基于物聯網的煤礦檢測監控系統研究*

劉衛東，張　薇，孟曉靜，2

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

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基于物聯網的煤礦檢測監控系統研究*

劉衛東1*，張薇1，孟曉靜1，2

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

摘要:為了解決傳統的煤礦監控系統存在的信息孤島和被動監視的問題，本文提出了一種基于物聯網的煤礦檢測監控系統。系統主要由基于嵌入式平臺的井下人員終端、環境檢測設備、ZigBee路由器和ZigBee協調器、服務器、監控中心組成。在通訊協議上，采用Zigbee協議和高層自定義協議，使各組成部分之間實現了互聯互通。本系統具有結構簡單、工作可靠、便于維護等特點，對于我國礦井安全監測監控系統的現代化改造，提高礦井生產效率和經濟效益具有重要意義。

關鍵詞:物聯網; ZigBee;無線傳感器網絡;監測監控系統

項目來源:中央高校基本科研業務費專項資金項目(2010QNA48) ;中國博士后基金項目(2011M500973) ;國家大學生創新性實驗計劃項目(201310290022)

煤炭在我國能源工業中，分別占一次能源生產和消費總量的76%和69%。但由于我國一般采用地下開采，其生產環境惡劣，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］。據統計，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之一的監測監控被強制執行。為確保煤礦安全生產、提高勞動效率、節約成本，對監測監控系統的信號傳輸方式從穩定性、安全性、高效性提出了較高的要求。目前很多煤礦的各種監控子系統自成體系，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，嚴重限制了現代監控系統的發展［4－7］。

在這種需求背景下，物聯網逐漸成為健康管理煤礦設備的一種技術手段。物聯網指通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網作為信息發展的新理念，將使信息獲取方法和覆蓋范圍發生重大變化，各國紛紛看好其發展前景［8－10］。目前北京、上海、深圳等地都將物聯網作為了信息產業發展的重點［11］。隨著物聯網的逐步推廣，必將對煤礦設備健康管理產生深刻影響，包括其理念、技術、形態和效果，都將產生深刻變化，煤礦設備管理將迎來巨大的發展機遇。煤礦設備管理需要緊密關注物聯網的發展，吸收相關技術和概念，結合不同的應用領域，創新應用模式，從技術發展、標準制定和推廣應用等方面推動安防行業發展。

針對煤礦管理和監控領域重大需求，本文開發和設計出一套基于物聯網的煤礦檢測監控系統。該系統利用物聯網技術將各個子系統有機地形成一個網絡整體，確保信息的有效暢通，避免信息孤島的出現。另外通過物聯網傳感器網絡技術的應用解決了傳統煤礦監控系統所一些固有的缺陷，實現了監控方式由被動到主動的轉變，能夠實現全天候不間斷地監控，自動發現監控環境中的異常情況，來改善監控效果，同時減輕工作人員的負擔，能夠滿足煤礦監控系統對于安全的要求。本文設計的基于物聯網的煤礦檢測監控系統通過傳感器網絡實現了信息互補與協同感知，大大降低了監控系統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測和預警預報能力，為煤礦安全生產提供了強有力的保障。

1　基于物聯網的煤礦檢測監控系統總體方案

1.1系統設計目標

本文以物聯網技術為核心，基于嵌入式工業平臺，擴展外圍硬件，開發相應的系統軟件，構建了一款基于物聯網的煤礦檢測監控系統。該系統是監控網絡由大量的傳感器節點及視頻監控構成，能夠對礦井中主要的環境狀態信息(包括: CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度)進行采集和實時視頻監控。經過Zigbee無線網絡匯聚后，通過路由器和網關將采集到的環境狀態信息和視頻監控信息傳輸到監控中心。監控中心的中心站控制系統監控軟件對采集到的數據進行處理。基于物聯網的煤礦檢測監控系統主要完成兩個功能:一是信息采集功能，系統通過傳感器和視頻監控設備完成對煤礦井下環境狀態信息、視頻監控信息的采集;另外一個功能就是報警功能，監控中心的中心站控制系統監控軟件對采集到的數據進行處理，如果發現異常，及時進行報警。

圖1　系統總體框架圖

1.2系統體系結構

圖1為基于物聯網的煤礦檢測監控系統結構框圖，該系統分為4個層次:信息采集層，信息傳輸層，服務器層，管理和決策層。其中信息采集層是整個系統的最底層，主要功能是實現數據的采集，將數據傳輸到上一層進行處理。環境檢測設備用于實時感知井下的一氧化碳濃度、瓦斯濃度等。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域，及進行報警。在環境檢測設備和井下人員終端中均設有ZigBee無線傳輸模塊;信息傳輸層主要將信息采集層獲得數據通過ZigBee無線傳輸技術，將所有數據傳輸到服務器。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，并可向井下人員轉發來自監控中心的指令。當ZigBee路由接收到信號時，內置于該模塊中的單片機啟動無線收發芯片CC2430，將所接收到的信號轉發給ZigBee協調器或終端。ZigBee協調器通過CPI總線與監控中心的服務器相連，將來自ZigBee路由的數據傳遞到服務器。最后兩層主要是方便監控中心實時了解發生異常的區域，查看井下情況，使監控人員做好應對突發情況的緊急措施。

