劉衛(wèi)東，張　薇，孟曉靜，2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇徐州221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇徐州221116)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)研究*

劉衛(wèi)東1*，張薇1，孟曉靜1，2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇徐州221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)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(dòng)監(jiān)視的問(wèn)題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由基于嵌入式平臺(tái)的井下人員終端、環(huán)境檢測(cè)設(shè)備、ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器、服務(wù)器、監(jiān)控中心組成。在通訊協(xié)議上，采用Zigbee協(xié)議和高層自定義協(xié)議，使各組成部分之間實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、便于維護(hù)等特點(diǎn)，對(duì)于我國(guó)礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造，提高礦井生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng); ZigBee;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò);監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

項(xiàng)目來(lái)源:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(2010QNA48) ;中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(2011M500973) ;國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(201310290022)

煤炭在我國(guó)能源工業(yè)中，分別占一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量的76%和69%。但由于我國(guó)一般采用地下開(kāi)采，其生產(chǎn)環(huán)境惡劣，瓦斯突出、煤塵污染等安全隱患時(shí)刻威脅著井下工作人員的安全［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)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(xiǎn)，僅2010年全國(guó)瓦斯事故就有72起，死亡350人［2－3］。因此對(duì)煤礦進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)非常重要。隨著國(guó)家對(duì)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(cè)監(jiān)控被強(qiáng)制執(zhí)行。為確保煤礦安全生產(chǎn)、提高勞動(dòng)效率、節(jié)約成本，對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)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(hào)形式、傳輸方式等都各方面存在不一致，嚴(yán)重限制了現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展［4－7］。

在這種需求背景下，物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為健康管理煤礦設(shè)備的一種技術(shù)手段。物聯(lián)網(wǎng)指通過(guò)射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)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(guó)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(lián)網(wǎng)作為了信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)［11］。隨著物聯(lián)網(wǎng)的逐步推廣，必將對(duì)煤礦設(shè)備健康管理產(chǎn)生深刻影響，包括其理念、技術(shù)、形態(tài)和效果，都將產(chǎn)生深刻變化，煤礦設(shè)備管理將迎來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇。煤礦設(shè)備管理需要緊密關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，吸收相關(guān)技術(shù)和概念，結(jié)合不同的應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)新應(yīng)用模式，從技術(shù)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)制定和推廣應(yīng)用等方面推動(dòng)安防行業(yè)發(fā)展。

針對(duì)煤礦管理和監(jiān)控領(lǐng)域重大需求，本文開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)出一套基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)地形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體，確保信息的有效暢通，避免信息孤島的出現(xiàn)。另外通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)所一些固有的缺陷，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控方式由被動(dòng)到主動(dòng)的轉(zhuǎn)變，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候不間斷地監(jiān)控，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)控環(huán)境中的異常情況，來(lái)改善監(jiān)控效果，同時(shí)減輕工作人員的負(fù)擔(dān)，能夠滿(mǎn)足煤礦監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于安全的要求。本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了信息互補(bǔ)與協(xié)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(bào)錯(cuò)報(bào)和沖突，提升了對(duì)煤礦安全的快速監(jiān)測(cè)和預(yù)警預(yù)報(bào)能力，為煤礦安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。

1　基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，基于嵌入式工業(yè)平臺(tái)，擴(kuò)展外圍硬件，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，構(gòu)建了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)及視頻監(jiān)控構(gòu)成，能夠?qū)ΦV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(jìn)行采集和實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。經(jīng)過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)匯聚后，通過(guò)路由器和網(wǎng)關(guān)將采集到的環(huán)境狀態(tài)信息和視頻監(jiān)控信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控中心的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成兩個(gè)功能:一是信息采集功能，系統(tǒng)通過(guò)傳感器和視頻監(jiān)控設(shè)備完成對(duì)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(gè)功能就是報(bào)警功能，監(jiān)控中心的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如果發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

圖1　系統(tǒng)總體框架圖

1.2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖1為基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)分為4個(gè)層次:信息采集層，信息傳輸層，服務(wù)器層，管理和決策層。其中信息采集層是整個(gè)系統(tǒng)的最底層，主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦粚舆M(jìn)行處理。環(huán)境檢測(cè)設(shè)備用于實(shí)時(shí)感知井下的一氧化碳濃度、瓦斯?jié)舛鹊取＞氯藛T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(jìn)行報(bào)警。在環(huán)境檢測(cè)設(shè)備和井下人員終端中均設(shè)有ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊;信息傳輸層主要將信息采集層獲得數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。ZigBee路由器采用具有定位功能的CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)，用來(lái)接收井下人員終端的信號(hào)，并可向井下人員轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自監(jiān)控中心的指令。當(dāng)ZigBee路由接收到信號(hào)時(shí)，內(nèi)置于該模塊中的單片機(jī)啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC2430，將所接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器或終端。ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)CPI總線(xiàn)與監(jiān)控中心的服務(wù)器相連，將來(lái)自ZigBee路由的數(shù)據(jù)傳遞到服務(wù)器。最后兩層主要是方便監(jiān)控中心實(shí)時(shí)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(yīng)對(duì)突發(fā)情況的緊急措施。

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦實(shí)際應(yīng)用中的工作流程如圖2所示。具體思路如下:通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)環(huán)境檢測(cè)設(shè)備，對(duì)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(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集。實(shí)時(shí)靈活的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)確保整個(gè)礦井各種信息的數(shù)字化，采集到的各種數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到地面的服務(wù)器，通過(guò)監(jiān)控中心的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)可能存在的安全隱患和災(zāi)害做出及時(shí)的補(bǔ)救，并做出相應(yīng)的告警，確保礦井高效安全生產(chǎn)。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(shù)據(jù)表現(xiàn)形式顯示各種集成數(shù)據(jù)，有利于對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的有效管理。

