基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)研究*

劉衛(wèi)東，張　薇，孟曉靜，2

(1.中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇徐州221116; 2.中國礦業(yè)大學徐海學院，江蘇徐州221116)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)研究*

劉衛(wèi)東1*，張薇1，孟曉靜1，2

(1.中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇徐州221116; 2.中國礦業(yè)大學徐海學院，江蘇徐州221116)

摘要:為了解決傳統(tǒng)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)存在的信息孤島和被動監(jiān)視的問題，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由基于嵌入式平臺的井下人員終端、環(huán)境檢測設(shè)備、ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器、服務(wù)器、監(jiān)控中心組成。在通訊協(xié)議上，采用Zigbee協(xié)議和高層自定義協(xié)議，使各組成部分之間實現(xiàn)了互聯(lián)互通。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、便于維護等特點，對于我國礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造，提高礦井生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益具有重要意義。

關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng); ZigBee;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

項目來源:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(2010QNA48) ;中國博士后基金項目(2011M500973) ;國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目(201310290022)

煤炭在我國能源工業(yè)中，分別占一次能源生產(chǎn)和消費總量的76%和69%。但由于我國一般采用地下開采，其生產(chǎn)環(huán)境惡劣，瓦斯突出、煤塵污染等安全隱患時刻威脅著井下工作人員的安全［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國大型煤礦中高瓦斯礦井約占44.4%，約91.35%的礦井有煤塵爆炸危險，僅2010年全國瓦斯事故就有72起，死亡350人［2－3］。因此對煤礦進行安全監(jiān)測非常重要。隨著國家對煤礦安全重視程度的提高，作為煤礦安全六大系統(tǒng)之一的監(jiān)測監(jiān)控被強制執(zhí)行。為確保煤礦安全生產(chǎn)、提高勞動效率、節(jié)約成本，對監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的信號傳輸方式從穩(wěn)定性、安全性、高效性提出了較高的要求。目前很多煤礦的各種監(jiān)控子系統(tǒng)自成體系，從傳感器、分站、主站、信號形式、傳輸方式等都各方面存在不一致，嚴重限制了現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展［4－7］。

在這種需求背景下，物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為健康管理煤礦設(shè)備的一種技術(shù)手段。物聯(lián)網(wǎng)指通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)作為信息發(fā)展的新理念，將使信息獲取方法和覆蓋范圍發(fā)生重大變化，各國紛紛看好其發(fā)展前景［8－10］。目前北京、上海、深圳等地都將物聯(lián)網(wǎng)作為了信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點［11］。隨著物聯(lián)網(wǎng)的逐步推廣，必將對煤礦設(shè)備健康管理產(chǎn)生深刻影響，包括其理念、技術(shù)、形態(tài)和效果，都將產(chǎn)生深刻變化，煤礦設(shè)備管理將迎來巨大的發(fā)展機遇。煤礦設(shè)備管理需要緊密關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，吸收相關(guān)技術(shù)和概念，結(jié)合不同的應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)新應(yīng)用模式，從技術(shù)發(fā)展、標準制定和推廣應(yīng)用等方面推動安防行業(yè)發(fā)展。

針對煤礦管理和監(jiān)控領(lǐng)域重大需求，本文開發(fā)和設(shè)計出一套基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各個子系統(tǒng)有機地形成一個網(wǎng)絡(luò)整體，確保信息的有效暢通，避免信息孤島的出現(xiàn)。另外通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)所一些固有的缺陷，實現(xiàn)了監(jiān)控方式由被動到主動的轉(zhuǎn)變，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候不間斷地監(jiān)控，自動發(fā)現(xiàn)監(jiān)控環(huán)境中的異常情況，來改善監(jiān)控效果，同時減輕工作人員的負擔，能夠滿足煤礦監(jiān)控系統(tǒng)對于安全的要求。本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了信息互補與協(xié)同感知，大大降低了監(jiān)控系統(tǒng)的不確定性和不可靠性，減少了由于單一傳感器受信息量局限引起的誤報錯報和沖突，提升了對煤礦安全的快速監(jiān)測和預(yù)警預(yù)報能力，為煤礦安全生產(chǎn)提供了強有力的保障。

