基于物联网的煤矿检测监控系统研究*

2015-02-26刘卫东孟晓静

电子器件 2015年3期

关键词：无线传感器网络物联网

刘卫东，张　薇，孟晓静，2

(1.中国矿业大学信电学院，江苏徐州221116; 2.中国矿业大学徐海学院，江苏徐州221116)

基于物联网的煤矿检测监控系统研究*

刘卫东1*，张薇1，孟晓静1，2

(1.中国矿业大学信电学院，江苏徐州221116; 2.中国矿业大学徐海学院，江苏徐州221116)

摘要:为了解决传统的煤矿监控系统存在的信息孤岛和被动监视的问题，本文提出了一种基于物联网的煤矿检测监控系统。系统主要由基于嵌入式平台的井下人员终端、环境检测设备、ZigBee路由器和ZigBee协调器、服务器、监控中心组成。在通讯协议上，采用Zigbee协议和高层自定义协议，使各组成部分之间实现了互联互通。本系统具有结构简单、工作可靠、便于维护等特点，对于我国矿井安全监测监控系统的现代化改造，提高矿井生产效率和经济效益具有重要意义。

关键词:物联网; ZigBee;无线传感器网络;监测监控系统

项目来源:中央高校基本科研业务费专项资金项目(2010QNA48) ;中国博士后基金项目(2011M500973) ;国家大学生创新性实验计划项目(201310290022)

煤炭在我国能源工业中，分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%。但由于我国一般采用地下开采，其生产环境恶劣，瓦斯突出、煤尘污染等安全隐患时刻威胁着井下工作人员的安全［1］。据统计，我国大型煤矿中高瓦斯矿井约占44.4%，约91.35%的矿井有煤尘爆炸危险，仅2010年全国瓦斯事故就有72起，死亡350人［2－3］。因此对煤矿进行安全监测非常重要。随着国家对煤矿安全重视程度的提高，作为煤矿安全六大系统之一的监测监控被强制执行。为确保煤矿安全生产、提高劳动效率、节约成本，对监测监控系统的信号传输方式从稳定性、安全性、高效性提出了较高的要求。目前很多煤矿的各种监控子系统自成体系，从传感器、分站、主站、信号形式、传输方式等都各方面存在不一致，严重限制了现代监控系统的发展［4－7］。

在这种需求背景下，物联网逐渐成为健康管理煤矿设备的一种技术手段。物联网指通过射频识别、红外感应器、全球定位系统等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网作为信息发展的新理念，将使信息获取方法和覆盖范围发生重大变化，各国纷纷看好其发展前景［8－10］。目前北京、上海、深圳等地都将物联网作为了信息产业发展的重点［11］。随着物联网的逐步推广，必将对煤矿设备健康管理产生深刻影响，包括其理念、技术、形态和效果，都将产生深刻变化，煤矿设备管理将迎来巨大的发展机遇。煤矿设备管理需要紧密关注物联网的发展，吸收相关技术和概念，结合不同的应用领域，创新应用模式，从技术发展、标准制定和推广应用等方面推动安防行业发展。

针对煤矿管理和监控领域重大需求，本文开发和设计出一套基于物联网的煤矿检测监控系统。该系统利用物联网技术将各个子系统有机地形成一个网络整体，确保信息的有效畅通，避免信息孤岛的出现。另外通过物联网传感器网络技术的应用解决了传统煤矿监控系统所一些固有的缺陷，实现了监控方式由被动到主动的转变，能够实现全天候不间断地监控，自动发现监控环境中的异常情况，来改善监控效果，同时减轻工作人员的负担，能够满足煤矿监控系统对于安全的要求。本文设计的基于物联网的煤矿检测监控系统通过传感器网络实现了信息互补与协同感知，大大降低了监控系统的不确定性和不可靠性，减少了由于单一传感器受信息量局限引起的误报错报和冲突，提升了对煤矿安全的快速监测和预警预报能力，为煤矿安全生产提供了强有力的保障。

