楊軍金，傅成華，董子琦

(四川理工學(xué)院 自動化與電子信息學(xué)院，四川 自貢 643000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)研究

楊軍金，傅成華，董子琦

(四川理工學(xué)院 自動化與電子信息學(xué)院，四川 自貢 643000)

針對當(dāng)前礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)功能單一、反饋控制能力差能等特點，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器、WiFi技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳輸和反饋報警控制功能。詳細(xì)描述了礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成及各硬件設(shè)計原理圖，介紹了系統(tǒng)的底層驅(qū)動設(shè)計及軟件設(shè)計流程。通過實驗證明該礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)能實時傳輸數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控穩(wěn)定，能實現(xiàn)報警控制，可在移動平臺或者PC機上進行監(jiān)控，具有一定的推廣價值。

物聯(lián)網(wǎng)；WiFi；監(jiān)控系統(tǒng)；移動平臺

隨著社會發(fā)展，安全生產(chǎn)已經(jīng)成為各行各業(yè)中最重要的問題，在煤炭企業(yè)中更為重要。我國煤炭開采主要是在井下開采，井下環(huán)境惡劣，情況復(fù)雜，容易發(fā)生各種突發(fā)事故。通風(fēng)機是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，需向井下輸送新鮮空氣，降低溫度和濕度以及減少有毒氣體和煤塵殘留空間等[1]。需要一種通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能直觀地監(jiān)視和記錄通風(fēng)機現(xiàn)場的工作情況，而且能及時發(fā)現(xiàn)事故苗子，防患于未然，也能為事后分析事故提供有關(guān)的第一手圖像資料。傳統(tǒng)礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)功能單一，沒有反饋控制系統(tǒng)，需要花費大量人力與時間在監(jiān)控系統(tǒng)上。設(shè)計一種具有反饋控制系統(tǒng)的礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)對于降低煤炭企業(yè)財力，減少企業(yè)損失，提高煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)能力具有重大意義[2-5]。

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過WiFi技術(shù)實時對通風(fēng)機工作狀況進行監(jiān)控，還能對通風(fēng)機周圍的溫度情況進行采樣分析并形成反饋報警系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)礦井通風(fēng)機周圍溫度情況出現(xiàn)異常情況時，反饋報警系統(tǒng)會根據(jù)異常情況做出反應(yīng)，通過發(fā)送GPRS短信通知人員撤離，自動關(guān)閉礦井中大型設(shè)備等。該系統(tǒng)能提高煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)能力。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)以Cotex-A8核心板為控制核心，分為井下部分和井上部分，外圍模塊有下位機模塊、溫度采集模塊、WiFi模塊、GPRS模塊、攝像頭模塊、報警模塊等。在正常情況下對礦井通風(fēng)機進行視頻監(jiān)控，同時輪詢查詢通風(fēng)機周圍的溫度，一旦溫度過高，說明礦井存在安全隱患，這時系統(tǒng)主機首先會進行語音報警，通知人員發(fā)生緊急情況，然后通過GPRS模塊發(fā)送報警短信給其他作業(yè)人員，同時系統(tǒng)自動開啟緊急報警程序，通過控制繼電器關(guān)閉井下的采煤設(shè)備，以達到撤離人員和礦井安全的目的，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 總體硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中央處理器采用基于64位總線架構(gòu)的S5PC100處理器，該處理器基于ARM v7架構(gòu)，主頻達到833 MHz，以SDRAM與Nand Flash作為系統(tǒng)存儲器。視頻采集模塊選用OV9650攝像頭，該攝像頭像素為130萬，具有自主圖像編輯能力，用戶可以自主編輯圖像輸出格式。其數(shù)據(jù)輸出格式有YUV，YCbCr，RGB565，RGB555等。該攝像頭還具有體積小、功耗低、集成度高、應(yīng)用方便等特點，可直接應(yīng)用于Cotex-A8核心板上。GPRS模塊選用CM320，該模塊基于CDMA 2000接口，具有全雙工無線通信能力。WiFi模塊選用USR-WIFI232-X-V4，溫度采集模塊選用DH11，報警控制模塊選用SRD-05VDC-SL-C。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 溫度采集單元

