基于物聯網的礦井氧氣濃度監測系統設計

陳 勇，孟凡偉，郭虎成

（1.南京龍淵微電子科技有限公司 江蘇 南京 211106；2.河海大學研究生院 江蘇 南京 211100）

煤礦有毒性氣體對礦工的生命安全是致命的傷害。煤礦井下的各個生產環節都可能產生有毒性氣體，如鉆眼、炸藥爆破、掘進機掘進、采煤機割煤、裝煤、采煤支護放頂、巷道支護、裝載運輸轉載及卸載提升等。有毒性氣體危害不僅能使煤礦工人得塵肺病，而且易引發爆炸，造成重大安全事故。我國煤礦普遍具有毒性氣體危險。

以上所述足見礦井有毒性氣體的危害性之大，同時也說明了氧氣監測與防治的重要性。因此，礦井氧氣的防治問題日益受到廣泛關注，世界各國在對礦井氧氣的監測方面都做了大量的研究工作，研究開發了一系列的檢測儀器及系統[1]。

目前，國內普遍采用人工、間斷性、單地點檢測氧氣濃度的方式，或者采用一般有線連接傳感器檢測方式。這種方式測得的礦井氧氣濃度數據僅反應了測塵時間段內的氧氣狀況，并不能全面、準確的反映煤礦井下空間的總體氧氣情況，而且井下環境中有線傳感器檢測系統的布置工作非常繁瑣，靈活性不足且擴展性差，系統部署和維護成本高等缺點，當某一結點出現故障，會使局部區域失去監測能力。

通過無線傳感器網絡Zigbee可以方便在煤礦井下進行快速的傳感器部署。針對以上現狀，研究開發適合我國煤礦井下特點的基于無線傳感器網絡的礦井氧氣濃度監測系統[2]。

1 整體介紹

文中所要解決的技術問題是提供一種能夠使用戶在任何時間、地點和任何環境條件下，獲取大量詳實而可靠的氧氣濃度信息，有效的避免礦井有毒氣體泄漏的發生的基于無線傳感器網絡的礦井氧氣濃度監測系統[3]。

文中為解決上述技術問題采用以下技術方案：設計了一種基于物聯網的礦井氧氣濃度監測系統，包括傳感器檢測模塊、路由器傳輸模塊、數據匯集模塊和上位機模塊，其中：所述傳感器檢測模塊檢測礦井內的氧氣濃度信息，并將所述信息傳輸至路由器傳輸模塊；所述路由傳輸模塊將接收到的信息傳輸至數據匯集模塊處理；所述數據匯集模塊將處理后的信息傳輸至上位機模塊，所述上位機模塊對接收到的信息進行處理并作出判斷、顯示及報警。本氧氣濃度監測系統能夠使用戶在任何時間、地點和任何環境條件下，獲取大量詳實而可靠的氧氣濃度信息，有效避免礦井有毒氣體泄漏的發生。

圖1 總體框圖Fig.1 General diagram

2 系統具體實現

2.1 傳感器檢測模塊

所述傳感器檢測模塊包括氧氣濃度傳感器、末級微控制器及末級ZigBee收發器；所述氧氣濃度傳感器采集氧氣濃度信息，并將氧氣濃度信息進行A/D轉換后傳輸至末級微控制器；所述末級微控制器對接收到的信息進行判斷處理，并通過末級ZigBee收發器傳輸至路由器傳輸模塊[4]。如圖2所示。

圖2 傳感器檢測模塊Fig.2 Sensor module

2.2 路由器傳輸模塊

路由器傳輸模塊包括始發位置路由器節點、中繼位置路由器節點、設置于始發位置路由器節點的第1、2級微控制器和第1、3級zigbee收發器、設置于中繼位置路由器節點的第2、2級微控制器和第2、3級zigbee收發器；

始發位置路由器節點通過第1、3級zigbee收發器接收傳感器檢測模塊傳輸的信息，并傳輸至第1、2級微控制器進行處理，并將處理后的信息通過第1、3級zigbee收發器傳輸至中繼位置路由器節點；

中繼位置路由器節點通過第2、3級zigbee收發器接收始發位置路由器節點的信息，并傳輸至第2、2級微控制器進行處理，并將處理后的信息通過第2、3級zigbee收發器傳輸至數據匯集模塊。如圖3所示。

圖3 路由器傳輸模塊Fig.3 Router transmission module

2.3 數據匯集模塊

數據匯集模塊包括1級微控制器與2級zigbee收發器；2級zigbee收發器接收路由器傳輸模塊傳輸的信息，并將信息傳輸至1級微控制器進行處理，篩除無用數據信息，同時對保留數據信息進行功率放大；1級微控制器控制2級zigbee收發器將處理后的信息傳輸至上位機模塊。

圖4 數據匯集模塊Fig.4 Data collection module

2.4 上位機模塊

上位機模塊包含1級zigbee收發器；所述1級zigbee收發器接收數據匯集模塊傳輸的信息。

3 系統軟件設計

如圖6所示是礦井氧氣濃度監測系統流程圖[5-6]。軟件實現過程：系統在軟硬件初始化后由微量氧分析儀節點采集氧氣濃度，然后將氧氣濃度數據封裝在zigbee協議中。通過zigbee協議發送數據到龍芯SOC路由節點，龍芯SOC路由節點將數據發送到http服務器，最后手機、平板電腦、網頁通過http服務器得到氧氣濃度數據。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

4 結 論

文中采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

1）本系統采用無線傳感器網絡技術，氧氣采樣檢測點可以廣泛的布置在不同作業點，靈活改變監測布局，從而實時獲取精確的氧氣濃度檢測數據。

2）本系統不需要任何固定網絡的支持，具有快速展開、抗毀性強等特點。

3）本系統能夠使人們在任何時間、地點和任何環境條件下獲取大量詳實而可靠的氧氣濃度信息。

[1]荊永濱，王李管.地下礦山開采的智能化及其實施技術[J].礦業研究與開發，2007（6）：49-52.JING Yong-bin，WANG Li-guan.Theintelligentofthe underground mining and its implementation technology[J].Mining Research and Development，2007（6）：49-52.

[2]解海東，李松林.基于物聯網的智能礦山體系研究[J].工礦自動化，2011（3）：63-66.XIE Hai-dong，LI Song-lin.Research of intelligent mine system based on internet of things[J].Industry and Mine Automation，2011（3）：63-66.

[3]唐海燕，余成波.基于WSN的礦井環境監測系統[J].重慶理工大學學報，2011（5）：105-108.TANG Hai-yan，YU Cheng-bo.Environmental monitoring system for mine based on WSN[J].Journal of Chongqing University of Technology，2011（5）：105-108.

[4]鄭德忠，韓昭明.基于無線傳感器網絡的CO監測系統設計[J].傳感技術學報，2007（4）：925-928.ZHENG De-zhong，HAN Zhao-ming.Design of the carbon monoxide monitoring system based on the principle of sensor network[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2007（4）：925-928.

[5]王超，張仕宇.基于WSN的礦井監控系統網關設計與實現.[J].網絡與通信，2010（3）：50-52.WANG Chao，ZHANG Shi-yu.Design and realization of the gateway in mine monitoring system based on WSN[J].Network and Communication，2010（3）：50-52.

[6]尹盼.基于Zigbee技術的礦井綜合監測系統設計與網絡節點開發[M].中南大學，2009.