陳 勇，孟凡偉，郭虎成

（1.南京龍淵微電子科技有限公司 江蘇 南京 211106；2.河海大學(xué)研究生院 江蘇 南京 211100）

煤礦有毒性氣體對礦工的生命安全是致命的傷害。煤礦井下的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生有毒性氣體，如鉆眼、炸藥爆破、掘進機掘進、采煤機割煤、裝煤、采煤支護放頂、巷道支護、裝載運輸轉(zhuǎn)載及卸載提升等。有毒性氣體危害不僅能使煤礦工人得塵肺病，而且易引發(fā)爆炸，造成重大安全事故。我國煤礦普遍具有毒性氣體危險。

以上所述足見礦井有毒性氣體的危害性之大，同時也說明了氧氣監(jiān)測與防治的重要性。因此，礦井氧氣的防治問題日益受到廣泛關(guān)注，世界各國在對礦井氧氣的監(jiān)測方面都做了大量的研究工作，研究開發(fā)了一系列的檢測儀器及系統(tǒng)[1]。

目前，國內(nèi)普遍采用人工、間斷性、單地點檢測氧氣濃度的方式，或者采用一般有線連接傳感器檢測方式。這種方式測得的礦井氧氣濃度數(shù)據(jù)僅反應(yīng)了測塵時間段內(nèi)的氧氣狀況，并不能全面、準(zhǔn)確的反映煤礦井下空間的總體氧氣情況，而且井下環(huán)境中有線傳感器檢測系統(tǒng)的布置工作非常繁瑣，靈活性不足且擴展性差，系統(tǒng)部署和維護成本高等缺點，當(dāng)某一結(jié)點出現(xiàn)故障，會使局部區(qū)域失去監(jiān)測能力。

通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Zigbee可以方便在煤礦井下進行快速的傳感器部署。針對以上現(xiàn)狀，研究開發(fā)適合我國煤礦井下特點的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)[2]。

1 整體介紹

文中所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠使用戶在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下，獲取大量詳實而可靠的氧氣濃度信息，有效的避免礦井有毒氣體泄漏的發(fā)生的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)[3]。

文中為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器檢測模塊、路由器傳輸模塊、數(shù)據(jù)匯集模塊和上位機模塊，其中：所述傳感器檢測模塊檢測礦井內(nèi)的氧氣濃度信息，并將所述信息傳輸至路由器傳輸模塊；所述路由傳輸模塊將接收到的信息傳輸至數(shù)據(jù)匯集模塊處理；所述數(shù)據(jù)匯集模塊將處理后的信息傳輸至上位機模塊，所述上位機模塊對接收到的信息進行處理并作出判斷、顯示及報警。本氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)能夠使用戶在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下，獲取大量詳實而可靠的氧氣濃度信息，有效避免礦井有毒氣體泄漏的發(fā)生。

圖1 總體框圖Fig.1 General diagram

2 系統(tǒng)具體實現(xiàn)

2.1 傳感器檢測模塊

所述傳感器檢測模塊包括氧氣濃度傳感器、末級微控制器及末級ZigBee收發(fā)器；所述氧氣濃度傳感器采集氧氣濃度信息，并將氧氣濃度信息進行A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至末級微控制器；所述末級微控制器對接收到的信息進行判斷處理，并通過末級ZigBee收發(fā)器傳輸至路由器傳輸模塊[4]。如圖2所示。

圖2 傳感器檢測模塊Fig.2 Sensor module

2.2 路由器傳輸模塊

路由器傳輸模塊包括始發(fā)位置路由器節(jié)點、中繼位置路由器節(jié)點、設(shè)置于始發(fā)位置路由器節(jié)點的第1、2級微控制器和第1、3級zigbee收發(fā)器、設(shè)置于中繼位置路由器節(jié)點的第2、2級微控制器和第2、3級zigbee收發(fā)器；

始發(fā)位置路由器節(jié)點通過第1、3級zigbee收發(fā)器接收傳感器檢測模塊傳輸?shù)男畔?，并傳輸至?、2級微控制器進行處理，并將處理后的信息通過第1、3級zigbee收發(fā)器傳輸至中繼位置路由器節(jié)點；

中繼位置路由器節(jié)點通過第2、3級zigbee收發(fā)器接收始發(fā)位置路由器節(jié)點的信息，并傳輸至第2、2級微控制器進行處理，并將處理后的信息通過第2、3級zigbee收發(fā)器傳輸至數(shù)據(jù)匯集模塊。如圖3所示。

圖3 路由器傳輸模塊Fig.3 Router transmission module

2.3 數(shù)據(jù)匯集模塊

數(shù)據(jù)匯集模塊包括1級微控制器與2級zigbee收發(fā)器；2級zigbee收發(fā)器接收路由器傳輸模塊傳輸?shù)男畔?，并將信息傳輸?級微控制器進行處理，篩除無用數(shù)據(jù)信息，同時對保留數(shù)據(jù)信息進行功率放大；1級微控制器控制2級zigbee收發(fā)器將處理后的信息傳輸至上位機模塊。

圖4 數(shù)據(jù)匯集模塊Fig.4 Data collection module

2.4 上位機模塊

上位機模塊包含1級zigbee收發(fā)器；所述1級zigbee收發(fā)器接收數(shù)據(jù)匯集模塊傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖6所示是礦井氧氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)流程圖[5-6]。軟件實現(xiàn)過程：系統(tǒng)在軟硬件初始化后由微量氧分析儀節(jié)點采集氧氣濃度，然后將氧氣濃度數(shù)據(jù)封裝在zigbee協(xié)議中。通過zigbee協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到龍芯SOC路由節(jié)點，龍芯SOC路由節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到http服務(wù)器，最后手機、平板電腦、網(wǎng)頁通過http服務(wù)器得到氧氣濃度數(shù)據(jù)。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

4 結(jié) 論

文中采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1）本系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，氧氣采樣檢測點可以廣泛的布置在不同作業(yè)點，靈活改變監(jiān)測布局，從而實時獲取精確的氧氣濃度檢測數(shù)據(jù)。

2）本系統(tǒng)不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，具有快速展開、抗毀性強等特點。

3）本系統(tǒng)能夠使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的氧氣濃度信息。

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