劉衛(wèi)東，張　薇，孟曉靜，2

(1.中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇徐州221116; 2.中國礦業(yè)大學徐海學院，江蘇徐州221116)

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基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)研究*

劉衛(wèi)東1*，張薇1，孟曉靜1，2

(1.中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇徐州221116; 2.中國礦業(yè)大學徐海學院，江蘇徐州221116)

摘要:為了解決傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)存在的信息孤島和被動監(jiān)視的問題，本文提出了一種基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由基于嵌入式平臺的井下人員終端、環(huán)境檢測設備、ZigBee路由器和ZigBee協調器、服務器、監(jiān)控中心組成。在通訊協議上，采用Zigbee協議和高層自定義協議，使各組成部分之間實現了互聯互通。本系統(tǒng)具有結構簡單、工作可靠、便于維護等特點，對于我國礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的現代化改造，提高礦井生產效率和經濟效益具有重要意義。

關鍵詞:物聯網; ZigBee;無線傳感器網絡;監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

項目來源:中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目(2010QNA48) ;中國博士后基金項目(2011M500973) ;國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目(201310290022)

煤炭在我國能源工業(yè)中，分別占一次能源生產和消費總量的76%和69%。但由于我國一般采用地下開采，其生產環(huán)境惡劣，瓦斯突出、煤塵污染等安全隱患時刻威脅著井下工作人員的安全［1］。據統(tǒng)計，我國大型煤礦中高瓦斯礦井約占44.4%，約91.35%的礦井有煤塵爆炸危險，僅2010年全國瓦斯事故就有72起，死亡350人［2－3］。因此對煤礦進行安全監(jiān)測非常重要。隨著國家對煤礦安全重視程度的提高，作為煤礦安全六大系統(tǒng)之一的監(jiān)測監(jiān)控被強制執(zhí)行。為確保煤礦安全生產、提高勞動效率、節(jié)約成本，對監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的信號傳輸方式從穩(wěn)定性、安全性、高效性提出了較高的要求。目前很多煤礦的各種監(jiān)控子系統(tǒng)自成體系，從傳感器、分站、主站、信號形式、傳輸方式等都各方面存在不一致，嚴重限制了現代監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展［4－7］。

在這種需求背景下，物聯網逐漸成為健康管理煤礦設備的一種技術手段。物聯網指通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯網作為信息發(fā)展的新理念，將使信息獲取方法和覆蓋范圍發(fā)生重大變化，各國紛紛看好其發(fā)展前景［8－10］。目前北京、上海、深圳等地都將物聯網作為了信息產業(yè)發(fā)展的重點［11］。隨著物聯網的逐步推廣，必將對煤礦設備健康管理產生深刻影響，包括其理念、技術、形態(tài)和效果，都將產生深刻變化，煤礦設備管理將迎來巨大的發(fā)展機遇。煤礦設備管理需要緊密關注物聯網的發(fā)展，吸收相關技術和概念，結合不同的應用領域，創(chuàng)新應用模式，從技術發(fā)展、標準制定和推廣應用等方面推動安防行業(yè)發(fā)展。

針對煤礦管理和監(jiān)控領域重大需求，本文開發(fā)和設計出一套基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯網技術將各個子系統(tǒng)有機地形成一個網絡整體，確保信息的有效暢通，避免信息孤島的出現。另外通過物聯網傳感器網絡技術的應用解決了傳統(tǒng)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)所一些固有的缺陷，實現了監(jiān)控方式由被動到主動的轉變，能夠實現全天候不間斷地監(jiān)控，自動發(fā)現監(jiān)控環(huán)境中的異常情況，來改善監(jiān)控效果，同時減輕工作人員的負擔，能夠滿足煤礦監(jiān)控系統(tǒng)對于安全的要求。本文設計的基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器網絡實現了信息互補與協同感知，大大降低了監(jiān)控系統(tǒng)的不確定性和不可靠性，減少了由于單一傳感器受信息量局限引起的誤報錯報和沖突，提升了對煤礦安全的快速監(jiān)測和預警預報能力，為煤礦安全生產提供了強有力的保障。

