劉衛(wèi)東，張　薇，孟曉靜，2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇徐州221116; 2.中國礦業(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(xué)信電學(xué)院，江蘇徐州221116; 2.中國礦業(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監(jiān)視的問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)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(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現(xiàn)了互聯(lián)互通。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)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(xiàn)代化改造，提高礦井生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益具有重要意義。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng); ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

項目來源:中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2010QNA48) ;中國博士后基金項目(2011M500973) ;國家大學(xué)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)、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(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)指通過射頻識別、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，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、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［11］。隨著物聯(lián)網(wǎng)的逐步推廣，必將對煤礦設(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)備管理將迎來巨大的發(fā)展機遇。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)用等方面推動安防行業(yè)發(fā)展。

針對煤礦管理和監(jiān)控領(lǐng)域重大需求，本文開發(fā)和設(shè)計出一套基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各個子系統(tǒng)有機地形成一個網(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，實現(xiàn)了監(jiān)控方式由被動到主動的轉(zhuǎn)變，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候不間斷地監(jiān)控，自動發(fā)現(xiàn)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(fù)擔(dān)，能夠滿足煤礦監(jiān)控系統(tǒng)對于安全的要求。本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了信息互補與協(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錯報和沖突，提升了對煤礦安全的快速監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報能力，為煤礦安全生產(chǎn)提供了強有力的保障。

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

1.1系統(tǒng)設(shè)計目標(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，擴展外圍硬件，開發(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)進行采集和實時視頻監(jiān)控。經(jīng)過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)匯聚后，通過路由器和網(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)控軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理?；谖锫?lián)網(wǎng)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(shè)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(shù)據(jù)進行處理，如果發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)

圖1為基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)分為4個層次: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系統(tǒng)的最底層，主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦粚舆M行處理。環(huán)境檢測設(shè)備用于實時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，及進行報警。在環(huán)境檢測設(shè)備和井下人員終端中均設(shè)有ZigBee無線傳輸模塊;信息傳輸層主要將信息采集層獲得數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸技術(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(zhuǎn)發(fā)來自監(jiān)控中心的指令。當(dāng)ZigBee路由接收到信號時，內(nèi)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(zhuǎn)發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器或終端。ZigBee協(xié)調(diào)器通過CPI總線與監(jiān)控中心的服務(wù)器相連，將來自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(yīng)對突發(fā)情況的緊急措施。

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦實際應(yīng)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(shè)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(shù)據(jù)實現(xiàn)自動采集。實時靈活的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)確保整個礦井各種信息的數(shù)字化，采集到的各種數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)實時傳送到地面的服務(wù)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(shù)據(jù)進行處理，對可能存在的安全隱患和災(zāi)害做出及時的補救，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

本系統(tǒng)利用Zigbee構(gòu)建起一個物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，Zigbee模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴展?；赯igbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可最多容納65 000個設(shè)備，且網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強，通信可靠，每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，包含3種節(jié)點類型:網(wǎng)關(guān)節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點、終端節(jié)點。

2.1硬件設(shè)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(xié)調(diào)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(wǎng)絡(luò)將信息傳給Zigbee網(wǎng)關(guān)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(shè)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(xié)調(diào)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(jù)物聯(lián)網(wǎng)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(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟且低功耗。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，并且具有定位功能。

物聯(lián)網(wǎng)煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備均設(shè)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?shù)街行恼?。根?jù)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備原理框圖，我們設(shè)計了各種環(huán)境監(jiān)測傳感器。圖8給出了物聯(lián)網(wǎng)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(shè)計

系統(tǒng)軟件是整個監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂，是系統(tǒng)實現(xiàn)多功能的手段，基于物聯(lián)網(wǎng)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(shè)備原理框圖

圖5　Zigbee路由器節(jié)點模塊原理框圖

圖6　Zigbee協(xié)調(diào)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(biāo)支持，會話窗口，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窗口之間進行切換，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)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(lián)網(wǎng)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(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)，實現(xiàn)串行通信的主要步驟如下:首先，利用CreateFile函數(shù)打開串行口，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GetCommState函數(shù)填充設(shè)備控制塊DCB，再通過調(diào)用SetCommState函數(shù)配置串行口的波特率、數(shù)據(jù)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(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)計思想，設(shè)計了用于物聯(lián)網(wǎng)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(shè)備監(jiān)測到的氣體(包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4)的濃度超過設(shè)置的門限值，那么在“監(jiān)控信息發(fā)布平臺”中，將出現(xiàn)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(shè)置”中，可以設(shè)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(shè)置界面

3　總結(jié)

本文設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)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(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(wù)器端主要負(fù)責(zé)接收并存儲終端采集和處理過的數(shù)據(jù)，在發(fā)生異常時，由服務(wù)器將異常信息向監(jiān)控中心進行廣播。監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)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(yīng)措施處理。該系統(tǒng)具有實時性強、可靠性高、結(jié)構(gòu)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(xué)信電學(xué)院副教授，博士，碩士生導(dǎo)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(biāo)識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0718－07

收稿日期:2014－修改日期: 2014－