基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

周云科， 楊林靖， 張恩迪

(湖南大學(xué) 物理與微電子科學(xué)學(xué)院 微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)的煤礦透水、瓦斯爆炸等事故頻發(fā)，傷亡慘重[1]。煤礦的安全因素復(fù)雜多樣，監(jiān)控系統(tǒng)的功能和可靠性非常重要。當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在礦井安全監(jiān)控方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛。嵌入式系統(tǒng)因其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，非常適合高精準(zhǔn)的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。Zig Bee技術(shù)以其自組織、低功耗、低成本等特點(diǎn)贏(yíng)得了市場(chǎng)。3G技術(shù)具有利用率高、安全性強(qiáng)、傳輸速率高、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量無(wú)線(xiàn)通信。以往的煤礦安全監(jiān)控沒(méi)有很好的組合使用上述技術(shù)，并且只是專(zhuān)門(mén)的圖像監(jiān)控或者部分?jǐn)?shù)據(jù)監(jiān)控。董翠英[2]提出了煤礦視頻監(jiān)控；張國(guó)軍等人[3]提出了瓦斯監(jiān)控；趙丁等人[4]雖然有溫濕度和瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控，但是沒(méi)有涉及3G技術(shù)；馬永力[5]雖然使用了3G技術(shù)，但傳感器是分立的，沒(méi)有利用好Zig Bee技術(shù)；汪玉鳳等人[6]雖然提出有Zig Bee技術(shù)和較全面的數(shù)據(jù)監(jiān)控，但是沒(méi)有視頻監(jiān)控部分。上述組合技術(shù)在礦井安全監(jiān)控方面應(yīng)用較少。此外，新的監(jiān)控結(jié)構(gòu)應(yīng)用也相對(duì)很少。

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)Zig Bee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下溫濕度、瓦斯?jié)舛群鸵谎趸紳舛鹊臄?shù)據(jù)監(jiān)控，并通過(guò)攝像頭對(duì)礦井作業(yè)進(jìn)行監(jiān)控。ARM處理器通過(guò)3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡接入互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的客戶(hù)端可以對(duì)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和控制?？蛻?hù)端計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)分別采用B/B/S結(jié)構(gòu)和C/S結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由ARM9服務(wù)器、攝像頭、無(wú)線(xiàn)傳感器、3G模塊及客戶(hù)端組成，通過(guò)Zig Bee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，溫濕度、瓦斯、一氧化碳等傳感器置于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上采集礦井環(huán)境數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控設(shè)備采集井下作業(yè)信息，然后分別傳送至服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)接收的數(shù)據(jù)解析并存儲(chǔ)，服務(wù)器入網(wǎng)后，客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖l所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)采用三星S3C2440微處理器作為服務(wù)器，是基于A(yíng)RM9架構(gòu)的一種功能強(qiáng)大的處理器，采用ARM920T內(nèi)核，16 kB指令Cache(I-Cache)/16 kB數(shù)據(jù)Cache(D-Cache)。處理器內(nèi)部帶有全性能的MMU(內(nèi)存處理單元)，主頻為400 MHz，外接模塊也很方便。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

2.2 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

Zig Bee是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。系統(tǒng)選用CC2530作為通信芯片，用于2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zig Bee /RF4CE的第二代片上系統(tǒng)解決方案，結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器，標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 kB RAM和許多其它強(qiáng)大功能。不同的運(yùn)行模式使得它能適應(yīng)超低功耗系統(tǒng)。Zig Bee網(wǎng)絡(luò)一般分為星形(Star)、樹(shù)形(Tree)、網(wǎng)狀(Mesh)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 傳感器選擇

2.3.1 溫濕度傳感器

系統(tǒng)選用AM2303數(shù)字溫濕度傳感器，它是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高。其測(cè)濕范圍0 %～100 %RH，測(cè)溫范圍-40～100 ℃。

2.3.2 瓦斯傳感器

系統(tǒng)選用MJC4/3.0L型瓦斯傳感器，根據(jù)催化燃燒效應(yīng)原理，橋路輸出電壓呈線(xiàn)性，響應(yīng)速度快，廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多種氣體濃度檢測(cè)。器件由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的2個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓隨氣體體積分?jǐn)?shù)增大而呈正比。

2.3.3 一氧化碳傳感器

系統(tǒng)采用NAP—505電化學(xué)式一氧化碳傳感器，它廣泛適合于工業(yè)領(lǐng)域的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)。原理與常規(guī)的一樣，但新構(gòu)造降低了電解液泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。具有高精度、高靈敏度、低成本等特性。該傳感器對(duì)一氧化碳的靈敏度很高，測(cè)量范圍為(0～1000)×10-6經(jīng)查成人能承受的最大含量為50×10-6。

