基于嵌入式的井下环境监测系统设计

武风波 吕茜彤

摘  要： 井下环境对于施工人员的安全有较大的影响，设计一套井下环境监测系统并实现对于井下工作环境状况的实时监测。通过应用传感器技术、移动通信技术和嵌入式技术，设计井下环境数据移动监测终端、数据处理中心和井上数据监控中心。井下移动监测终端与数据处理之间通过无线通信方式实现数据传输，数据处理中心通过有线传输模块与数据监控中心进行数据交换、处理、分析。井上数据监测系统对井下采集的环境参数及图像进行实时分析并报警，性能稳定，且实现数据的远程发送。测试结果表明，系统设计合理、安装方便、节能环保，具有良好的可扩展性，能够满足井下施工环境对安全性、可靠性的需求，实现井下环境情况的监测、报警。

关键词： 井下环境; 嵌入式技术; ZigBee; 环境监测; 数据采集; 报警

中图分类号： TN919?34                         文献标识码： A                          文章编号： 1004?373X（2019）13?0042?05

Design of downhole environmental monitoring system based on embedded technology

WU Fengbo， L? Xitong

（College of Communication and Information Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： Since the downhole environment has great impact on the safety of construction personnel， a downhole environmental monitoring system is designed to realize the real?time monitoring of the downhole working environment. The sensor technology， mobile communication technology and embedded technology are used to design the mobile monitoring terminal of downhole environmental data， data processing center and data monitoring center on ground. The data transmission between downhole mobile monitoring terminal and data processing center is realized by means of wireless communication mode. The data processing center and data monitoring center can exchange， process， and analyze the data by means of wired transmission module. The data monitoring system on ground can realize the real?time analysis of the environment parameters and images collected from downhole， alarm and remote transmission of data. It has stable performance. The test results show that the system has the advantages of reasonable design， easy installation， energy conservation， environment protection and good expandability. The system can meet the requirements of safety and reliability for the downhole construction environment， and realize the monitoring and alarming of downhole environmental situation.

Keywords： downhole environment; embedded technology; ZigBee; environmental monitoring; data collection; alarming

0  引  言

我国煤炭、矿产资源丰富，煤炭在我国能源工业的应用中占一次能源生产总量的76%和消费总量的69%。但是我国对于煤炭的开采一般采用地下开采，开采环境恶劣、地下开采瓦斯浓度过高、开采产生的煤尘污染等一系列安全隐患无时无刻不威胁着井下工作人员的人身安全。据不完全统计，我国大型煤矿开采环境下，中高瓦斯矿井约占 44.4%，且大约有91.35%的开采矿井环境有煤尘爆炸危险，仅2017年全国瓦斯事故有219起，因此对煤矿作业的工作平台进行安全监测非常重要。

传统的矿井环境监测系统大多数为有线的连接方式，系统布线多、功耗大、施工复杂以及后期维护困难等。随着科技的发展，近年来物联网[1]逐渐成为健康管理煤矿设备的一种技术手段[2]，通过对地下矿井环境现场勘查，对井下环境以及有毒气体的分析，本文结合嵌入式技术、物联网技术、无线通信技术以及无线传感器[3]等，设计一套既能满足远程数据共享的井下矿井环境监测系统同时又能兼顾节能环保、操作简单以及性能稳定等需求的环境监测系统。

1  系统总体设计方案

本矿井环境监测系统由移动监测终端、数据处理中心和井上数据监控中心三部分组成。通过井下移动监测终端中央处理器包括的ZigBee模块，各个移动监测终端的ZigBee模块间组成MESH网络，在组成的MESH网络中形成一个局域网[4]，在此局域网中进行数据无线网络传输，实现从井下移动监测终端到井下数据处理中心的数据传输。数据处理中心接收到移动监测中心传来的数据通过有线网络传输模块将数据传到数据监控中心，数据监控中心对数据进行交换、分析、处理。系统整体组成框架如图1所示。

图1  井下环境监测系统组成框图

2  硬件设计

本系统硬件结构主要为移动监测终端部分的设计。

2.1  移动监测终端硬件设计

移动监测终端以Exynos?4412 Cortex?A9四核嵌入式处理器为核心，拓展ZigBee模块[5]、GPRS模块、传感器模块、报警模块、本安电源模块以及扩展接口[6]等模块，实现多个数据采集节点对数据的采集[7]，并对采集的数据进行无线接收、汇总、显示，并通过ZigBee模块在移动监测终端与数据处理中心形成MESH网络[8]，用MESH网络实现数据的无线发送，将数据发送至井下环境监测终端服务器。