圖2　系統(tǒng)工作流程

2　系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用Zigbee構(gòu)建起一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，Zigbee模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無(wú)限擴(kuò)展?；赯igbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可最多容納65 000個(gè)設(shè)備，且網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠，每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對(duì)象，其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，包含3種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型:網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。

2.1硬件設(shè)計(jì)

Zigbee模塊硬件電路包含井下人員終端節(jié)點(diǎn)模塊、Zigbee路由器節(jié)點(diǎn)模塊、Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊。井下人員終端節(jié)點(diǎn)模塊采集井下工作人員信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將信息傳給Zigbee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊，最后通過(guò)串口將信息傳給終端。整個(gè)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(diǎn)。圖3為井下人員終端節(jié)點(diǎn)模塊電路原理圖，圖4為環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備原理框圖，圖5為 Zigbee路由器節(jié)點(diǎn)模塊原理框圖，圖6為Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊電路原理圖。

上述硬件電路中均需要用到ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊，該模塊如圖7所示。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性，系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊采用CC2431芯片。CC2431是專(zhuān)門(mén)針對(duì)IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟(jì)且低功耗。該芯片支持ZigBee協(xié)議—ZigBee2007/PRO，ZigBee2007/PRO協(xié)議具有良好的互操作性、節(jié)點(diǎn)密度管理、數(shù)據(jù)負(fù)荷管理、頻率捷變等特性，且具有支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和低功耗特點(diǎn)，并且具有定位功能。

物聯(lián)網(wǎng)煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備均設(shè)有ZigBee模塊，將檢測(cè)到的CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度信息通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊傳輸?shù)街行恼?。根?jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備原理框圖，我們?cè)O(shè)計(jì)了各種環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器。圖8給出了物聯(lián)網(wǎng)煤礦檢測(cè)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(cè)原理。

2.2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多功能的手段，基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)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(diǎn)是否正常通信的問(wèn)題。

圖3　井下人員終端節(jié)點(diǎn)模塊電路原理圖

圖4　環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備原理框圖

圖5　Zigbee路由器節(jié)點(diǎn)模塊原理框圖

圖6　Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊電路原理圖

圖7　ZigBee無(wú)線(xiàn)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(lái)編寫(xiě)，具有可定義大小的覆蓋式窗口，彈出式菜單，鼠標(biāo)支持，會(huì)話(huà)窗口，標(biāo)準(zhǔn)的擊健處理和鼠標(biāo)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(gè)窗口之間進(jìn)行切換，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)提示，可以方便地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)處理。完成對(duì)整個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全面的跟蹤顯示，并記錄運(yùn)行過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)。中心站的程序框圖如圖9所示。

在Win32環(huán)境下使用Win32API(應(yīng)用程序接口)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)串行通信的主要步驟如下:首先，利用CreateFile函數(shù)打開(kāi)串行口，以確定本應(yīng)用程序?qū)Υ舜锌诘恼加袡?quán)，并封鎖其他應(yīng)用程序?qū)Υ舜诘牟僮?其次，通過(guò)GetCommState函數(shù)填充設(shè)備控制塊DCB，再通過(guò)調(diào)用SetCommState函數(shù)配置串行口的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位。然后，創(chuàng)建串行口監(jiān)視線(xiàn)程監(jiān)視串行口事件。在此基礎(chǔ)上就可以在相應(yīng)的串口上操作數(shù)據(jù)的傳輸;最后，用Close-Handle函數(shù)關(guān)閉串行口。

根據(jù)上述軟件設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了用于物聯(lián)網(wǎng)煤礦檢測(cè)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(guò)選擇不同的監(jiān)控區(qū)域，查看實(shí)時(shí)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(guò)選擇不同的監(jiān)控區(qū)域，查看實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。如果礦井中的環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到的氣體(包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4)的濃度超過(guò)設(shè)置的門(mén)限值，那么在“監(jiān)控信息發(fā)布平臺(tái)”中，將出現(xiàn)閃爍的報(bào)警信息(采用紅色字體表示)，并伴有警笛聲。在第一個(gè)區(qū)域顯示“報(bào)警的區(qū)域”和“報(bào)警人員”信息;在“報(bào)警區(qū)域環(huán)境信息”中，顯示該區(qū)域所監(jiān)測(cè)到的環(huán)境狀態(tài)信息，其中紅色字體表示濃度為超過(guò)門(mén)限值。在“系統(tǒng)設(shè)置”中，可以設(shè)置CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體濃度的報(bào)警門(mén)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(shè)置界面

3　總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)總體有井下人員終端和環(huán)境檢測(cè)設(shè)備、ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器、服務(wù)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(jìn)行報(bào)警信息，并嵌有ZigBee無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊。ZigBee路由器具有定位功能。。服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)接收并存儲(chǔ)終端采集和處理過(guò)的數(shù)據(jù)，在發(fā)生異常時(shí)，由服務(wù)器將異常信息向監(jiān)控中心進(jìn)行廣播。監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)、查看、管理監(jiān)控信息，在發(fā)生異常時(shí)，能夠進(jìn)行報(bào)警，采取相應(yīng)措施處理。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

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劉衛(wèi)東(1976－)，男，山東東營(yíng)人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槁暟l(fā)射信號(hào)處理、監(jiān)測(cè)監(jiān)控。

中圖分類(lèi)號(hào):

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015) 03－0718－07

收稿日期:2014－修改日期: 2014－