2.4 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]的基本組成單元，實(shí)現(xiàn)礦井環(huán)境信息的感知、采集、處理及無(wú)線(xiàn)通信功能，包括傳感器、單片機(jī)、電源模塊和Zig Bee模塊等部分。傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)礦井內(nèi)部的溫濕度、瓦斯以及一氧化碳等信息進(jìn)行采集，然后經(jīng)過(guò)微處理器處理，通過(guò)Zig Bee無(wú)線(xiàn)通信模塊傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。由于井下地形復(fù)雜，可設(shè)置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)電路圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)電路圖

2.5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能是接收傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息并處理，然后將信息壓縮成數(shù)據(jù)包后轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶(hù)端，客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)礦井內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)距離監(jiān)控客戶(hù)端比較遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)功能較多，所以,它的處理、存儲(chǔ)和通信等能力必須可靠。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)電路圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)電路圖

2.6 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控模塊

為滿(mǎn)足管理部門(mén)對(duì)井下施工控制和管理的要求，系統(tǒng)加裝了攝像頭，以此加強(qiáng)對(duì)井下作業(yè)的安全監(jiān)控。設(shè)計(jì)選用中星微ZC301攝像頭。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)將ARM服務(wù)器置于礦井下面，攝像頭直接通過(guò)USB線(xiàn)與ARM9服務(wù)器連接。

2.7 3G無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)模塊

ARM服務(wù)器通過(guò)3G網(wǎng)卡接入互聯(lián)網(wǎng)，其信號(hào)覆蓋面廣，通信質(zhì)量高。系統(tǒng)3G無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)模塊選用華為EM820內(nèi)置卡，支持HSUPA/HSDPA,同時(shí)也適用于GSM/GPRS/EDGE和WCDMA(HSPA+)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)運(yùn)行在WCDMA制式時(shí)，能夠承載上下行非對(duì)稱(chēng)數(shù)據(jù)傳輸能力，是目前速率最快的3G模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式分為休眠、喚醒和正常3種。若無(wú)數(shù)據(jù)傳送時(shí)，其處于休眠狀態(tài)，處理器也停止工作，射頻模塊處于低電流接收狀態(tài)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，該設(shè)備被喚醒并判斷是否是目的節(jié)點(diǎn)，如果是，則轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集并傳送；如果否，則對(duì)該消息轉(zhuǎn)發(fā)后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

圖6 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件流程

3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部Internet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)2種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。它通過(guò)Zig Bee短距離無(wú)線(xiàn)通信模式與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互、接收、處理相關(guān)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)3G模塊聯(lián)網(wǎng)并遠(yuǎn)程傳送給監(jiān)控客戶(hù)端。當(dāng)監(jiān)控客戶(hù)端有命令下達(dá)時(shí)，再將這些控制命令轉(zhuǎn)換后發(fā)送給礦井內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖6所示。

3.3 無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)算法設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)較多，所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)只通過(guò)同一個(gè)Zig Bee模塊傳輸容易引發(fā)信道沖突。目前一般都是采用CSMA/CA的算法來(lái)避免沖突。由于該算法的局限性，共享信道的爭(zhēng)搶非常激烈，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。所以，系統(tǒng)采用改進(jìn)型的CSMA/CA算法，即基于時(shí)隙分組的改進(jìn)型的CSMA/CA算法。該算法原理是將超幀結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)周期(CAP)中的16個(gè)時(shí)隙進(jìn)行分組，給每個(gè)超幀開(kāi)始時(shí)退避指數(shù)(BE)一個(gè)隨機(jī)值，并在此后的每個(gè)時(shí)隙分組中BE按一定規(guī)律變化，從而使得各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行信道訪(fǎng)問(wèn)時(shí)能夠從不同的退避區(qū)間中選取自己的隨機(jī)退避時(shí)間，降低設(shè)備之間退避時(shí)間的重合概率，相當(dāng)于將原始的CSMA/CA算法中選取初始BE值得固定過(guò)程改變?yōu)橐粋€(gè)隨機(jī)過(guò)程。該算法基于超幀時(shí)隙分組，動(dòng)態(tài)隨機(jī)分配退避指數(shù)BE，減少了數(shù)據(jù)重傳和信道檢測(cè)次數(shù)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)信道的利用率，也降低了節(jié)點(diǎn)能耗。

