器使用、大量图像及视频数据采集传输等。面向垂直行业智能化应用的第五代移动通信技术为上述问题的解决提供了契机。5G具有高速率、低时延、大连接等特征，是煤矿智能化建设的重要支撑技术，其在煤炭领域的广泛应用和深度融合，将有效推动煤炭生产、加工、利用和消费模式 变革。作为“扬帆”行动计划中十五个5G应用重点领域之一，“5G+智能采矿”率先在煤矿领域取得成功应用。
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! {) ~! J+ W! m) S$ C四、5G+煤矿智能化白皮书（2021版）的推出+ X( _# H0 ?7 ~3 U2 t2 F  F

( [- h& J8 w2 g9 C- f+ ]0 ]3 r2021年，煤矿5G融合应用进展迅速，煤矿5G应用场景得到进一步拓展， 由视频传输进一步拓展至远程操控、虚拟交互等。11月发布的《5G+煤矿智能化白皮书（2021版）》，重点介绍了一年来煤矿5G技术在技术研发、实践应用、标准制定等方面取得的进展情况，阐述了煤矿5G应用现存的突出问题和下一步发展方向。
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) k( }2 E" P2 x( c, p; H+ _7 l& w* V% U. ~, J. v
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五、 煤矿专用5G智能工业网关2 F* a  s- L9 }1 F: b3 v! d
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《5G+煤矿智能化白皮书（2021版）》指出，当前的煤矿设备主要通过 5G 智能网关接入5G网络，严重限制了5G系统低时延、大带宽、广连接性能。行业内现已开发出 煤矿专用 5G智能工业网关。为保证数据传输质量，5G智能工业网关除了应符合 煤安认证要求外，还应进行必要的 性能认证。
% Y: ~) P% o2 l+ e- v) C3 n$ b8 B煤矿专用5G智能工业网关设计如下：
7 l5 o* ^" J0 S& f●采用本质安全型设计；4 p1 @) f* N( _
●采用全网通设计，支持各个运营商的5G、4G网络；
' N# U4 a* a+ ~& E9 w9 t9 ^. [0 {●支持的接口包括SIM卡插槽、TF卡插槽、天线接口、 LAN/WAN、RS232/RS485 等。- ~) z9 U/ I6 [" R( y* H