1　基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

1.1系統(tǒng)設計目標

本文以物聯網技術為核心，基于嵌入式工業(yè)平臺，擴展外圍硬件，開發(fā)相應的系統(tǒng)軟件，構建了一款基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是監(jiān)控網絡由大量的傳感器節(jié)點及視頻監(jiān)控構成，能夠對礦井中主要的環(huán)境狀態(tài)信息(包括: CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度)進行采集和實時視頻監(jiān)控。經過Zigbee無線網絡匯聚后，通過路由器和網關將采集到的環(huán)境狀態(tài)信息和視頻監(jiān)控信息傳輸到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件對采集到的數據進行處理。基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)主要完成兩個功能:一是信息采集功能，系統(tǒng)通過傳感器和視頻監(jiān)控設備完成對煤礦井下環(huán)境狀態(tài)信息、視頻監(jiān)控信息的采集;另外一個功能就是報警功能，監(jiān)控中心的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件對采集到的數據進行處理，如果發(fā)現異常，及時進行報警。

圖1　系統(tǒng)總體框架圖

1.2系統(tǒng)體系結構

圖1為基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖，該系統(tǒng)分為4個層次:信息采集層，信息傳輸層，服務器層，管理和決策層。其中信息采集層是整個系統(tǒng)的最底層，主要功能是實現數據的采集，將數據傳輸到上一層進行處理。環(huán)境檢測設備用于實時感知井下的一氧化碳濃度、瓦斯?jié)舛鹊?。井下人員終端佩戴在井下人員手腕或者身上用于獲得井下人員所在區(qū)域，及進行報警。在環(huán)境檢測設備和井下人員終端中均設有ZigBee無線傳輸模塊;信息傳輸層主要將信息采集層獲得數據通過ZigBee無線傳輸技術，將所有數據傳輸到服務器。ZigBee路由器采用具有定位功能的CC2430無線單片機，用來接收井下人員終端的信號，并可向井下人員轉發(fā)來自監(jiān)控中心的指令。當ZigBee路由接收到信號時，內置于該模塊中的單片機啟動無線收發(fā)芯片CC2430，將所接收到的信號轉發(fā)給ZigBee協調器或終端。ZigBee協調器通過CPI總線與監(jiān)控中心的服務器相連，將來自ZigBee路由的數據傳遞到服務器。最后兩層主要是方便監(jiān)控中心實時了解發(fā)生異常的區(qū)域，查看井下情況，使監(jiān)控人員做好應對突發(fā)情況的緊急措施。

基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦實際應用中的工作流程如圖2所示。具體思路如下:通過ZigBee無線環(huán)境檢測設備，對礦井環(huán)境狀態(tài)信息(包括: CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度)、井下人員位置信息等數據實現自動采集。實時靈活的ZigBee無線傳感網絡確保整個礦井各種信息的數字化，采集到的各種數據通過無線網絡實時傳送到地面的服務器，通過監(jiān)控中心的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件對采集到的數據進行處理，對可能存在的安全隱患和災害做出及時的補救，并做出相應的告警，確保礦井高效安全生產。利用中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件，在監(jiān)控中心以各種數據表現形式顯示各種集成數據，有利于對煤礦安全生產的有效管理。

圖2　系統(tǒng)工作流程

2　系統(tǒng)硬件和軟件設計

本系統(tǒng)利用Zigbee構建起一個物聯網無線傳感器網絡，Zigbee模塊類似于移動網絡基站。在整個網絡范圍內，每一個Zigbee網絡數據模塊之間可以相互通信，每個網絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。基于Zigbee技術的無線傳感器網絡可最多容納65 000個設備，且網絡的自組織、自愈能力強，通信可靠，每個Zigbee網絡節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，其所連接的傳感器直接進行數據采集和監(jiān)控，還可以自動中轉別的網絡節(jié)點傳過來的數據資料。在Zigbee網絡中，包含3種節(jié)點類型:網關節(jié)點、網絡協調節(jié)點、終端節(jié)點。

2.1硬件設計

Zigbee模塊硬件電路包含井下人員終端節(jié)點模塊、Zigbee路由器節(jié)點模塊、Zigbee協調器節(jié)點模塊。井下人員終端節(jié)點模塊采集井下工作人員信息，通過無線傳感器網絡將信息傳給Zigbee網關節(jié)點模塊，最后通過串口將信息傳給終端。整個模塊包含傳感器模塊、電源模塊、Atmega16最小系統(tǒng)模塊和Zigbee節(jié)點。圖3為井下人員終端節(jié)點模塊電路原理圖，圖4為環(huán)境監(jiān)測設備原理框圖，圖5為 Zigbee路由器節(jié)點模塊原理框圖，圖6為Zigbee協調器節(jié)點模塊電路原理圖。

上述硬件電路中均需要用到ZigBee無線模塊，該模塊如圖7所示。根據物聯網煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性，系統(tǒng)中的ZigBee無線模塊采用CC2431芯片。CC2431是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗。該芯片支持ZigBee協議—ZigBee2007/PRO，ZigBee2007/PRO協議具有良好的互操作性、節(jié)點密度管理、數據負荷管理、頻率捷變等特性，且具有支持網狀網絡和低功耗特點，并且具有定位功能。