1　基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

1.1系統(tǒng)設(shè)計目標

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，基于嵌入式工業(yè)平臺，擴展外圍硬件，開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，構(gòu)建了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由大量的傳感器節(jié)點及視頻監(jiān)控構(gòu)成，能夠?qū)ΦV井中主要的環(huán)境狀態(tài)信息(包括: CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度)進行采集和實時視頻監(jiān)控。經(jīng)過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)匯聚后，通過路由器和網(wǎng)關(guān)將采集到的環(huán)境狀態(tài)信息和視頻監(jiān)控信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。監(jiān)控中心的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)主要完成兩個功能:一是信息采集功能，系統(tǒng)通過傳感器和視頻監(jiān)控設(shè)備完成對煤礦井下環(huán)境狀態(tài)信息、視頻監(jiān)控信息的采集;另外一個功能就是報警功能，監(jiān)控中心的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，如果發(fā)現(xiàn)異常，及時進行報警。

圖1　系統(tǒng)總體框架圖

1.2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖1為基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，該系統(tǒng)分為4個層次:信息采集層，信息傳輸層，服務(wù)器層，管理和決策層。其中信息采集層是整個系統(tǒng)的最底層，主要功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴弦粚舆M行處理。環(huán)境檢測設(shè)備用于實時感知井下的一氧化碳濃度、瓦斯?jié)舛鹊?。井下人員終端佩戴在井下人員手腕或者身上用于獲得井下人員所在區(qū)域，及進行報警。在環(huán)境檢測設(shè)備和井下人員終端中均設(shè)有ZigBee無線傳輸模塊;信息傳輸層主要將信息采集層獲得數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸技術(shù)，將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。ZigBee路由器采用具有定位功能的CC2430無線單片機，用來接收井下人員終端的信號，并可向井下人員轉(zhuǎn)發(fā)來自監(jiān)控中心的指令。當ZigBee路由接收到信號時，內(nèi)置于該模塊中的單片機啟動無線收發(fā)芯片CC2430，將所接收到的信號轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器或終端。ZigBee協(xié)調(diào)器通過CPI總線與監(jiān)控中心的服務(wù)器相連，將來自ZigBee路由的數(shù)據(jù)傳遞到服務(wù)器。最后兩層主要是方便監(jiān)控中心實時了解發(fā)生異常的區(qū)域，查看井下情況，使監(jiān)控人員做好應(yīng)對突發(fā)情況的緊急措施。

基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦實際應(yīng)用中的工作流程如圖2所示。具體思路如下:通過ZigBee無線環(huán)境檢測設(shè)備，對礦井環(huán)境狀態(tài)信息(包括: CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度)、井下人員位置信息等數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動采集。實時靈活的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)確保整個礦井各種信息的數(shù)字化，采集到的各種數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)實時傳送到地面的服務(wù)器，通過監(jiān)控中心的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，對可能存在的安全隱患和災(zāi)害做出及時的補救，并做出相應(yīng)的告警，確保礦井高效安全生產(chǎn)。利用中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件，在監(jiān)控中心以各種數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式顯示各種集成數(shù)據(jù)，有利于對煤礦安全生產(chǎn)的有效管理。

圖2　系統(tǒng)工作流程

2　系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計

本系統(tǒng)利用Zigbee構(gòu)建起一個物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，Zigbee模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展?；赯igbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可最多容納65 000個設(shè)備，且網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強，通信可靠，每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，包含3種節(jié)點類型:網(wǎng)關(guān)節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點、終端節(jié)點。

2.1硬件設(shè)計

Zigbee模塊硬件電路包含井下人員終端節(jié)點模塊、Zigbee路由器節(jié)點模塊、Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊。井下人員終端節(jié)點模塊采集井下工作人員信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將信息傳給Zigbee網(wǎng)關(guān)節(jié)點模塊，最后通過串口將信息傳給終端。整個模塊包含傳感器模塊、電源模塊、Atmega16最小系統(tǒng)模塊和Zigbee節(jié)點。圖3為井下人員終端節(jié)點模塊電路原理圖，圖4為環(huán)境監(jiān)測設(shè)備原理框圖，圖5為 Zigbee路由器節(jié)點模塊原理框圖，圖6為Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊電路原理圖。

上述硬件電路中均需要用到ZigBee無線模塊，該模塊如圖7所示。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性，系統(tǒng)中的ZigBee無線模塊采用CC2431芯片。CC2431是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟且低功耗。該芯片支持ZigBee協(xié)議—ZigBee2007/PRO，ZigBee2007/PRO協(xié)議具有良好的互操作性、節(jié)點密度管理、數(shù)據(jù)負荷管理、頻率捷變等特性，且具有支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和低功耗特點，并且具有定位功能。