井下监测终端组成框图如图2所示。

图2  监测终端组成框图

终端设计中选用三星公司的Exynos?4412 Cortex?A9四核嵌入式处理器，主频高达1.6 GHz。该CPU采用最新的32 nm HKMG工艺，性能强大，支持32 KB一级缓存，1 MB二级缓存，增强的VFP浮点体系结构内存控制器是新一代的规格DDR3/LPDDR3 1 600 MHz双端口，可提供12.8 GB/s高带宽，高分辨率下的高清视频解码、3D图形显示、高分辨率图形信号等，支持多种格式视频硬解码，1 080 P，支持MEPG?4/H.263/H.264编解码，3D图形核心整合了ARM 新一代的Mali?400，支持大量API，支持OpenG 2.0，OpenVG 1.1和OpenCL 1.1 Full Profile[9]。

1） ZigBee模块：选用TI公司的CC2530F256芯片，该芯片集ZigBee和RF4CE为一体，具有标准的增强型8051 CPU，256 KB FLASH程序存储器，系统自带编程闪存和8 KB RAM，具有2.4 GHz IEEE 802.15.4RF收发器，且具有多种运行模式，并且各种运行模式之间具有较短的转换时间，比较适应需要超低功耗要求的系统;支持2～3.6 V供電区间，并且具有3种电源的管理模式：唤醒模式0.2 mA、睡眠模式1 μA、中断模式0.4 μA。且具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，能够满足煤矿井下网络节点的建立和环境数据传输的需求。

2） GPRS模块：采用SIMCOM公司的SIM900A，其工作频率为GSM/GPRS 900/1 800 MHz，同时支持GPRS multi?slot class 10/8和GPRS mobile station class B，其GPRS class 10传输速率最大可达85.6 Kb/s（下行），可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。模块尺寸为24 mm×24 mm×3 mm，待机电流1.5 mA。此外，SIM900A支持串行接口、SPI接口及SIM卡接口。供应电压范围为3.2～4.8 V，操作温度范围为-40～85 ℃，同时GPRS模块可向绑定的手机发送报警信息，以便相关人员及时掌握井下环境状况。

3） 传感器模块：传感器模块主要由各类传感器组成，用于动态采集井下环境数据，如温湿度、CO浓度及瓦斯浓度等，包括温湿度传感器、瓦斯浓度传感器和CO浓度传感器。

温湿度传感器：选用基于数字模块采集技术和温湿度传感技术的数字温湿度传感器，型号是DHT11，该传感器具有极高的可靠性和稳定性。它采用单线制串行接口，数据传输简单，反应速度快，抗干扰能力强，采用4针单排引脚封装，体积小，功耗低。测量范围为20%～90% RH 0～50 ℃，信号传输距离可达20 m以上。

CO浓度传感器：选用CO气体检测专用传感器MQ?7，该传感器是一种半导体气体传感器，采用高低温循环检测方式低温（1.5 V加热）检测CO浓度，灵敏度高，性能稳定;采用树脂封装，工作温度为（20±2） ℃，环境相对湿度为（65%±5%） RH，检测浓度为10～1 000 ppm;工作电压为（5.0±0.1） V，其中，[VH]（高）为（5.0±0.1） V，[VL]（低）为（1.5±0.1） V。

瓦斯浓度传感器：采用半导体传感器MQ?4，该传感器采用导电率较低的气敏材料二氧化锡，对甲烷有很高的灵敏度，使用寿命长，性能稳定，工作温度为（20±2） ℃，环境相对湿度为（65%±5%） RH，检测浓度为300～10 000 ppm;工作电压为（5.0±0.1） V，[VH]（高）为（5.0±0.1） V，[VL]（低）为（1.5±0.1） V。

4） 报警模块：由BUZZER蜂鸣器和LED灯组成，井下环境正常时，蜂鸣器不响且LED灯保持不亮，当有异常发生时，蜂鸣器发出报警声音，同时LED不断闪烁。

5） 本安电源模块：主要为移动监测终端提供能量，是矿用本安安全型电源，主要由供电系统、DC/DC转换电路、充放电保护电路和本安电路组成。其中，供电系统采用5节锂离子电池组，提供19.5 V电压输入。