基于物聯網的煤礦檢測監控系統在煤礦實際應用中的工作流程如圖2所示。具體思路如下:通過ZigBee無線環境檢測設備，對礦井環境狀態信息(包括: CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度)、井下人員位置信息等數據實現自動采集。實時靈活的ZigBee無線傳感網絡確保整個礦井各種信息的數字化，采集到的各種數據通過無線網絡實時傳送到地面的服務器，通過監控中心的中心站控制系統監控軟件對采集到的數據進行處理，對可能存在的安全隱患和災害做出及時的補救，并做出相應的告警，確保礦井高效安全生產。利用中心站控制系統監控軟件，在監控中心以各種數據表現形式顯示各種集成數據，有利于對煤礦安全生產的有效管理。

圖2　系統工作流程

2　系統硬件和軟件設計

本系統利用Zigbee構建起一個物聯網無線傳感器網絡，Zigbee模塊類似于移動網絡基站。在整個網絡范圍內，每一個Zigbee網絡數據模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。基于Zigbee技術的無線傳感器網絡可最多容納65 000個設備，且網絡的自組織、自愈能力強，通信可靠，每個Zigbee網絡節點不僅本身可以作為監控對象，其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。在Zigbee網絡中，包含3種節點類型:網關節點、網絡協調節點、終端節點。

2.1硬件設計

Zigbee模塊硬件電路包含井下人員終端節點模塊、Zigbee路由器節點模塊、Zigbee協調器節點模塊。井下人員終端節點模塊采集井下工作人員信息，通過無線傳感器網絡將信息傳給Zigbee網關節點模塊，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最小系統模塊和Zigbee節點。圖3為井下人員終端節點模塊電路原理圖，圖4為環境監測設備原理框圖，圖5為 Zigbee路由器節點模塊原理框圖，圖6為Zigbee協調器節點模塊電路原理圖。

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。根據物聯網煤礦檢測監控系統的特殊性，系統中的ZigBee無線模塊采用CC2431芯片。CC2431是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗。該芯片支持ZigBee協議—ZigBee2007/PRO，ZigBee2007/PRO協議具有良好的互操作性、節點密度管理、數據負荷管理、頻率捷變等特性，且具有支持網狀網絡和低功耗特點，并且具有定位功能。

物聯網煤礦檢測監控系統中的環境監測設備均設有ZigBee模塊，將檢測到的CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度信息通過ZigBee無線模塊傳輸到中心站。根據環境監測設備原理框圖，我們設計了各種環境監測傳感器。圖8給出了物聯網煤礦檢測監控系統采用的CH4傳感器，該傳感器采用催化燃燒檢測原理。

2.2軟件設計

系統軟件是整個監控系統的靈魂，是系統實現多功能的手段，基于物聯網的煤礦檢測監控系統軟件主要解決系統通信的建立和監控各節點是否正常通信的問題。

圖3　井下人員終端節點模塊電路原理圖

圖4　環境監測設備原理框圖

圖5　Zigbee路由器節點模塊原理框圖

圖6　Zigbee協調器節點模塊電路原理圖

圖7　ZigBee無線模塊

圖8　傳感器模塊

中心站控制系統監控軟件在Windows8操作系統下，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，當系統出現故障時自動提示，可以方便地進行實時監控、及時處理。完成對整個基于物聯網的煤礦檢測監控系統進行全面的跟蹤顯示，并記錄運行過程的相關數據。中心站的程序框圖如圖9所示。

在Win32環境下使用Win32API(應用程序接口)函數，實現串行通信的主要步驟如下:首先，利用CreateFile函數打開串行口，以確定本應用程序對此串行口的占有權，并封鎖其他應用程序對此串口的操作;其次，通過GetCommState函數填充設備控制塊DCB，再通過調用SetCommState函數配置串行口的波特率、數據位、校驗位和停止位。然后，創建串行口監視線程監視串行口事件。在此基礎上就可以在相應的串口上操作數據的傳輸;最后，用Close-Handle函數關閉串行口。

根據上述軟件設計思想，設計了用于物聯網煤礦檢測監控系統的中心站控制系統監控軟件。該軟件的軟件操作界面如圖10所示，在該界面中的“環境監控信息”中可以通過選擇不同的監控區域，查看實時的環境狀態信息，包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4氣體的濃度。在“視頻監控”中可以通過選擇不同的監控區域，查看實時視頻監控。如果礦井中的環境監測設備監測到的氣體(包括CO、H2S、SO2、NH3、CH4)的濃度超過設置的門限值，那么在“監控信息發布平臺”中，將出現閃爍的報警信息(采用紅色字體表示)，并伴有警笛聲。在第一個區域顯示“報警的區域”和“報警人員”信息;在“報警區域環境信息”中，顯示該區域所監測到的環境狀態信息，其中紅色字體表示濃度為超過門限值。在“系統設置”中，可以設置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　中心站控制系統監控軟件主操作界面

圖11　系統設置界面

3　總結

本文設計了一款基于物聯網的煤礦檢測監控系統。系統總體有井下人員終端和環境檢測設備、ZigBee路由器和ZigBee協調器、服務器、監控中心組成。其中，井下人員終端用于獲得井下人員所在區域，及進行報警信息，并嵌有ZigBee無線發射模塊。ZigBee路由器具有定位功能。。服務器端主要負責接收并存儲終端采集和處理過的數據，在發生異常時，由服務器將異常信息向監控中心進行廣播。監控中心主要負責統計、查看、管理監控信息，在發生異常時，能夠進行報警，采取相應措施處理。該系統具有實時性強、可靠性高、結構簡單、互操作性好、價格低廉等優點。

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劉衛東(1976－)，男，山東東營人，中國礦業大學信電學院副教授，博士，碩士生導師，研究方向為聲發射信號處理、監測監控。

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－