溫度的變化在礦井中會產(chǎn)生一系列變化。為了準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測量礦井通風(fēng)機周圍的溫度情況，采用DH11溫度傳感器作為溫度檢測器件，該模塊采用數(shù)字模塊采集技術(shù)，采用單總線數(shù)據(jù)通信，這樣可以節(jié)省管腳，使用簡單，其具有8位分辨率，檢測范圍在0 ℃～+50 ℃之間。其電路設(shè)計如圖3所示，其中1管腳是電源，2管腳是數(shù)據(jù)輸出，4管腳接地，上拉電阻R1用于保障DH11在工作時所需的1 mA電流。

圖3 溫度采集電路

2.3 報警控制模塊

當(dāng)發(fā)現(xiàn)危險因素存在，需要及時撤離人員，同時需要系統(tǒng)自動關(guān)閉一些大型設(shè)備。本系統(tǒng)采用SRD-05VDC-SL-C繼電器作為電流控制的接口，該繼電器基于UL，CUL，TUV認(rèn)證，最大可以通過10 A電流。為了減小SRD-05VDC-SL-C繼電器對控制中心的影響，采用TLP181光電耦合器連接模塊的輸入端，從而起到隔離作用。光電耦合器出來的信號比較微弱，通過一個三極管對信號放大才能使用，當(dāng)開啟或關(guān)閉繼電器時，由于繼電器中線圈會產(chǎn)生較強的感應(yīng)電流，為了減少感應(yīng)電流對電路的影響，用一個二極管D2與繼電器構(gòu)成回路，以抵消感應(yīng)電流。其電路設(shè)計圖如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路

2.4 WiFi模塊設(shè)計

在礦井中存在著道路陡峭、布線困難等特點，為了更好地在礦井中傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用基于無線收發(fā)的WiFi模塊USR-WIFI232-X-V4作為通信模塊，該模塊基于IEEE802.11無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，具有有線收發(fā)與無線收發(fā)數(shù)據(jù)能力，支持TCP/IP協(xié)議，可以通過以太網(wǎng)接口、UART接口等與主控制器進行連接。本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)接口與主控制器進行連接，其硬件連接圖如圖5所示。該WiFi模塊需要3.3 V的單電源供電，系統(tǒng)選用LD1117-18電源芯片對其供電，LD1117-18是一種低壓穩(wěn)壓芯片，能夠提供+1.25～+5 V之間的不同版本電壓。對于3.3 V的輸出電壓通常情況下會在輸入端與輸出端分別加上2個電容進行濾波。在與以太網(wǎng)接口連接前需要串聯(lián)一個KMS-1102NL網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ-45連接器。KMS-1102NL變壓器主要起到穩(wěn)定電平、隔離抗干擾作用，USR-WIFI232-X-V4其他管腳作為GPIO與CPU進行連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 底層驅(qū)動設(shè)計

驅(qū)動設(shè)計是系統(tǒng)軟件設(shè)計的一部分，在本系統(tǒng)中驅(qū)動設(shè)計主要完成底層攝像頭驅(qū)動設(shè)計，主要實現(xiàn)攝像頭相關(guān)寄存器及CPU相關(guān)引腳的配置及初始化，并對它們進行封裝向應(yīng)用層提供統(tǒng)一接口，OV9650攝像頭有很多寄存器，可用I2C總線去配置這些寄存器。首先添加OV9650攝像頭信息，找到Linux內(nèi)核文件mach-smdkc100.c添加攝像頭信息，代碼為：

staticstruct i2c_board_info i2c_devs1[]__initdata={

{

I2C_BOARD_INFO(“ov9650”,0x30),

},

};

圖5 WiFi連接電路

然后配置攝像頭相關(guān)控制器，主要是配置攝像頭相關(guān)引腳，設(shè)置相關(guān)地址信息、命名相關(guān)設(shè)備等，這些信息在可以通過s5pc100芯片手冊查看，然后添加攝像頭平臺相關(guān)信息，代碼為：

staticstruct platform_device *smdkc100_devices[] __initdata = {

&s3c_device_camif,

};

然后加載驅(qū)動程序，驅(qū)動程序加載方式有兩種，可以直接添加進內(nèi)核里，也可以通過模塊動態(tài)加載。本文采用MODULES動態(tài)加載模塊的方式，這樣可以節(jié)省系統(tǒng)開銷。驅(qū)動程序主要編寫file_operations結(jié)構(gòu)體中的各個函數(shù)，實現(xiàn)里面的函數(shù)功能，代碼為：

struct file_operations{

struct module *owner;