2.2  数据处理中心

数据处理中心主要用于接收并存储每个移动监测终端发出的环境状况信息，还用于将井下环境状况信息发送至井上数据监测中心。

2.3  数据监测服务器

井上环境数据监测服务器通过接收经过数据处理中心处理后发送至井上数据服务器的数据，首先进行服务器的配置，在完成服务器的配置后，就可以实现传输的数据在局域范围内可见。

3  软件设计

系统软件设计主要包括井下环境监测终端软件、数据处理中心软件和井上环境数据服务器软件三部分，三者之间的整体框架如图3所示。

图3  环境监测终端、数据处理中心和数据服务器框架图

3.1  移动监测终端软件设计

每个井下移动监测终端的安装位置不固定，有的安装在瓦斯等危险气体较容易涌出的位置，有的安装在井下工作人员所佩戴的矿灯上，有的安装在局部通风机等机械设备上，还有的安装于瓦斯涌出量变化较快的危险位置上。

井下移动监测终端主要负责采集矿井的温度、CO浓度和瓦斯浓度，并将采集到的数据发送给数据处理中心。井下环境移动监测终端系统运行在监测服务器上，整个移动监测终端硬件框架主要结合数据库服务器进行模块开发。

环境监测系统由监测管理软件和后台数据库组成，前者包括数据传输、处理和显示等模块。数据传输实现无线传感网络与监测系统间的数据交互，数据处理实现数据的获取、分析和转换等功能，数据的显示是实现煤矿井下环境监控的窗口，可显示井下检测到的实时数据。监测终端软件流程如图4所示。

图4  監测终端软件流程图

3.2  数据处理服务器软件设计

数据处理服务器作为井下环境数据分析处理的核心，主要完成从移动监测终端上传输过来的数据的接收，并对接收到的数据进行分析判断与预警，完成数据库设计等工作。数据处理服务器的各子功能模块之间进行协调工作，实现井下环境数据处理服务器的基本功能。数据处理服务器接收井下环境监测终端通过无线发送的数据，将接收到的数据与程序预先初始化设定的标准数据进行对比、分析，得出数据分析结果，如果传输的数据分析结果与标准范围内的数据不一致，服务器会通过报警装置发生报警，并且将存在异常的数据通过打包压缩，用无线设备发送给井下移动环境监测终端，井下环境监测终端将其存在问题的状态通过标红的形式显示在液晶屏上，并通过GPRS发送报警短信。

本设计通过在井下环境数据服务器软件中设计一个QTcpServer类，并创建QTcpServer类的一个实例，通过绑定服务器地址，监听IP地址和监测终端端口号，利用QT的信号和槽机制，实现数据连接的请求和数据预处理[10]。本软件的数据通信软件流程图如图5所示。

图5  服务器数据通信软件流程图

井下环境监测服务器主界面设计主要包括两个主页：移动监测终端采集的数据信息、报警信息。其中，各移动监测终端采集的数据信息反映出各监测终端上各个传感器的数值或当前状态及该服务器的名字和服务器对应的IP地址。

4  性能测试

在实验室模拟井下实际环境，井下环境移动监测终端、数据处理中心和数据服务器三端联合测试，在井下环境移动监测终端系统上，对于井下数据的采集、分析与接收，系统的报警以及数据的显示满足较高的实时性要求。ZigBee模块作为移动监测终端与数据处理中心的核心模块，模块整体运行良好，对于数据的接收和发送有良好的作用。

井下工作人员及移动监测终端的监管人员，可以通过登录自己的账号与密码，进入到系统统一的服务器系统，通过在井下移动监测终端对井下环境的各项参数进行分析、比对，实现对系统的预报警。

为了验证系统的实用性，在实验室密闭环境进行温度、CO浓度和瓦斯浓度的测试，通过登录界面进入监测服务器系统，在这里可以查看到井下各个采集节点通过环境移动监测终端汇总的各项传感器数值，并进行比对分析。如图6所示，显示各节点采集到的数据。

5  结  语

在模拟井下环境测试发现，井下环境监测系统运行稳定，能够实现井下环境各项参数的采集和无线传输，数据共享和远程监控。基于嵌入式技术、无线通信技术以及物联网技术实现的井下矿井环境监测系统在实时性和人性化监测上表现良好，具有广泛的社会使用价值。

图6  PC端显示各节点采集数据

参考文献

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