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. E( r, s5 }2 c3 M7 D/ y" G* U; u六、煤矿专用5G智能工业网关设计推荐
9 Q; k7 y/ F. R3 W! {$ b  E" S在 5G和工业互联网的大背景推动下，飞凌嵌入式先后推出的FET1012A-C、FET1043A-C、FET1046A-C、FET1028A-C四款核心板，这几款核心板都采用了Layerscape 系列的通信处理器，在网络吞吐性能方面优势明显，而且原生网口数量也比较多。0 A8 ^: G3 M! d0 N8 B/ X
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( S3 b1 ?1 q& t5 Y0 l% t$ V& K
                                                                型号
3 r. U8 D& f9 y+ H                                                                        FET1012A-C
+ }0 i6 l. l9 X1 Q* z3 H, K                                                                        FET1028A-C
) \+ E( y; C3 [' X! Z' X                                                                        FET1043A-C7 V, \, j6 U) u! |' Y7 F
                                                                        FET1046A-C
- t: _/ G/ o$ I+ G                                        ! A3 i# O4 _! ~: o% Y' k% t, O
                                                                                CPU
1 b, t1 S- h- O4 V; n, u                                                                        LS1012A
; l( `, s' h& x8 @  |8 @5 _                                                                        LS1028A6 k2 I/ m. x  o& _
                                                                        LS1043A" n0 ~$ z6 m& p, L' r# h5 Z
                                                                        LS1046A
* o1 h4 Y# j; i4 C, `1 g                                        " H, b+ q6 }3 n  {* m( u4 f
                                                                主频
+ S+ [0 j, V0 y: {                                                                        1GHz
9 S' o* t% t' ^- r                                                                        1.5GHz! X' ?' x) B3 y+ a1 G- o( Z' y0 ~
                                                                        1.6GHz/ O- Y5 W1 y! U7 n
                                                                        1.8GHz
. n& [: Q" f' [7 s% d                                       
) }% n  G! g' D) U& ^/ f: h2 Z                                                                架构9 }+ _3 t2 B# m  q
                                                                        1*Cortex-A53
. _3 v. y7 F! g: O                                                                        2*Cortex-A72& t/ v4 u" q, `8 S% [. j* h, l
                                                                        4*Cortex-A53/ u/ v  }9 Q# s  m) a
                                                                        4*Cortex-A72' P2 T; z. i. h( W) T
                                        " k2 {" S) I# e4 ?% y: ?
                                                                内存. ?/ Y! @& g) v
                                                                        512MB% v7 z2 W0 h/ C  L
                                                                        2GB
3 u% H+ k5 `& ^9 B; d                                                                        2GB8 X$ D& `3 @9 x: C3 k( t
                                                                        2GB
8 ?' x: }+ t1 e% `4 d                                       
* U. S' r1 Q* T6 ~                                                                存储
+ Y* u( E- x6 o& N                                                                        8GB
) v! x/ n2 D# _                                                                        8GB! _8 O" @, V, Z/ ^1 q/ Q
                                                                        8GB- o( r# \# S9 g1 C
                                                                        8GB
4 J  i& @1 F# H' k  O% K                                       
6 j7 D0 k) B: M. G. V$ f- c                                                                网口总数量4 y/ u! |9 \% J" e* j; i& i
                                                                        2
& i  A  }) m- X. j8 C                                                                        6
% q0 |# r/ h1 b( j                                                                        7
* N' U5 H  y* C6 a" e                                                                        8
- ^+ N# U: p! E- e1 G* M                                        ( |7 ^2 j+ H6 B1 G7 b
                                                                网口最大速率
% W8 ~; M8 D1 T9 y) Z! ?, H                                                                        2.5Gbps* s# e/ N. Z, o' Y( g/ _; Y
                                                                        2.5Gbps
: P. N4 x) Z9 U. L; Q" Q                                                                        10Gbps
/ W' K  C  S0 F) l# I* `9 r+ ]/ X4 Q                                                                        10Gbps
, u1 F/ k1 ?$ e0 x! K8 T9 o* S$ L                                       
2 K" t8 r& P) g* a- A                                                                万兆网/电口数量
0 U& M5 W7 X' j# G3 ]0 [                                                                        -
9 b5 i5 L5 k6 o3 J+ }                                                                        -- j( |4 v; ^. R3 X/ L+ T, V
                                                                        11 o" V8 @8 Y/ {( E5 _
                                                                        2
7 }% Y  @% o5 E  g' d" h; d                                        $ y- Z( |7 W- B, ?$ q
                                                                TSN
8 @* x0 A# |" x, O: G- l" s                                                                        不支持
6 {4 ^! K, v, z" a: z: q                                                                        支持
# K& e% ?2 O2 |1 P) W' A                                                                        不支持
2 E4 N- q+ e1 p5 @& L' c                                                                        不支持% R' I  ]  p0 k
                                       