.open = cra_open;

.read = cra_read;

.write = cra_write;

.ioctl = cra_ioctl;

.mmap = cra_mmap;

}

其中重要的兩個函數(shù)接口有cra_ioctl()與cra_mmap()。ioctl()函數(shù)用于執(zhí)行設(shè)備I/O控制命令，管理I/O通道，設(shè)置設(shè)備屬性等。mmap()函數(shù)用于映射空間，將攝像頭內(nèi)核地址直接映射到用戶進程地址空間，這樣不用進行數(shù)據(jù)拷貝，從而減少了系統(tǒng)的運行負(fù)載。還有兩個重要的宏module_init()與module_exit()，分別驅(qū)動程序的入口點與結(jié)束點。module_init()實現(xiàn)復(fù)位OV9650攝像頭，初始化系統(tǒng)camera接口和攝像頭接口，分配系統(tǒng)內(nèi)存，配置時鐘頻率等。module_exit()完成進程地址空間，存儲緩沖區(qū)的釋放，關(guān)閉中斷請求工作等。

3.2 應(yīng)用層軟件設(shè)計

應(yīng)用層軟件設(shè)計主要包括系統(tǒng)界面設(shè)計和系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸保存設(shè)計。監(jiān)控軟件整個系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制端，主要包括采集OV9650攝像頭數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)WiFi通信，報警系統(tǒng)設(shè)置實現(xiàn)繼電器報警命令控制，系統(tǒng)自動發(fā)送GPRS短信到通信設(shè)備。監(jiān)控軟件主要基于Eclipse平臺進行開發(fā)。監(jiān)控界面不僅可以在PC機上顯示，還可以在基于Android平臺的移動平臺上顯示。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測試

在測試程序中OV9650傳感器能實時采集圖像數(shù)據(jù)，輸出格式為YUV4∶2∶2，采集速度為15幀/秒(f/s)，圖片分辨率為320×240，溫度傳感器能實時采集溫度數(shù)據(jù)，并且主控制器能實時對溫度進行分析報警，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時系統(tǒng)能通過GPRS模塊向員工發(fā)送報警短信，同時繼電器能實現(xiàn)自動關(guān)閉電源設(shè)備。視頻截圖如圖7所示。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、可移植性好、圖像畫面清晰等優(yōu)點。

圖7 測試結(jié)果圖(截圖)

5 小結(jié)

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、工作原理及軟件設(shè)計進行了詳細(xì)介紹。與傳統(tǒng)礦井監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有更高的安全性，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)與溫度自動報警系統(tǒng)組成雙層報警系統(tǒng)，為提高煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)、煤礦企業(yè)現(xiàn)代化管理提供了可靠保障。同時該系統(tǒng)能在發(fā)生緊急情況時通過系統(tǒng)報警命令相關(guān)設(shè)備停止工作，具有實際應(yīng)用價值。

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[8]宋寶華. Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

責(zé)任編輯：任健男

Research on Monitoring System of Mine Ventilator Based on Internet of Things

YANG Junjin，F(xiàn)U Chenghua，DONG Ziqi

(SchoolofAutomationandElectricInformation,SichuanUniversityofScienceandEngineering,SichuanZigong643000,China)

In view of the single function and poor ability of feedback control features for the mine ventilator monitoring system, a kind of mine ventilator monitoring system is put forward based on Internet of things. The system uses sensors and WiFi technology to realize monitoring system for real-time monitoring data transmission and feedback alarm control function. The structure and the hardware principle diagram of monitoring system are described in detail. It introduces the system of underlying driver and software design process. Finally, experiments prove that the monitoring system of the mine ventilator can transfer real-time data, stabilize video monitoring, alarm, can be monitored in the mobile platform or PC, and has certain promotion value.

Internet of things; WiFi; monitoring system; mobile platform

四川省科技支撐計劃項目(2013GZ0030)

TP277

A

10.16280/j.videoe.2015.01.035

2014-04-10

【本文獻信息】楊軍金，傅成華，董子琦.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井通風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].電視技術(shù),2015，39(1).