李瑞華，劉 峰，喬玉峰

（1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林719000；2.中國聯(lián)通榆林分公司 陜西 榆林719000）

基于Arduino的礦井環(huán)境實(shí)時檢測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李瑞華1，劉 峰1，喬玉峰2

（1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 榆林719000；2.中國聯(lián)通榆林分公司 陜西 榆林719000）

針對礦井生產(chǎn)環(huán)境在時間、空間上的動態(tài)性，以實(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境指標(biāo)的實(shí)時監(jiān)測為目的。本文采用傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)，Arduino UNO和各類傳感器相結(jié)合，對礦井監(jiān)測系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了礦井生產(chǎn)環(huán)境的溫度、濕度、粉塵濃度等數(shù)監(jiān)測據(jù)的實(shí)時控制。通過分析和試驗表明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性、穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性，是一套可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，對礦井的機(jī)械化具有一定的促進(jìn)作用。

Arduino；礦井監(jiān)測系統(tǒng)；濃度監(jiān)測；臨界值

煤炭企業(yè)由于在地下作業(yè)，工作環(huán)境惡劣，工作區(qū)域狹窄、照明差、潮濕、存在有害氣體等很多不安全因素，致使煤礦安全事故頻發(fā)、傷亡嚴(yán)重[1]。如何精準(zhǔn)、有效監(jiān)測礦井的各項指標(biāo)的臨界狀態(tài)，從而對礦井的安全進(jìn)行實(shí)時預(yù)警處理，已成為礦井生產(chǎn)的重要組成，本系統(tǒng)旨在采用便攜的方式實(shí)現(xiàn)礦井基本數(shù)據(jù)的采集與預(yù)警。

Arduino是一款便捷、靈活、開源的軟、硬件平臺，AVR是其核心芯片。有“電子積木”之稱的Arduino提供完全開放的硬件控制板平臺，包括基于AVR微控制器的主控制電路板以及大量的輸入、輸出電子模塊[2-5]；基于Eclipse的IDE開發(fā)環(huán)境的Arduino軟件平臺，采用類C的語言進(jìn)行編程，模塊化的封裝函數(shù)供程序開發(fā)者調(diào)用，同時開發(fā)者可使用USB將編寫好的程序燒制到Arduino開發(fā)板，提高其靈活性[6-7]。

文中提出基于Arduino的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，通過性價比較高Arduino的簡單、方便設(shè)計，實(shí)現(xiàn)礦井安全的實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警，本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處通過LCD液晶屏幕的實(shí)時顯示礦井生產(chǎn)的瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度，并在臨界值給予聲光報警，同時實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到移動終端，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。

1 設(shè)計原理

礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由Arduino外圍電路及控制板、溫度檢測部分、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、濕度監(jiān)測等數(shù)據(jù)顯示部分構(gòu)成，加報警電路即構(gòu)成。系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖1所示。Arduino板根據(jù)各類傳感器檢測到的時間間隔信息，將采集到數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，并與預(yù)設(shè)的溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊戎笜?biāo)臨界值進(jìn)行比較，當(dāng)某一指標(biāo)達(dá)到預(yù)設(shè)臨界值即給與報警提醒，同時將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實(shí)時的傳輸與移動終端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，有利于礦井管理人員的及時有效地給予生產(chǎn)環(huán)境的安全評估。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 硬件部分設(shè)計

2.1 Arduino控制板、液晶顯示模塊

本系統(tǒng)采用的ArduinoMega2 560的核心處理器，具有一個USB口（便于在線進(jìn)行程序調(diào)試），一個16 MHz晶體振蕩器，54路數(shù)字輸入輸出口，16路模擬輸入，4路 UART接口，一個電源插座，一個ICSPheader和一個復(fù)位按鈕。同時能兼容為ArduinoUNO設(shè)計的擴(kuò)展板分析，多接口的輸入與輸出可滿足多個傳感器的連接，擴(kuò)展系統(tǒng)性能[8-9]。本系統(tǒng)采用溫度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌⒎蹓m濃度傳感器、蜂鳴報警器、各開關(guān)電路無線通信模塊的數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)的硬件連接如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖

2.2 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測器

瓦斯傳感器采用MQ-2氣體傳感模塊，MQ-2傳感器是基于QM-NG1探頭的氣體傳感器，采用MQ-2型氣敏原件，可以迅速、靈敏地監(jiān)測到礦井開采環(huán)境中的瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度。通過3P傳感器連接直接插接到Arduino傳感器擴(kuò)展板上，結(jié)合蜂鳴器模塊與繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測、粉塵濃度監(jiān)測以及報警等功能。

2.3 溫度監(jiān)測器

使用Arduino板配合LM35溫度傳感器測量環(huán)境溫度，以Serial Monitor窗口顯示環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度大于礦井溫度預(yù)警30℃時，蜂鳴報警器開啟。