2 Z% D: a# v8 ~0 v' C* ]0 {  y0 \                                                                PCIE0 X% {# h! F5 o4 z! G1 {+ u7 v
                                                                        1xPCIe2.0) }8 ?5 M) f/ H5 M% e+ k  |6 M
                                                                        1xPCIe3.0
* V( T" K) H0 }/ l2 R) v                                                                        3xPCIe2.0
# A; p8 F. c) D                                                                        3xPCIe3.0
' ?2 Y! q1 Q5 _  i! Q, i                                       
6 C/ q% }- e) d                                                                UART  P, z) e. @0 `
                                                                        2
& b( F) ?* Q5 W7 i                                                                        4' w' E8 \/ M, @+ W
                                                                        6) L+ \  a) y8 R% f& K
                                                                        6
( w4 e; d& S0 k, m                                        % h  F* X& ]" y' `3 I# r1 j0 O1 B; }
                                                                USB3.06 i% e+ @/ J, a- ~
                                                                        1
% p3 I% q; [, A! u. ^. ?& N                                                                        25 \" Q  q7 m& M
                                                                        3# @* H7 [% u4 g4 W" J0 ^" K* E0 G. s
                                                                        3
+ w: j! X3 G  ]# z1 L- A; z. _                                       
* G2 W" x! L# ^8 C, H                                                                eSDHC
9 _' ?8 \/ j- g, P% I! Z+ k' F                                                                        1
9 A+ y1 j$ O( \$ s& K                                                                        1
# H6 W1 n" X, y6 d% U                                                                        -; o& O, u8 s& q7 x, p/ S
                                                                        -
# H+ w3 o! Y4 B' Z3 }; T/ k: w                                        & e- g/ X+ n2 ^5 }9 x
                                                                WIFI
. I9 X- N; T5 }9 T( J- I- v                                                                        PCIe/USB3.0
3 u( J  s3 Z' w& u3 L                                                                        PCIe/USB3.0
, P# W: O5 w; ~                                                                        PCIE/USB3.0  Z" Y" f  H! g) q/ V/ @
                                                                        PCIe/USB3.00 H  [* Y1 u2 a+ M
                                       
6 Z1 S; X# v$ a% j* Q' I; o                                                                5G* u5 \: y7 e% B% k5 N/ Q# G7 R$ q
                                                                        PCIe/USB3.0
* _7 q; B" u* ]8 M$ X* j% i8 [6 y- Z4 {                                                                        PCIe/USB3.02 e2 m3 z' U7 L& Y; p' e/ ~  K
                                                                        PCIE/USB3.0
! G8 h, @5 W0 I6 l- s3 q                                                                        PCIe/USB3.0
! r5 m# @( S! @9 y7 U5 i$ q                                        ' c( y: Q, o1 i- C( U% K
                                                                Display port
& t7 l/ A3 O; l  b2 k# a" ^                                                                        -
. u, W! R. `6 M- S0 A                                                                        4K' K6 m6 L# }" E9 y+ z) C+ u8 g
                                                                        -
8 K, \3 n# o% P! s+ R                                                                        -
' }% n* f4 p5 i( Z0 ~6 P                                       
  X1 q, j; O5 _* i3 a  M                                                                系统
) a9 _5 y5 u" j* V6 ~) w& K  P                                                                        Ubuntu-18.04.12 r) P) s5 s# _5 f$ f
                                                                        Ubuntu-18.04.1- c- C1 _0 c0 z! T
                                                                        Ubuntu-18.04.11 m" \3 Z( R: D$ f# `* N' h0 V3 Y
                                                                        Ubuntu-18.04.1, ^% j& ]; x0 }: m( x8 F1 z
                                        / U( T) t5 p9 y& w4 J, K1 t3 Z+ [& t! h
                                                                工作温度) o' w' l/ B+ m1 i
                                                                        -40℃~+80℃
# {( |6 q( P# N0 N                                                                        -40℃~+85℃
6 P% ?3 y# ?8 U$ O$ ~1 M                                                                        -40℃~+80℃& F' U* k( y8 {' w& s' O& E
                                                                        -40℃~+75℃
. v! C) [* Q2 e& G8 e; J                                        注：仅展示煤矿专用5G模组 符合参数，详细参数请联系飞凌嵌入式客服索取。
1 n5 q" g0 Y5 ?, u7 o# g* p. X+ b
* g5 v9 a8 \. F8 f! P. V' O为便于功能、性能验证，飞凌提供了两款基于恩智浦Layerscape通信处理器设计的5G工业网关可供选型参考使用。
! B( H  C; [& k7 \& \! Z; p. E* X6 O2 |: y
                               
