陳越超，王曉丹，程志偉，王鑫力

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

隨著社會發(fā)展，人們對礦井監(jiān)控提出了新的更高要求。不僅要求監(jiān)測的快速、準確，還要求監(jiān)測的智能化和網(wǎng)絡化。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)本地顯示報警功能，還可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控管理功能。

1 設計原理

本監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)測單元、OneNet平臺和遠程監(jiān)控平臺三部分組成。其中，數(shù)據(jù)監(jiān)測單元分為溫濕度監(jiān)測單元、甲烷檢測單元、負壓檢測單元和一氧化碳檢測單元等，各單元以Arduino控制模塊作為核心，接收并處理傳感器檢測參數(shù)信息，并通過Wi-Fi模塊傳輸至OneNet平臺。OneNet平臺負責接收和存儲數(shù)據(jù)信息及向各單元發(fā)送監(jiān)控中心控制指令。網(wǎng)頁及手機APP可以作為遠程監(jiān)控平臺，用戶通過登錄OneNet平臺進行監(jiān)測及控制，這樣的多平臺機制可以方便用戶隨時隨地通過訪問遠程監(jiān)控平臺，實時監(jiān)控整個礦井。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設計

各檢測單元電路組成類似，主要由微控制器、無線通信單元、數(shù)據(jù)采集單元、電源模塊和報警顯示單元組成，電路設計結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文硬件電路設計以甲烷檢測單元為例。

圖2 檢測單元電路設計結(jié)構(gòu)

2.1 微控制器設計

微控制器采用Arduino MEGA2560，擁有54路數(shù)字輸入/輸出口、16路模擬輸入和4路UART接口，可以滿足本設計的需要。

2.2 甲烷檢測電路設計

表1 MJC4/3.0L氣體傳感器技術(shù)指標

圖3 甲烷濃度檢測模塊電路原理圖

圖4 LCD12864電路原理圖

2.3 顯示報警電路設計

由于需要同時顯示甲烷濃度、一氧化碳濃度、負壓值和溫濕度值，所以顯示模塊選用液晶顯示器LCD12864，分為五行顯示。為節(jié)省連接端口，液晶顯示選擇串口連接方式，只需要三條連接線，LCD12864的RS、RW、E分別連接Arduino的數(shù)字端口17、18、19。電路原理圖如圖4所示。

報警電路選用蜂鳴器報警，Arduino的數(shù)字端口12通過控制NPN型三極管導通和截止，達到控制蜂鳴器報警和關(guān)閉的作用。電路原理圖如圖5所示。

圖5 蜂鳴器報警電路原理圖

圖6 ESP8266串口Wi-Fi電路原理圖

2.4 無線通信單元設計

無線通信單元選用串口Wi-Fi通信模塊ESP8266，它是一款專門為物聯(lián)網(wǎng)設計的模塊，以優(yōu)越的性能和低廉的價格迅速占領(lǐng)市場，支持三種工作模式：STA、AP和STA+AP，本單元選用STA模式，Arduino作為Station，通過UART與ESP8266相連，電路原理圖如圖6所示。

3 軟件程序設計

軟件設計使用Arduino IDE編寫，系統(tǒng)主程序包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序、Wi-Fi通信程序、數(shù)據(jù)顯示程序和報警程序等。程序首先進行串口初始化、端口初始化、I2C初始化和Wi-Fi模塊初始化等，數(shù)據(jù)采集程序包括甲烷濃度采集、一氧化碳濃度采集、負壓檢測和溫濕度檢測等，之后對比EEPROM中存儲的各參數(shù)閾值，如有超出報警限，則發(fā)出聲光報警，最后按照HTTP協(xié)議通過串口Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNet平臺。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4 遠程監(jiān)控平臺設計

OneNet是中國移動公司推出的一款物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺，提供了種類豐富的智能硬件開發(fā)工具和可靠的平臺服務，可以快速將終端設備快速接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)管理等完整的交互流程。云平臺為用戶提供三種通信方式，用戶可以根據(jù)項目的實際需要選擇不同的通信方式，網(wǎng)絡通信方式的選擇如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡通信方式的選擇

OneNet平臺支持以太網(wǎng)通信、Wi-Fi通信和GPRS通信三種方式，以太網(wǎng)可以支持網(wǎng)線接入，Wi-Fi通信可以支持無線接入，GPRS可以支持SIM通信接入。由于本設計采用物聯(lián)網(wǎng)解決方案和無線組網(wǎng)技術(shù)，故采用Wi-Fi通信方式。

智能終端接入云平臺過程相對比較容易，首先在OneNet平臺上注冊賬號，創(chuàng)建專屬的“開發(fā)者中心”，在用戶賬戶下創(chuàng)建產(chǎn)品，在產(chǎn)品中添加設備，為設備添加數(shù)據(jù)流，之后可以添加觸發(fā)器和新建應用等。步驟如圖9所示。

圖9 OneNet平臺接入步驟流程圖

OneNet平臺提供公開協(xié)議產(chǎn)品和私有協(xié)議產(chǎn)品兩種，其中公開協(xié)議產(chǎn)品有HTTP、MODBUS、EDP、MQTT等多種協(xié)議選擇，本文選用HTTP協(xié)議。使用POST打包感知層采集的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)流格式如圖10所示。

圖10 POST數(shù)據(jù)流格式

本設計采用“儀表盤”實時顯示當前數(shù)據(jù)，采用“折線圖”或“柱狀圖”顯示歷史數(shù)據(jù)，如圖11所示。在應用界面中，礦井環(huán)境參數(shù)以“數(shù)字+圖表”顯示，并且數(shù)據(jù)可以保存在云平臺中，并以曲線圖的方式呈現(xiàn)礦井環(huán)境在一段時間內(nèi)的變化情況。OneNet平臺還可以設置報警功能，當接收數(shù)據(jù)超過設置報警限，將會向用戶預先設定的郵箱發(fā)送報警信息。

圖11 用戶界面設計圖

5 結(jié)語

本監(jiān)測系統(tǒng)與其他的監(jiān)測系統(tǒng)存在較大的不同，它將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合，不僅可以在工作現(xiàn)場檢測并實時顯示環(huán)境參數(shù)，使井下工作人員掌握參數(shù)數(shù)據(jù)。還借助OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺，管理人員可以不分地域、時間通過遠程登陸的方式，實時監(jiān)控整個礦山。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，基于開放物聯(lián)網(wǎng)平臺的礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)將在煤礦安全生產(chǎn)中起到越來越重要的作用，進一步推進“智慧礦山”的發(fā)展。