3 軟件部分設(shè)計

Arduino IDE軟件平臺主要用于監(jiān)測溫度、瓦斯、粉塵濃度等傳感器所連接的輸入引腳的輸入值和狀態(tài)，利用氣體傳感器、溫度傳感器等對礦井生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行檢測，將采集量和設(shè)定預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，并將檢測結(jié)果反饋到Arduino中央處理器中，如果采集值大于預(yù)測值，系統(tǒng)將給與蜂鳴預(yù)警，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程終端。系統(tǒng)整體算法如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.1 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測子程序

void loop（void）//瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測，并在液晶屏顯示濃度，大于設(shè)置預(yù)警峰值，蜂鳴報警。

3.2 移動終端短信提示子程序

4 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與測試分析

通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭苿咏K端的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過所連接的SD卡存儲，使用計算機(jī)將SD卡中的文件名為datalog.txt文件，將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井安全環(huán)境的整體測試，本測試將采集的瓦斯?jié)舛葮颖緮?shù)據(jù)分析，所得測試集與礦井系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性對比如圖4所示，測試結(jié)果表明本系統(tǒng)的簡單設(shè)計能夠滿足實(shí)際工業(yè)成產(chǎn)的需求，完成礦井安全預(yù)警的精準(zhǔn)性要求。

圖4 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性對比圖

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗測試本系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的，本系統(tǒng)與其他的監(jiān)測系統(tǒng)存在較大的不同，它可以通過瓦斯?jié)舛?、粉塵濃度、濕度、溫度的集成監(jiān)測完成礦井的多指標(biāo)濃度的測試；對于監(jiān)測人員能夠?qū)崟r的通過液晶顯示屏觀測指標(biāo)值，并在超出預(yù)測的指標(biāo)時通過蜂鳴報警給予安全預(yù)警，同時將檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給移動終端，對于提升礦井的實(shí)時安全狀態(tài)評價具有一定的意義。本系統(tǒng)通過較低的成本實(shí)現(xiàn)了礦井生產(chǎn)過程中的瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度、液晶顯示燈、報警多項功能的多指標(biāo)的監(jiān)測，具有一定的實(shí)用價值，對于提升Arduino環(huán)境的開發(fā)應(yīng)用具有很好的參考價值。

[1]張雪平，楊興全.基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].電子測試，2014：2240-2243.

[2]劉楚紅，董震.基于Arduino的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（17）：148-150.

[3]QI Qingzhong.Strategic thinking of the internet of things and M2M Sevices[J].International Journal of Online Engineering，2013（993）:77-81.

[4][美]BANZIMassimo.愛上Arduino[M].2版.北京:科學(xué)出版社，2012.

[5]馬小平，胡延軍，繆燕子.物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].工礦自動化，2014，40（4）:5-9.

[6]齊立磊，王超.基于ZigBee的礦井無限傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2013，34（9）:252-254.

[7]蔡睿妍，Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2013，20（16）:155-157.

[8]王希娟.基于Arduino&Android的家庭智能澆花系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)[D].西安:長安大學(xué)，2013.

[9]弋改珍，江蕭，袁嵐清.基于Android平臺課堂點(diǎn)名系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2014（22）:28-31.

[10]何金鑫，姚善化，唐超禮.基于Android和ZigBee技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015（6）:128-134.

[11]LIUBo，ZHENGHui-yong，LINYing-zhi，etal.Design of Environmental Monitoring and Control System for Large-scale Pig House with Fermen-tation Bed[J].Agricultural Science&Technology，2015（2）:34-45.

[12]DervisKaraboga，SelcukOkdem，CelalOzturk.Cluster based wireless sensor network routing usingartificial bee colony algorithm[J].Wireless Networks，2012（7）：178-184.

[13]孫作雷，張波，曾連蓀.基于Arduino和Qt的低成本開源實(shí)驗機(jī)器人平臺設(shè)計 [J].上海海事大學(xué)學(xué)報，2013（2）:87-94.

[14]杜一騰，遲宗濤.基于Arduino與yeelink平臺的實(shí)時環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014（10）:67-71.

[15]吳勇，李林濤，陳世純，等.基于Arduino開發(fā)環(huán)境的光電編碼器檢測儀的設(shè)計 [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（2）:65-70.

Design and implementation of mine environment real timedetection system based on Arduino

LI Rui-hua1，LIU Feng1，QIAO Yu-feng2
（1.Scholl of Information Engineering，YulinUniversity，Yulin 719000，China；2.Yulin Branch of China Unicom，Yulin 719000，China）

According to the dynamic characteristics of mine production environment in time and space，in order to achieve the goal of real-time monitoring of mine environmental indicators.In this paper，the sensor technology，communication technology，Arduinoand various types of sensors combined with design of mine monitoring system software and hardware，realizes the mine production environment temperature，humidity，dust concentration monitoring data according to the real-time control.Through analysis and experiment，it shows that the system has strong practicability，stability and precision.It is a reliable monitoring system，which can promote the mechanization of the mine.

Arduino；coal mine monitoring；density monitoring；threshold

TN711

：A

：1674－6236（2017）05-0017-03

2015-12-25稿件編號：201512256

陜西省教育廳項目（2013JK11151）；榆林市科技局項目（201314GY）

李瑞華（1978—），女，陜西綏德人，碩士，副教授。研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、物聯(lián)網(wǎng)。