* `5 H6 u; G, G! D9 k                                                                                型号
8 I1 E% H% M0 ]5 x$ N                                                                        FCU2303嵌入式控制单元 & {0 |8 G! [9 M8 y9 q+ \
                                                                        FCU2201嵌入式控制单元
4 Q5 ?: C4 R9 a                                        0 z" b0 R3 w' Q+ }0 I
                                                                产品图片
( L$ ^0 A3 k' z, m0 e& j" p                                                                        0 Y7 e6 D* Q  Y, O3 d
                                                                        6 K- R6 v% q! a
                                        4 U# M& n6 o; s& N! \& C3 Y, {
                                                                CPU 型号4 R* C0 J; K4 E. U$ Y- P( {% ~
                                                                        NXPLS1046A
% C$ w+ U3 _$ }+ f; w! p8 {7 i! M, B                                                                        NXPLS1012
& ?2 d5 M+ ?8 v; g                                       
* [4 @4 J$ g# K+ S+ P                                                                内核数量3 K  A) Z/ z! w
                                                                        4核
) Y% Q( a& h& [( T" O+ {                                                                        单核+ B, q" O7 X) C3 b9 e
                                       
; z8 ?" a. U# e1 c, ?6 @- \                                                                内核架构
2 {) ~, O; d2 o  r( B% d                                                                        Cortex-A72\Cortex-A53
4 i! g, H6 Z2 i9 U: G3 ^6 j                                                                        Cortex-A53
+ k% N! r0 ?6 T+ z5 {& ?9 c                                        * ~9 S% m4 _& M7 X0 G& q
                                                                主频3 a6 a) l  a* l* N( L3 z
                                                                        1.8GHz，1.6GHz
( R0 S. V! @7 ]: f* X+ |/ T                                                                        1GHz1 c  z6 M3 c' ~6 `$ H8 v" Y
                                       
1 [0 a# [/ p0 Q  {& l3 J                                                                内存
- c) F4 z8 g1 d& i. u% ?                                                                        2GB DDR4
; C  k  L0 Q" F! H& m2 n                                                                        512MB DDR3L: H. A( B) L$ F6 F* `' E4 _5 `
                                        7 h! Y, U- Q' y2 l  j/ y& T2 J4 y
                                                                存储# I4 s; F6 ?  d/ @
                                                                        16MB QSPI NorFlash，8GB eMMC' h5 |# w  s) d  N  _$ n0 P
                                                                        8GB eMMC; N8 v" |6 u! b, v: V1 Q  Y6 X
                                        ( p4 t6 u( E, a; M2 ?1 H' L
                                                                系统6 i( T* q( v% B! h; u, J
                                                                        Ubuntu-18.04.1
& L5 ~+ F" h- _" z! P# o+ F# Z                                                                        Ubuntu18.04、OpenWrt可选
3 h3 z7 p  Q3 m- O                                       
% n4 F4 [& h; L# `                                                                工作温度6 T" z9 z+ G0 v- x+ S5 [' y; [0 i
                                                                        -40℃~+85℃
1 _+ f  l+ g. [$ o3 D                                                                        -40℃~+80℃
+ J0 x( Z2 P: T3 O/ A                                        & X  i% g: T, j
                                                                Ethernet
' y! K$ h; F, w2 {9 H: J                                                                        8路千兆网0 Q* X7 m) B8 ^- P( K! r1 w) k
                                                                        2路RJ45，10M/100M/1000Mbps自适应 EMS：ESD、EFT，Level 3- c) G. j! P$ i) N
                                        ' Y. ?/ h5 ?8 Q
                                                                UART+ i# e# J# \" G! J
                                                                        1路3线调试串口$ U- o& P/ h% N/ {; a1 p
                                                                       