1　基于物联网的煤矿检测监控系统总体方案

1.1系统设计目标

本文以物联网技术为核心，基于嵌入式工业平台，扩展外围硬件，开发相应的系统软件，构建了一款基于物联网的煤矿检测监控系统。该系统是监控网络由大量的传感器节点及视频监控构成，能够对矿井中主要的环境状态信息(包括: CO、H2S、SO2、NH3、CH4气体的浓度)进行采集和实时视频监控。经过Zigbee无线网络汇聚后，通过路由器和网关将采集到的环境状态信息和视频监控信息传输到监控中心。监控中心的中心站控制系统监控软件对采集到的数据进行处理。基于物联网的煤矿检测监控系统主要完成两个功能:一是信息采集功能，系统通过传感器和视频监控设备完成对煤矿井下环境状态信息、视频监控信息的采集;另外一个功能就是报警功能，监控中心的中心站控制系统监控软件对采集到的数据进行处理，如果发现异常，及时进行报警。

图1　系统总体框架图

1.2系统体系结构

图1为基于物联网的煤矿检测监控系统结构框图，该系统分为4个层次:信息采集层，信息传输层，服务器层，管理和决策层。其中信息采集层是整个系统的最底层，主要功能是实现数据的采集，将数据传输到上一层进行处理。环境检测设备用于实时感知井下的一氧化碳浓度、瓦斯浓度等。井下人员终端佩戴在井下人员手腕或者身上用于获得井下人员所在区域，及进行报警。在环境检测设备和井下人员终端中均设有ZigBee无线传输模块;信息传输层主要将信息采集层获得数据通过ZigBee无线传输技术，将所有数据传输到服务器。ZigBee路由器采用具有定位功能的CC2430无线单片机，用来接收井下人员终端的信号，并可向井下人员转发来自监控中心的指令。当ZigBee路由接收到信号时，内置于该模块中的单片机启动无线收发芯片CC2430，将所接收到的信号转发给ZigBee协调器或终端。ZigBee协调器通过CPI总线与监控中心的服务器相连，将来自ZigBee路由的数据传递到服务器。最后两层主要是方便监控中心实时了解发生异常的区域，查看井下情况，使监控人员做好应对突发情况的紧急措施。

基于物联网的煤矿检测监控系统在煤矿实际应用中的工作流程如图2所示。具体思路如下:通过ZigBee无线环境检测设备，对矿井环境状态信息(包括: CO、H2S、SO2、NH3、CH4气体的浓度)、井下人员位置信息等数据实现自动采集。实时灵活的ZigBee无线传感网络确保整个矿井各种信息的数字化，采集到的各种数据通过无线网络实时传送到地面的服务器，通过监控中心的中心站控制系统监控软件对采集到的数据进行处理，对可能存在的安全隐患和灾害做出及时的补救，并做出相应的告警，确保矿井高效安全生产。利用中心站控制系统监控软件，在监控中心以各种数据表现形式显示各种集成数据，有利于对煤矿安全生产的有效管理。

图2　系统工作流程

2　系统硬件和软件设计

本系统利用Zigbee构建起一个物联网无线传感器网络，Zigbee模块类似于移动网络基站。在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数据模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。基于Zigbee技术的无线传感器网络可最多容纳65 000个设备，且网络的自组织、自愈能力强，通信可靠，每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。在Zigbee网络中，包含3种节点类型:网关节点、网络协调节点、终端节点。

2.1硬件设计

Zigbee模块硬件电路包含井下人员终端节点模块、Zigbee路由器节点模块、Zigbee协调器节点模块。井下人员终端节点模块采集井下工作人员信息，通过无线传感器网络将信息传给Zigbee网关节点模块，最后通过串口将信息传给终端。整个模块包含传感器模块、电源模块、Atmega16最小系统模块和Zigbee节点。图3为井下人员终端节点模块电路原理图，图4为环境监测设备原理框图，图5为 Zigbee路由器节点模块原理框图，图6为Zigbee协调器节点模块电路原理图。

