基于GPRS和WSN的矿井安全监测系统的设计

董孝琪 邓春伟 赵海池 刘婷婷

0 引言

近年来，随着我国经济的快速发展，煤炭的消费量持续增加。但是，在实际的煤炭生产过程中，矿难事故不断的发生。因此，我们不得不将更多的注意力放到煤炭生产的安全问题上。矿难的原因有多种多样，其中由于瓦斯而引起的矿难事故占到了相当大的比重，而且井下的过高温度也是很大的隐患，气体的湿度也对井下的环境起到很大的作用，如果湿度过低则井下的粉尘会很大，影响井下工作人员的身体健康，而且容易引起爆炸。矿井坍塌事故也屡见不鲜。本设计就基于WSN和GPRS技术对矿井安全监测进行研究。

1 系统设计

采用物联网相关技术，实现对矿井内的易燃气体浓度的监控，温湿度的监控和震动的监控，为井下作业的安全保驾护航。利用到了ZigBee技术、无线传感器技术、WiFi技术、RFID技术及GPRS技术对矿井内的安全进行监测和人员的定位。利用ZigBee的无线传输技术，通过传感器模块采集矿井内部的信息数据，在上位机上显示采集的数据。一但井下发生险情，通过GPRS模块为相关工作人员的手机终端发送短信，第一时间通知工作人员进行抢修。利用RFID技术确定人员的位置信息并在上位机中显示工作人员的位置。尽可能的最大化救出人的概率。

1.1系统硬件设计

结合实际根据各部分的不同功能可把该系统大致分为两个部分，分别是传感器采集数据与RFID定位部分和GPRS报警模块部分。共包含两个数据节点，两个数据节点通过ZigBee协调器进行数据传输到上位机。节点一和节点二实时采集井下的信息，通过ZigBee模块将采集到的信息数据通过协调器传输给上位机，由上位机判断是否报警，如果报警则通过WiFi信号给报警模块发送报警指令，由报警模块的WiFi模块接收数据，然后通過报警模块给手机终端发送短信进行报警。整体流程如图1-1所示。

（1）井下信息采集部分

本部分包含两个节点，节点中包括传感器模块，ZigBee模块，单片机最小系统模块和RFID定位模块。传感器模块中包含一个DHT11温湿度传感器，MQ2烟雾传感器和SW-18010P振动传感器。井下信息采集部分流程图如图1-2所示。

传感器模块用于采集井下的温湿度、气体浓度、震动强度等信息;

ZigBee模块的作用是将传感器模块感知的数据通过协调器回传至上位机显示;

单片机最小系统模块控制RFID模块，使其能正常工作;

RFID定位模块来确定下井人员的位置，通过ZigBee模块将数据传输到协调器中在上位机中显示。

（2）报警模块部分

本部分由两块STC89C52RC单片机，电源模块，SIM900A芯片和WIFI模块组成。当上位机中发现异常时，通过WIFI信号发出报警指令，由报警模块中的WIFI模块接收信号，由第一块单串口单片机处理信息，传给第二块单串口的单片机，由第二块单片机控制SIM900A芯片给手机终端发送短信。

软件程序是设计的命令，硬件功能的实现需要通过软件程序的控制。本系统中软硬件皆采用模块化，按照这一思想将功能不同的电路分成了不同的模块，使用软件编译运行调试程序，保证硬件的正常工作。

1.2传感器软件设计

传感器模块的采集程序包括四个数据：温度、湿度、有无震动和二氧化碳含量。在本设计中三个传感器共用了一个开关，以节约成本，也使操作更为方便。

在气体浓度采集这部分是对MQ2烟雾传感器程序的编写，MQ2烟雾传感器是用来采集井下的气体浓度信息的。系统开始初始化，然后开始判断是否需要采集井下的烟雾浓度数据信息，其实就是开关是否打开的过程。当开关打开后，待系统稳定后，由ZigBee模块给传感器发送一个工作指令，使传感器切换到高速响应模式，然后各个传感器开始工作采集数据信息，将信息由下方的ZigBee模块将发送出去，由协调器接收ZigBee模块发来的数据信息在由上位机进行数据处理并显示。

在震动强度采集这部分是对SW-1080P震动传感器程序的编写，SW-1080P震动传感器是用来采集井下的有无振动信息的。系统开始初始化，然后开始判断是否需要采集井下的震动数据信息，其实就是开关是否打开的过程。当开关打开后，待系统稳定后，由ZigBee模块给传感器发送一个工作指令，使传感器切换到高速响应模式，然后各个传感器开始工作采集数据信息，将信息由下方的ZigBee模块将发送出去，由协调器接收ZigBee模块发来的数据信息在由上位机进行数据处理并显示。

协调器是接收和发送数据到上位机端的重要工具。协调器先发送指令，协调器内的CC2530芯片进入初始化，各个ZigBee模块准备开始组网，接收指令的ZigBee模块开始进入组网状态，若节点上的传感器模块或者RFID模块有数据回传，则经由协调器在上位机上显示采集到的温湿度、CH4含量、震动强度、下井人员位置信息等数据。协调器相当于一个汇聚中心，把接收到的数据如实传给显示装置。

SIM900A芯片用于报警模块当中，一但井下发生险情，报警模块通过WiFi模块接收到报警信息，通过单片机1进行数据分析，发送给单片机2是否发出报警指令，如果发出报警，则控制SIM900A芯片给手机终端发送短信。

2系统调试

系统分别对硬件、软件系统进行单元测试，最后通过集成测试，对系统进行功能测试、需求测试。上位机的编写使用的是Visual Studio 2013软件，编译运行成功后生成上位机界面，在上位机中可以显示温湿度，气体浓度，有无振动，下井工作人员的位置等信息。上位机界面包括如下几个功能：巷道一、巷道二的温度、湿度、气体浓度、震动等信息，可以调节不报警的取值范围，如果超出此范围，则在上位机上以显示红色字体来报警，还可以控制给手机端发布发送报警信息。可以自动的完成发短信报警的功能。

3结论

基于GPRS和WSN的矿井安全监测系统成功的完成了矿井内部的温湿度采集，可燃气体浓度的采集，震动信息，井下工作人员的定位和发短信报警等功能，将采集到的各项数据在上位机中显示，真正的为矿井安全进行监测。

参考文献：

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[2] 宋甜.基于Zigbee的无线传感器网络的研究[D].黑龙江大学.2012：34-40.

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[4] 周永.基于无线网络分析仪器在线升级的设计与实现[D].杭州电子科技大学.2011：35-40.

[5] 王三林.基于热点覆盖的无线网络的研究[D].中南大学.2014：23-30.

（黑龙江省大学生创新创业项目 项目名称：基于GPRS和WSN的矿井安全监测系统的设计项目编号：201913299051）