3.4 視頻監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

由于Linux2.6.12內(nèi)核版本中沒(méi)有ZC301型攝像頭的驅(qū)動(dòng)，需要重新加載。其驅(qū)動(dòng)是SPCA5XX，針對(duì)嵌入式環(huán)境，還需要打補(bǔ)丁(patch：usb-2.6.12LE06.patch.tar.gz)，再通過(guò)menu configure命令在上位機(jī)Linux系統(tǒng)下進(jìn)行內(nèi)核配置，重新編譯，然后把內(nèi)核重新寫(xiě)入開(kāi)發(fā)板。此外，系統(tǒng)采用了UVC(USB video device class)的驅(qū)動(dòng)V4L2(Video4Linux2)框架，它提供了一套統(tǒng)一的API接口規(guī)范，包括一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和底層V4L2驅(qū)動(dòng)接口，視頻應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用API即可操作各種不同的視頻捕獲設(shè)備。作業(yè)圖像采集程序的流程圖如圖7所示。

圖7 作業(yè)圖像采集流程圖

4 服務(wù)器/客戶(hù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)器主要接收并存儲(chǔ)WSNs和視頻設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，客戶(hù)端通過(guò)Internet與服務(wù)器進(jìn)行交互。應(yīng)用程序使用傳輸層的TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，TCP協(xié)議的特性是能夠提供可靠的、面向連接、字節(jié)流傳送服務(wù)，能在2個(gè)通信的主機(jī)之間建立點(diǎn)到點(diǎn)連接。首先在客戶(hù)端與服務(wù)器之間建立連接，兩者通過(guò)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，最后結(jié)束連接。系統(tǒng)的ARM9服務(wù)器、監(jiān)控終端計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)分別對(duì)應(yīng)服務(wù)器和客戶(hù)端。

4.1 計(jì)算機(jī)客戶(hù)端監(jiān)控

C/S(Client/Server)和B/S(Browser/Server)是目前兩大主流構(gòu)架。C/S[8]結(jié)構(gòu)開(kāi)放度只到開(kāi)發(fā)應(yīng)用初級(jí)，不同操作系統(tǒng)需要不同客戶(hù)端軟件，成本高。但其可充分利用硬件優(yōu)勢(shì)，降低通信成本。B/S結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地信息查看。系統(tǒng)將B/S結(jié)構(gòu)和C/S結(jié)構(gòu)結(jié)合為3層B/S結(jié)構(gòu)[9]，即B/S/S(瀏覽器/服務(wù)器/服務(wù)器)，便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)充。第一層為瀏覽器，負(fù)責(zé)以WEB方式提供應(yīng)用服務(wù)界面，用戶(hù)通過(guò)權(quán)限后，可隨時(shí)隨地通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的安全監(jiān)控。中間層是功能層服務(wù)器，即公共網(wǎng)關(guān)接口，該接口是在WEB服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)的，是客戶(hù)端和數(shù)據(jù)庫(kù)之間數(shù)據(jù)交互的紐帶。第三層為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，存放各種數(shù)據(jù)包括歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。三層B/S結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 三層B/S結(jié)構(gòu)圖

4.2 手機(jī)客戶(hù)端監(jiān)控

隨著智能手機(jī)技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)監(jiān)控客戶(hù)端越來(lái)越普遍,主要是通過(guò)手機(jī)客戶(hù)端軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)顯示并發(fā)出控制命令。設(shè)計(jì)采用QT編寫(xiě)手機(jī)客戶(hù)端界面，用戶(hù)可通過(guò)手機(jī)界面對(duì)礦井監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史查詢(xún)等，也可發(fā)送傳感器節(jié)點(diǎn)的控制命令。

5 測(cè)試結(jié)果

將系統(tǒng)連通后測(cè)試，用戶(hù)可使用入網(wǎng)的計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)服務(wù)器，查看實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)以及作業(yè)圖像。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，只對(duì)一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)每2 min更新一次，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)果分析可知，各監(jiān)控參數(shù)變化較小，且視頻數(shù)據(jù)也相對(duì)流暢。說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確檢測(cè)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信功能。系統(tǒng)成本較低，控制精度也達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以ARM9為服務(wù)器，充分利用Zig Bee技術(shù)和3G技術(shù)的強(qiáng)大功能，組合使用，對(duì)礦井不同數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)作為監(jiān)控客戶(hù)端，設(shè)計(jì)了一種新型的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)客戶(hù)端采用新的B/B/S架構(gòu)，系統(tǒng)組網(wǎng)方便，數(shù)據(jù)傳輸速度快。相比傳統(tǒng)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)技術(shù)組合性和創(chuàng)新性強(qiáng)，容易擴(kuò)展，穩(wěn)定可靠。

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