* A- \7 I" l4 a: {1 I& e                                        5 X8 m' X" _: o" a3 S3 b4 u
                                                                RS485( ^/ m! d/ M9 h/ f( B
                                                                        8路RS485（4路可复用为RS232）
1 h5 k6 t, k# [                                                                        5路，EMS：ESD、EFT，Level 3
9 _& c, W1 I2 p3 ?) L' z, |1 h+ E                                        ; T& L  \% E4 g4 s3 v. m
                                                                USB0 D7 b2 ~2 C2 P# T0 o6 ~; x
                                                                        1个USB主口，可用于系统烧写
, j% k/ _$ P5 A                                                                        1路，USB2.0，可连接U盘做扩展存储或更新操作系统。
5 Z' c, d3 m4 X5 ~- }/ J                                       
' h, }; j1 v  \" i                                                                WIFI
2 |* f% u9 G8 E. r                                                                        m.2 Type 2230接口，即E KEY标准接口，默认外接INTEL 3168NGW模块；
, l" V# x6 w6 m  C4 W                                                                        双频WiFi，802.11 b/g/n/ac； 可做STA或AP，且AP模式下只支持2.4GHz。
0 R9 Y6 M& s. b9 E5 E8 j$ j; A                                       
3 w' ]' e/ K' I                                                                移动通讯
: Y$ t6 P! g3 y- |! r" a                                                                        5G模块：移远RM500Q，4G模块：华为ME909s，移远EC20! r; |% {1 T7 |
                                                                        可选配安装5G或4G模组；或不安装通讯模组
8 f0 Q- h  {# r* p                                        : O+ V$ V+ Y& N3 h; W; g3 g8 k
                                                                SD/SDIO
. F4 I) ]! \+ v3 ~' {" D                                                                        6 \1 t2 \2 ~; ~' `
                                                                        1路 TFCard1 e7 m+ q2 W0 }- ]: v+ u* x
                                        0 F6 L7 m6 X% O5 F# J
                                                                LED! {" m. c# m! V' g. b# X$ Q
                                                                        7 `6 W, K0 y! S& j! T
                                                                        电源、运行状态、4G/5G联网状态、RS485
* ^. o7 s3 n8 G+ b! }( s                                       
: [$ ~7 d. V. A                                                                SATA
+ z, N' g4 z8 W' g                                                                        1个m2 m key接口，可以接m.2接口NVME协议的PCIE硬盘6 n2 ?3 ^5 A" [. X
                                                                        : l; L3 }" V# m: l3 ?2 {1 `1 k
                                       
) b- p* W, [, y% t                                                               
+ W6 h5 w& r5 G) v  P% h                                                                       
7 B8 m5 F) S1 O: C, i                                                                       
3 b- i9 Y+ Q# b/ ~) ?9 O9 f0 N) w                                        9 b" C" w$ l7 s# Q- C  g! ^  _
                                                                RTC; u- }$ l4 Z5 y' A1 B
                                                                        板载CR2032，断电走时至少保持1年$ ^% f1 [5 N2 A8 g& r
                                                                       
1 f  T6 f( d0 S& s  Z! K                                       
, A" z# o6 z4 }$ J                                                                开关量输入
, C2 Y, {9 G  }' ]  Z                                                                        2路光耦隔离: @2 f% g) Q2 {1 a) `
                                                                        1 d' t1 X4 |0 b5 l2 E- T
                                        " ~: K% }; b, f0 q( w5 U
                                                                开关量输出6 d4 r' x. h! p6 Y. w9 U
                                                                        2路，电磁继电器隔离
5 e" H3 D) E3 q0 R# K  k                                                                        & a  l. B$ ^1 V. \1 [
                                        8 V; Z, E: M3 W: D) f) h4 ^& j
                                                                电源输入' J( z; m. ~. F! R, _* i0 L$ j
                                                                        额定电压：12V5A，具备反接保护；
2 w( s* f! V/ ]" q+ P# p1 X                                                                        9V-36V宽压输入，反接、过流保护! g% j; m* `5 m$ a& O3 Z* d+ p
                                       
, ~  X- w/ a! U                                                                多功能按键' ?( K, q9 r3 }3 f8 w8 b9 b$ l
                                                                        1个复位按键，1个自定义按键
8 B1 R' A' x9 b                                                                        操作系统复位
( L4 \8 P7 L0 Z# W+ k- I5 D( b' R  w                                        ​7 I# r: A0 J5 H+ w
作者: CLBuu    时间: 2021-12-16 17:55
电源可以防反接
作者: nuiga    时间: 2021-12-20 18:52
煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的保障



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