基于物联网的瓦斯监控系统

2013-04-21张国军郑丽媛

传感器与微系统 2013年1期

张国军，郑丽媛，张俊

(1.辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105;2 东南大学机械工程学院，江苏南京211189)

0 引言

煤炭业是我国经济的支柱产业之一，又是事故发生率极高的行业，据数据统计，我国煤矿发生的重大事故中，70%以上都与瓦斯有关。因此，提高瓦斯监测的质量尤为重要。随着互联网的发展，煤矿监测系统已逐渐由常规仪表监测、地面微机控制，向基于网络的远程监控发展。但目前各煤矿仍存在网络化程度较低，缺少统一的技术标准，通信协议不兼容等问题［1，2］。随着物联网的发展，全力构建煤矿安全生产物联网对提高煤矿信息化水平，促进煤矿安全具有重要意义［3］。

物联网是互联网的发展，能够实现“物”上网，它是通过传感器采集所需信息，并与互联网结合，同时具有智能处理能力的巨大网络。本文提出了一种基于物联网的瓦斯监控系统。该系统通过井下Zig Bee 进行无线组网，通过ARM9 处理器S3C2440 核心处理器接入Internet，采用了C/S 和B/S 相结合的方式，实现了既能在本地监控中心实时监控，又能通过任意一台可以上网的终端，如手机，PAD，PDA 等浏览WEB 页面进行监控。

1 系统硬件实现

本监控系统主要由井下无线传感器、井下终端控制板卡、矿服务器、矿监控终端和远程浏览器终端组成，组成框图如图1 所示。

瓦斯传感器获得瓦斯数据，通过Zig Bee 自组网方式将数据传输到井下控制终端板卡，控制板卡将数据通过局域网发送至矿服务器，服务器对数据进行接收、处理和储存，同时提供用户端与物联网设备之间的数据交换。

1.1 传感器选择

1.1.1 瓦斯传感器设计

图1 系统组成框图Fig 1 Block diagram of system configuration

设计选用MJC4/3.0L 型催化燃烧元件，工作电压为(3.0 ±0.1)V，工作电流为(120 ±10)mA。基本电路如图2所示，采用电桥测量的方法，MJC4/3.0L 与2 个匹配电阻构成电桥桥臂，当有瓦斯气体时，检测元件电阻升高，电桥输出电压升高，且电压变化与瓦斯体积分数变化呈正比。

图2 瓦斯传感器电路图Fig 2 Gas sensor circuit

1.1.2 无线传感器网络设计

Zig Bee 技术是一种近距离、低功耗、低成本的双向无线通信技术，非常适合工业控制领域。每个网络可存在254 个节点，每个节点间距离可达100 m，一个区域内可存在100 多个网络。射频芯片选择Zig Bee SoC CC2430，该芯片将所有功能部件集成在一起，不需要另外搭配MCU，从而减小了成本和PCB 面积及设计复杂性，提高了可靠性、抗干扰性。

CC2430 集成了 RF 收发器、8051MCU，128 kB flash，8 kB RAM，ADC，DMA 等，工作频段为 2.5 GHz，采用低电压(2.0 ～3.6 V)供电，硬件支持 CSMA/CA 和 RSSI/LQI 功能［4］。

CC2430 的射频接口采用差分输出，设计了一个不平衡变压器以满足采用单端不平衡天线时50 Ω 的特性阻抗要求，如图3 所示。

1.2 井下终端控制板卡设计

图3 不平衡变压器原理图Fig 3 Principle diagram of unbalanced transformer

该板卡选择三星公司的ARM9 系列嵌入式芯片S3C2440，Zig Bee 无线模块通过 UART 接口将传感器数据发送给板卡，板卡再将数据通过TCP/IP 协议，经光缆发送到地面矿服务器。由于S3C2440 未集成MAC 控制器，选择DM9000CEP 以太网控制芯片。该芯片集成度高、成本低、全双工工作方式，支持1/16/32 位数据总线，带有MII 接口与外部 10/100MPHY 芯片相连接，DM9000CEP 通过S16116G 以太网滤波器/变压器接入网络。井下终端板卡硬件结构图如图4 所示。