物聯網煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測設備均設有ZigBee模塊，將檢測到的CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度信息通過ZigBee無線模塊傳輸到中心站。根據環(huán)境監(jiān)測設備原理框圖，我們設計了各種環(huán)境監(jiān)測傳感器。圖8給出了物聯網煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)采用的CH4傳感器，該傳感器采用催化燃燒檢測原理。

2.2軟件設計

系統(tǒng)軟件是整個監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂，是系統(tǒng)實現多功能的手段，基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要解決系統(tǒng)通信的建立和監(jiān)控各節(jié)點是否正常通信的問題。

圖3　井下人員終端節(jié)點模塊電路原理圖

圖4　環(huán)境監(jiān)測設備原理框圖

圖5　Zigbee路由器節(jié)點模塊原理框圖

圖6　Zigbee協調器節(jié)點模塊電路原理圖

圖7　ZigBee無線模塊

圖8　傳感器模塊

中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件在Windows8操作系統(tǒng)下，采用Delphi7來編寫，具有可定義大小的覆蓋式窗口，彈出式菜單，鼠標支持，會話窗口，標準的擊健處理和鼠標輸入處理，并具有良好的中文界面，操作人員可以快速地在各個窗口之間進行切換，當系統(tǒng)出現故障時自動提示，可以方便地進行實時監(jiān)控、及時處理。完成對整個基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)進行全面的跟蹤顯示，并記錄運行過程的相關數據。中心站的程序框圖如圖9所示。

在Win32環(huán)境下使用Win32API(應用程序接口)函數，實現串行通信的主要步驟如下:首先，利用CreateFile函數打開串行口，以確定本應用程序對此串行口的占有權，并封鎖其他應用程序對此串口的操作;其次，通過GetCommState函數填充設備控制塊DCB，再通過調用SetCommState函數配置串行口的波特率、數據位、校驗位和停止位。然后，創(chuàng)建串行口監(jiān)視線程監(jiān)視串行口事件。在此基礎上就可以在相應的串口上操作數據的傳輸;最后，用Close-Handle函數關閉串行口。

根據上述軟件設計思想，設計了用于物聯網煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件。該軟件的軟件操作界面如圖10所示，在該界面中的“環(huán)境監(jiān)控信息”中可以通過選擇不同的監(jiān)控區(qū)域，查看實時的環(huán)境狀態(tài)信息，包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度。在“視頻監(jiān)控”中可以通過選擇不同的監(jiān)控區(qū)域，查看實時視頻監(jiān)控。如果礦井中的環(huán)境監(jiān)測設備監(jiān)測到的氣體(包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4)的濃度超過設置的門限值，那么在“監(jiān)控信息發(fā)布平臺”中，將出現閃爍的報警信息(采用紅色字體表示)，并伴有警笛聲。在第一個區(qū)域顯示“報警的區(qū)域”和“報警人員”信息;在“報警區(qū)域環(huán)境信息”中，顯示該區(qū)域所監(jiān)測到的環(huán)境狀態(tài)信息，其中紅色字體表示濃度為超過門限值。在“系統(tǒng)設置”中，可以設置CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體濃度的報警門限值，如圖11所示。

圖9　中心站程序框圖

圖10　中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件主操作界面

圖11　系統(tǒng)設置界面

3　總結

本文設計了一款基于物聯網的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)總體有井下人員終端和環(huán)境檢測設備、ZigBee路由器和ZigBee協調器、服務器、監(jiān)控中心組成。其中，井下人員終端用于獲得井下人員所在區(qū)域，及進行報警信息，并嵌有ZigBee無線發(fā)射模塊。ZigBee路由器具有定位功能。。服務器端主要負責接收并存儲終端采集和處理過的數據，在發(fā)生異常時，由服務器將異常信息向監(jiān)控中心進行廣播。監(jiān)控中心主要負責統(tǒng)計、查看、管理監(jiān)控信息，在發(fā)生異常時，能夠進行報警，采取相應措施處理。該系統(tǒng)具有實時性強、可靠性高、結構簡單、互操作性好、價格低廉等優(yōu)點。

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劉衛(wèi)東(1976－)，男，山東東營人，中國礦業(yè)大學信電學院副教授，博士，碩士生導師，研究方向為聲發(fā)射信號處理、監(jiān)測監(jiān)控。

中圖分類號:

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0718－07

收稿日期:2014－修改日期: 2014－