基于OneNet平臺的智慧礦山監測系統設計

陳越超，王曉丹，程志偉，王鑫力

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

隨著社會發展，人們對礦井監控提出了新的更高要求。不僅要求監測的快速、準確，還要求監測的智能化和網絡化。本文提出了基于物聯網的礦井綜合監控系統，不僅可以實現本地顯示報警功能，還可以實現遠程監控管理功能。

1 設計原理

本監測系統由數據監測單元、OneNet平臺和遠程監控平臺三部分組成。其中，數據監測單元分為溫濕度監測單元、甲烷檢測單元、負壓檢測單元和一氧化碳檢測單元等，各單元以Arduino控制模塊作為核心，接收并處理傳感器檢測參數信息，并通過Wi-Fi模塊傳輸至OneNet平臺。OneNet平臺負責接收和存儲數據信息及向各單元發送監控中心控制指令。網頁及手機APP可以作為遠程監控平臺，用戶通過登錄OneNet平臺進行監測及控制，這樣的多平臺機制可以方便用戶隨時隨地通過訪問遠程監控平臺，實時監控整個礦井。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 硬件電路設計

各檢測單元電路組成類似，主要由微控制器、無線通信單元、數據采集單元、電源模塊和報警顯示單元組成，電路設計結構如圖2所示。本文硬件電路設計以甲烷檢測單元為例。

圖2 檢測單元電路設計結構

2.1 微控制器設計

微控制器采用Arduino MEGA2560，擁有54路數字輸入/輸出口、16路模擬輸入和4路UART接口，可以滿足本設計的需要。

2.2 甲烷檢測電路設計

表1 MJC4/3.0L氣體傳感器技術指標

圖3 甲烷濃度檢測模塊電路原理圖

圖4 LCD12864電路原理圖

2.3 顯示報警電路設計

由于需要同時顯示甲烷濃度、一氧化碳濃度、負壓值和溫濕度值，所以顯示模塊選用液晶顯示器LCD12864，分為五行顯示。為節省連接端口，液晶顯示選擇串口連接方式，只需要三條連接線，LCD12864的RS、RW、E分別連接Arduino的數字端口17、18、19。電路原理圖如圖4所示。

報警電路選用蜂鳴器報警，Arduino的數字端口12通過控制NPN型三極管導通和截止，達到控制蜂鳴器報警和關閉的作用。電路原理圖如圖5所示。

圖5 蜂鳴器報警電路原理圖

圖6 ESP8266串口Wi-Fi電路原理圖

2.4 無線通信單元設計

無線通信單元選用串口Wi-Fi通信模塊ESP8266，它是一款專門為物聯網設計的模塊，以優越的性能和低廉的價格迅速占領市場，支持三種工作模式：STA、AP和STA+AP，本單元選用STA模式，Arduino作為Station，通過UART與ESP8266相連，電路原理圖如圖6所示。

3 軟件程序設計

軟件設計使用Arduino IDE編寫，系統主程序包括初始化程序、數據采集及數據處理程序、Wi-Fi通信程序、數據顯示程序和報警程序等。程序首先進行串口初始化、端口初始化、I2C初始化和Wi-Fi模塊初始化等，數據采集程序包括甲烷濃度采集、一氧化碳濃度采集、負壓檢測和溫濕度檢測等，之后對比EEPROM中存儲的各參數閾值，如有超出報警限，則發出聲光報警，最后按照HTTP協議通過串口Wi-Fi模塊將數據傳輸到OneNet平臺。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4 遠程監控平臺設計

OneNet是中國移動公司推出的一款物聯網開放云平臺，提供了種類豐富的智能硬件開發工具和可靠的平臺服務，可以快速將終端設備快速接入網絡，實現數據傳輸、數據存儲和數據管理等完整的交互流程。云平臺為用戶提供三種通信方式，用戶可以根據項目的實際需要選擇不同的通信方式，網絡通信方式的選擇如圖8所示。

圖8 網絡通信方式的選擇

OneNet平臺支持以太網通信、Wi-Fi通信和GPRS通信三種方式，以太網可以支持網線接入，Wi-Fi通信可以支持無線接入，GPRS可以支持SIM通信接入。由于本設計采用物聯網解決方案和無線組網技術，故采用Wi-Fi通信方式。

智能終端接入云平臺過程相對比較容易，首先在OneNet平臺上注冊賬號，創建專屬的“開發者中心”，在用戶賬戶下創建產品，在產品中添加設備，為設備添加數據流，之后可以添加觸發器和新建應用等。步驟如圖9所示。

圖9 OneNet平臺接入步驟流程圖

OneNet平臺提供公開協議產品和私有協議產品兩種，其中公開協議產品有HTTP、MODBUS、EDP、MQTT等多種協議選擇，本文選用HTTP協議。使用POST打包感知層采集的數據信息，數據流格式如圖10所示。

圖10 POST數據流格式

本設計采用“儀表盤”實時顯示當前數據，采用“折線圖”或“柱狀圖”顯示歷史數據，如圖11所示。在應用界面中，礦井環境參數以“數字+圖表”顯示，并且數據可以保存在云平臺中，并以曲線圖的方式呈現礦井環境在一段時間內的變化情況。OneNet平臺還可以設置報警功能，當接收數據超過設置報警限，將會向用戶預先設定的郵箱發送報警信息。

圖11 用戶界面設計圖

5 結語

本監測系統與其他的監測系統存在較大的不同，它將物聯網技術和傳感器技術相結合，不僅可以在工作現場檢測并實時顯示環境參數，使井下工作人員掌握參數數據。還借助OneNet物聯網平臺，管理人員可以不分地域、時間通過遠程登陸的方式，實時監控整個礦山。隨著“互聯網+”時代的到來，基于開放物聯網平臺的礦井綜合監控系統將在煤礦安全生產中起到越來越重要的作用，進一步推進“智慧礦山”的發展。