上述硬件电路中均需要用到ZigBee无线模块，该模块如图7所示。根据物联网煤矿检测监控系统的特殊性，系统中的ZigBee无线模块采用CC2431芯片。CC2431是专门针对IEEE802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案，经济且低功耗。该芯片支持ZigBee协议—ZigBee2007/PRO，ZigBee2007/PRO协议具有良好的互操作性、节点密度管理、数据负荷管理、频率捷变等特性，且具有支持网状网络和低功耗特点，并且具有定位功能。

物联网煤矿检测监控系统中的环境监测设备均设有ZigBee模块，将检测到的CO、H2S、SO2、NH3、CH4气体的浓度信息通过ZigBee无线模块传输到中心站。根据环境监测设备原理框图，我们设计了各种环境监测传感器。图8给出了物联网煤矿检测监控系统采用的CH4传感器，该传感器采用催化燃烧检测原理。

2.2软件设计

系统软件是整个监控系统的灵魂，是系统实现多功能的手段，基于物联网的煤矿检测监控系统软件主要解决系统通信的建立和监控各节点是否正常通信的问题。

图3　井下人员终端节点模块电路原理图

图4　环境监测设备原理框图

图5　Zigbee路由器节点模块原理框图

图6　Zigbee协调器节点模块电路原理图

图7　ZigBee无线模块

图8　传感器模块

中心站控制系统监控软件在Windows8操作系统下，采用Delphi7来编写，具有可定义大小的覆盖式窗口，弹出式菜单，鼠标支持，会话窗口，标准的击健处理和鼠标输入处理，并具有良好的中文界面，操作人员可以快速地在各个窗口之间进行切换，当系统出现故障时自动提示，可以方便地进行实时监控、及时处理。完成对整个基于物联网的煤矿检测监控系统进行全面的跟踪显示，并记录运行过程的相关数据。中心站的程序框图如图9所示。

在Win32环境下使用Win32API(应用程序接口)函数，实现串行通信的主要步骤如下:首先，利用CreateFile函数打开串行口，以确定本应用程序对此串行口的占有权，并封锁其他应用程序对此串口的操作;其次，通过GetCommState函数填充设备控制块DCB，再通过调用SetCommState函数配置串行口的波特率、数据位、校验位和停止位。然后，创建串行口监视线程监视串行口事件。在此基础上就可以在相应的串口上操作数据的传输;最后，用Close-Handle函数关闭串行口。

根据上述软件设计思想，设计了用于物联网煤矿检测监控系统的中心站控制系统监控软件。该软件的软件操作界面如图10所示，在该界面中的“环境监控信息”中可以通过选择不同的监控区域，查看实时的环境状态信息，包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4气体的浓度。在“视频监控”中可以通过选择不同的监控区域，查看实时视频监控。如果矿井中的环境监测设备监测到的气体(包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4)的浓度超过设置的门限值，那么在“监控信息发布平台”中，将出现闪烁的报警信息(采用红色字体表示)，并伴有警笛声。在第一个区域显示“报警的区域”和“报警人员”信息;在“报警区域环境信息”中，显示该区域所监测到的环境状态信息，其中红色字体表示浓度为超过门限值。在“系统设置”中，可以设置CO、H2S、SO2、NH3、CH4气体浓度的报警门限值，如图11所示。

图9　中心站程序框图

图10　中心站控制系统监控软件主操作界面

图11　系统设置界面

3　总结

本文设计了一款基于物联网的煤矿检测监控系统。系统总体有井下人员终端和环境检测设备、ZigBee路由器和ZigBee协调器、服务器、监控中心组成。其中，井下人员终端用于获得井下人员所在区域，及进行报警信息，并嵌有ZigBee无线发射模块。ZigBee路由器具有定位功能。。服务器端主要负责接收并存储终端采集和处理过的数据，在发生异常时，由服务器将异常信息向监控中心进行广播。监控中心主要负责统计、查看、管理监控信息，在发生异常时，能够进行报警，采取相应措施处理。该系统具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低廉等优点。

参考文献:

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