图4 井下终端板卡硬件结构图Fig 4 Hardware structure diagram of underground terminal board

2 系统软件算法

2.1 Zig Bee 无线组网算法

井下瓦斯传感器信号通过Zig Bee 无线传输，由于井下可能会有数量众多的传感器，必须要考虑避免数据发生冲突。设计采用免冲突载波检测多路接入(CSMA/CA)算法，算法中节点通过竞争方式使用信道，当节点需要发送数据而信道被占用时，就侦听信道，直到信道空闲数据发送或放弃发送，此方式数据发送时延小［5］。当一个节点准备发送数据时，首先退避一段时间，退避时间为N 个退避周期，退避周期为固定长度Tback，N 为0 到2BE－1 之间的一个随机整数，BE 在初始化程序时赋值。由此可见，每个节点的退避时间长度是一个范围有限的随机数，可以较大概率地避免冲突的发生。当退避过程结束后，如果信道空闲，则节点发生数据;否则，开始下一轮的退避。为避免无休止地进行退避，设置BE≤15，退避次数M，当退避次数大于M 值时，放弃发送。最大退避时间为

2.2 井下终端板卡软件设计

设计采用嵌入式Windows CE6.0 系统，该系统可移植性强，采用多任务多线程的工作方式，具有良好的图形界面，操作简单方便。使用Platform Builder 软件，导入厂商提供的BSP 包，根据系统需要对BSP 包和操作系统内核进行适当裁剪和添加，然后完成操作系统的编译。将生成的NK.bin 和NK.nb0 下载到板卡中，即完成了终端板卡操作系统的定制［6］。

终端板卡的一个重要功能是将数据发送到服务器，使用套接字(WinSock)可方便地进行网络化开发。使用Win－Sock 进行网络通信，必须先进行初始化，包括定义变量、创建套接字和绑定通信地址:

2.3 服务器端软件设计

井下终端板卡将数据发送到矿服务器后，服务器一方面通过数据库(SQL)对数据进行接收、处理和储存，另一方面要通过矿监控屏显示监控数据，并允许用户通过网络访问。

选用Microsoft SQL Serve 数据库平台，该平台支持用户机/服务器体系结构，提供对WEB 的支持，用户界面图形化，具有丰富的程序接口［7］。

将数据库中存储的数据主要分为:煤矿基本信息、监控人员基本信息、实时监控信息、历史监控信息等。其中，实时监控数据表结构如表1 所示。

表1 实时监控数据结构表Tab 1 Structure sheet of real-time monitoring datas

数据库的访问主要使用ADO.NET 技术，ADO 是一个COM 动态库，在开发程序前先初始化COM 环境，通常通过CoInitialize(NULL)函数来实现初始化;在程序的最后，一般通过代码CoUninitialize()将COM 环境释放。在完成COM环境初始化之后，就可以使用ADO 中Connection 对象的Open 方法来连接数据库。成功连接数据库之后，即可通过指针方便地对数据表进行操作。

2.4 用户访问软件设计

C/S 和B/S 是当今两大主流技术构架，C/S(Client/Server)结构，即客户机/服务器结构，将任务分配到两端来实现，一般限于局域网，需要开发相应的客户端软件。本设计中，煤矿监控中心基于PC 机监控软件采用此构架完成。但是该客户端软件只能在矿监控中心使用，监控人员不能随时随地查看数据。B/S(Browser/Server)结构，即浏览器和服务器结构，这种结构中，用户通过任何一个可上网的终端就可浏览WEB 界面随时查看数据，一般无需任何用户程序，其他事件都在服务器端实现，减少了客户端的任务，易于在手机、PDA 等移动设备上实现，其缺点是服务器负担较重［8］。根据煤矿瓦斯监控的需求，仅采用任何一种结构都是存在缺项的，因此，本设计采用C/S 和B/S 回混合模式。

在客户端程序设计中，通过 ADO.NET，使用.NET Framework 提供的4 个核心对象对数据库进行访问操作。其中，Connection 连接对象，对数据源访问;Command 命令对象，对数据源进行更新、插入和删除等;DataReader 数据库读取对象，从数据库中提取数据;DataAdapter 将DataSet 更新至数据库［9］。

在网页设计中，前端采用ASP.NET 开发页面，后端采用ADO.NET 操纵数据库。根据功能要求，网站主要分为登陆界面、密码修改界面、瓦斯气体检测界面、历史数据等界面。