基于GPRS和WSN的礦井安全監測系統的設計

董孝琪 鄧春偉 趙海池 劉婷婷

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，煤炭的消費量持續增加。但是，在實際的煤炭生產過程中，礦難事故不斷的發生。因此，我們不得不將更多的注意力放到煤炭生產的安全問題上。礦難的原因有多種多樣，其中由于瓦斯而引起的礦難事故占到了相當大的比重，而且井下的過高溫度也是很大的隱患，氣體的濕度也對井下的環境起到很大的作用，如果濕度過低則井下的粉塵會很大，影響井下工作人員的身體健康，而且容易引起爆炸。礦井坍塌事故也屢見不鮮。本設計就基于WSN和GPRS技術對礦井安全監測進行研究。

1 系統設計

采用物聯網相關技術，實現對礦井內的易燃氣體濃度的監控，溫濕度的監控和震動的監控，為井下作業的安全保駕護航。利用到了ZigBee技術、無線傳感器技術、WiFi技術、RFID技術及GPRS技術對礦井內的安全進行監測和人員的定位。利用ZigBee的無線傳輸技術，通過傳感器模塊采集礦井內部的信息數據，在上位機上顯示采集的數據。一但井下發生險情，通過GPRS模塊為相關工作人員的手機終端發送短信，第一時間通知工作人員進行搶修。利用RFID技術確定人員的位置信息并在上位機中顯示工作人員的位置。盡可能的最大化救出人的概率。

1.1系統硬件設計

結合實際根據各部分的不同功能可把該系統大致分為兩個部分，分別是傳感器采集數據與RFID定位部分和GPRS報警模塊部分。共包含兩個數據節點，兩個數據節點通過ZigBee協調器進行數據傳輸到上位機。節點一和節點二實時采集井下的信息，通過ZigBee模塊將采集到的信息數據通過協調器傳輸給上位機，由上位機判斷是否報警，如果報警則通過WiFi信號給報警模塊發送報警指令，由報警模塊的WiFi模塊接收數據，然后通過報警模塊給手機終端發送短信進行報警。整體流程如圖1-1所示。

（1）井下信息采集部分

本部分包含兩個節點，節點中包括傳感器模塊，ZigBee模塊，單片機最小系統模塊和RFID定位模塊。傳感器模塊中包含一個DHT11溫濕度傳感器，MQ2煙霧傳感器和SW-18010P振動傳感器。井下信息采集部分流程圖如圖1-2所示。

傳感器模塊用于采集井下的溫濕度、氣體濃度、震動強度等信息;

ZigBee模塊的作用是將傳感器模塊感知的數據通過協調器回傳至上位機顯示;

單片機最小系統模塊控制RFID模塊，使其能正常工作;

RFID定位模塊來確定下井人員的位置，通過ZigBee模塊將數據傳輸到協調器中在上位機中顯示。

（2）報警模塊部分

本部分由兩塊STC89C52RC單片機，電源模塊，SIM900A芯片和WIFI模塊組成。當上位機中發現異常時，通過WIFI信號發出報警指令，由報警模塊中的WIFI模塊接收信號，由第一塊單串口單片機處理信息，傳給第二塊單串口的單片機，由第二塊單片機控制SIM900A芯片給手機終端發送短信。

軟件程序是設計的命令，硬件功能的實現需要通過軟件程序的控制。本系統中軟硬件皆采用模塊化，按照這一思想將功能不同的電路分成了不同的模塊，使用軟件編譯運行調試程序，保證硬件的正常工作。

1.2傳感器軟件設計

傳感器模塊的采集程序包括四個數據：溫度、濕度、有無震動和二氧化碳含量。在本設計中三個傳感器共用了一個開關，以節約成本，也使操作更為方便。

在氣體濃度采集這部分是對MQ2煙霧傳感器程序的編寫，MQ2煙霧傳感器是用來采集井下的氣體濃度信息的。系統開始初始化，然后開始判斷是否需要采集井下的煙霧濃度數據信息，其實就是開關是否打開的過程。當開關打開后，待系統穩定后，由ZigBee模塊給傳感器發送一個工作指令，使傳感器切換到高速響應模式，然后各個傳感器開始工作采集數據信息，將信息由下方的ZigBee模塊將發送出去，由協調器接收ZigBee模塊發來的數據信息在由上位機進行數據處理并顯示。

在震動強度采集這部分是對SW-1080P震動傳感器程序的編寫，SW-1080P震動傳感器是用來采集井下的有無振動信息的。系統開始初始化，然后開始判斷是否需要采集井下的震動數據信息，其實就是開關是否打開的過程。當開關打開后，待系統穩定后，由ZigBee模塊給傳感器發送一個工作指令，使傳感器切換到高速響應模式，然后各個傳感器開始工作采集數據信息，將信息由下方的ZigBee模塊將發送出去，由協調器接收ZigBee模塊發來的數據信息在由上位機進行數據處理并顯示。

協調器是接收和發送數據到上位機端的重要工具。協調器先發送指令，協調器內的CC2530芯片進入初始化，各個ZigBee模塊準備開始組網，接收指令的ZigBee模塊開始進入組網狀態，若節點上的傳感器模塊或者RFID模塊有數據回傳，則經由協調器在上位機上顯示采集到的溫濕度、CH4含量、震動強度、下井人員位置信息等數據。協調器相當于一個匯聚中心，把接收到的數據如實傳給顯示裝置。

SIM900A芯片用于報警模塊當中，一但井下發生險情，報警模塊通過WiFi模塊接收到報警信息，通過單片機1進行數據分析，發送給單片機2是否發出報警指令，如果發出報警，則控制SIM900A芯片給手機終端發送短信。

2系統調試

系統分別對硬件、軟件系統進行單元測試，最后通過集成測試，對系統進行功能測試、需求測試。上位機的編寫使用的是Visual Studio 2013軟件，編譯運行成功后生成上位機界面，在上位機中可以顯示溫濕度，氣體濃度，有無振動，下井工作人員的位置等信息。上位機界面包括如下幾個功能：巷道一、巷道二的溫度、濕度、氣體濃度、震動等信息，可以調節不報警的取值范圍，如果超出此范圍，則在上位機上以顯示紅色字體來報警，還可以控制給手機端發布發送報警信息。可以自動的完成發短信報警的功能。

3結論

基于GPRS和WSN的礦井安全監測系統成功的完成了礦井內部的溫濕度采集，可燃氣體濃度的采集，震動信息，井下工作人員的定位和發短信報警等功能，將采集到的各項數據在上位機中顯示，真正的為礦井安全進行監測。

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（黑龍江省大學生創新創業項目 項目名稱：基于GPRS和WSN的礦井安全監測系統的設計項目編號：201913299051）