物聯(lián)網(wǎng)煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備均設(shè)有ZigBee模塊，將檢測到的CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度信息通過ZigBee無線模塊傳輸?shù)街行恼?。根?jù)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備原理框圖，我們設(shè)計了各種環(huán)境監(jiān)測傳感器。圖8給出了物聯(lián)網(wǎng)煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)采用的CH4傳感器，該傳感器采用催化燃燒檢測原理。

2.2軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件是整個監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂，是系統(tǒng)實現(xiàn)多功能的手段，基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要解決系統(tǒng)通信的建立和監(jiān)控各節(jié)點是否正常通信的問題。

圖3　井下人員終端節(jié)點模塊電路原理圖

圖4　環(huán)境監(jiān)測設(shè)備原理框圖

圖5　Zigbee路由器節(jié)點模塊原理框圖

圖6　Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊電路原理圖

圖7　ZigBee無線模塊

圖8　傳感器模塊

中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件在Windows8操作系統(tǒng)下，采用Delphi7來編寫，具有可定義大小的覆蓋式窗口，彈出式菜單，鼠標支持，會話窗口，標準的擊健處理和鼠標輸入處理，并具有良好的中文界面，操作人員可以快速地在各個窗口之間進行切換，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時自動提示，可以方便地進行實時監(jiān)控、及時處理。完成對整個基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)進行全面的跟蹤顯示，并記錄運行過程的相關(guān)數(shù)據(jù)。中心站的程序框圖如圖9所示。

在Win32環(huán)境下使用Win32API(應(yīng)用程序接口)函數(shù)，實現(xiàn)串行通信的主要步驟如下:首先，利用CreateFile函數(shù)打開串行口，以確定本應(yīng)用程序?qū)Υ舜锌诘恼加袡?quán)，并封鎖其他應(yīng)用程序?qū)Υ舜诘牟僮?其次，通過GetCommState函數(shù)填充設(shè)備控制塊DCB，再通過調(diào)用SetCommState函數(shù)配置串行口的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位。然后，創(chuàng)建串行口監(jiān)視線程監(jiān)視串行口事件。在此基礎(chǔ)上就可以在相應(yīng)的串口上操作數(shù)據(jù)的傳輸;最后，用Close-Handle函數(shù)關(guān)閉串行口。

根據(jù)上述軟件設(shè)計思想，設(shè)計了用于物聯(lián)網(wǎng)煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)的中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件。該軟件的軟件操作界面如圖10所示，在該界面中的“環(huán)境監(jiān)控信息”中可以通過選擇不同的監(jiān)控區(qū)域，查看實時的環(huán)境狀態(tài)信息，包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度。在“視頻監(jiān)控”中可以通過選擇不同的監(jiān)控區(qū)域，查看實時視頻監(jiān)控。如果礦井中的環(huán)境監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到的氣體(包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4)的濃度超過設(shè)置的門限值，那么在“監(jiān)控信息發(fā)布平臺”中，將出現(xiàn)閃爍的報警信息(采用紅色字體表示)，并伴有警笛聲。在第一個區(qū)域顯示“報警的區(qū)域”和“報警人員”信息;在“報警區(qū)域環(huán)境信息”中，顯示該區(qū)域所監(jiān)測到的環(huán)境狀態(tài)信息，其中紅色字體表示濃度為超過門限值。在“系統(tǒng)設(shè)置”中，可以設(shè)置CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體濃度的報警門限值，如圖11所示。

圖9　中心站程序框圖

圖10　中心站控制系統(tǒng)監(jiān)控軟件主操作界面

圖11　系統(tǒng)設(shè)置界面

3　總結(jié)

本文設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦檢測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)總體有井下人員終端和環(huán)境檢測設(shè)備、ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器、服務(wù)器、監(jiān)控中心組成。其中，井下人員終端用于獲得井下人員所在區(qū)域，及進行報警信息，并嵌有ZigBee無線發(fā)射模塊。ZigBee路由器具有定位功能。。服務(wù)器端主要負責接收并存儲終端采集和處理過的數(shù)據(jù)，在發(fā)生異常時，由服務(wù)器將異常信息向監(jiān)控中心進行廣播。監(jiān)控中心主要負責統(tǒng)計、查看、管理監(jiān)控信息，在發(fā)生異常時，能夠進行報警，采取相應(yīng)措施處理。該系統(tǒng)具有實時性強、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、互操作性好、價格低廉等優(yōu)點。

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劉衛(wèi)東(1976－)，男，山東東營人，中國礦業(yè)大學信電學院副教授，博士，碩士生導師，研究方向為聲發(fā)射信號處理、監(jiān)測監(jiān)控。

中圖分類號:

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0718－07

收稿日期:2014－修改日期: 2014－