張國(guó)軍，鄭麗媛，張 俊

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105;2 東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京211189)

0 引 言

煤炭業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，又是事故發(fā)生率極高的行業(yè)，據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤礦發(fā)生的重大事故中，70%以上都與瓦斯有關(guān)。因此，提高瓦斯監(jiān)測(cè)的質(zhì)量尤為重要。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已逐漸由常規(guī)儀表監(jiān)測(cè)、地面微機(jī)控制，向基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展。但目前各煤礦仍存在網(wǎng)絡(luò)化程度較低，缺少統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通信協(xié)議不兼容等問題［1，2］。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，全力構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)提高煤礦信息化水平，促進(jìn)煤礦安全具有重要意義［3］。

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)“物”上網(wǎng)，它是通過傳感器采集所需信息，并與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，同時(shí)具有智能處理能力的巨大網(wǎng)絡(luò)。本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過井下Zig Bee 進(jìn)行無線組網(wǎng)，通過ARM9 處理器S3C2440 核心處理器接入Internet，采用了C/S 和B/S 相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了既能在本地監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控，又能通過任意一臺(tái)可以上網(wǎng)的終端，如手機(jī)，PAD，PDA 等瀏覽WEB 頁面進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)主要由井下無線傳感器、井下終端控制板卡、礦服務(wù)器、礦監(jiān)控終端和遠(yuǎn)程瀏覽器終端組成，組成框圖如圖1 所示。

瓦斯傳感器獲得瓦斯數(shù)據(jù)，通過Zig Bee 自組網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄驴刂平K端板卡，控制板卡將數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)發(fā)送至礦服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理和儲(chǔ)存，同時(shí)提供用戶端與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。

1.1 傳感器選擇

1.1.1 瓦斯傳感器設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig 1 Block diagram of system configuration

設(shè)計(jì)選用MJC4/3.0L 型催化燃燒元件，工作電壓為(3.0 ±0.1)V，工作電流為(120 ±10)mA?；倦娐啡鐖D2所示，采用電橋測(cè)量的方法，MJC4/3.0L 與2 個(gè)匹配電阻構(gòu)成電橋橋臂，當(dāng)有瓦斯氣體時(shí)，檢測(cè)元件電阻升高，電橋輸出電壓升高，且電壓變化與瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化呈正比。

圖2 瓦斯傳感器電路圖Fig 2 Gas sensor circuit

1.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

Zig Bee 技術(shù)是一種近距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，非常適合工業(yè)控制領(lǐng)域。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可存在254 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離可達(dá)100 m，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可存在100 多個(gè)網(wǎng)絡(luò)。射頻芯片選擇Zig Bee SoC CC2430，該芯片將所有功能部件集成在一起，不需要另外搭配MCU，從而減小了成本和PCB 面積及設(shè)計(jì)復(fù)雜性，提高了可靠性、抗干擾性。

CC2430 集成了 RF 收發(fā)器、8051MCU，128 kB flash，8 kB RAM，ADC，DMA 等，工作頻段為 2.5 GHz，采用低電壓(2.0 ～3.6 V)供電，硬件支持 CSMA/CA 和 RSSI/LQI 功能［4］。

CC2430 的射頻接口采用差分輸出，設(shè)計(jì)了一個(gè)不平衡變壓器以滿足采用單端不平衡天線時(shí)50 Ω 的特性阻抗要求，如圖3 所示。

1.2 井下終端控制板卡設(shè)計(jì)

圖3 不平衡變壓器原理圖Fig 3 Principle diagram of unbalanced transformer

該板卡選擇三星公司的ARM9 系列嵌入式芯片S3C2440，Zig Bee 無線模塊通過 UART 接口將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給板卡，板卡再將數(shù)據(jù)通過TCP/IP 協(xié)議，經(jīng)光纜發(fā)送到地面礦服務(wù)器。由于S3C2440 未集成MAC 控制器，選擇DM9000CEP 以太網(wǎng)控制芯片。該芯片集成度高、成本低、全雙工工作方式，支持1/16/32 位數(shù)據(jù)總線，帶有MII 接口與外部 10/100MPHY 芯片相連接，DM9000CEP 通過S16116G 以太網(wǎng)濾波器/變壓器接入網(wǎng)絡(luò)。井下終端板卡硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 井下終端板卡硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 4 Hardware structure diagram of underground terminal board

2 系統(tǒng)軟件算法

2.1 Zig Bee 無線組網(wǎng)算法

井下瓦斯傳感器信號(hào)通過Zig Bee 無線傳輸，由于井下可能會(huì)有數(shù)量眾多的傳感器，必須要考慮避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。設(shè)計(jì)采用免沖突載波檢測(cè)多路接入(CSMA/CA)算法，算法中節(jié)點(diǎn)通過競(jìng)爭(zhēng)方式使用信道，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)而信道被占用時(shí)，就偵聽信道，直到信道空閑數(shù)據(jù)發(fā)送或放棄發(fā)送，此方式數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延?。?］。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先退避一段時(shí)間，退避時(shí)間為N 個(gè)退避周期，退避周期為固定長(zhǎng)度Tback，N 為0 到2BE－1 之間的一個(gè)隨機(jī)整數(shù)，BE 在初始化程序時(shí)賦值。由此可見，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間長(zhǎng)度是一個(gè)范圍有限的隨機(jī)數(shù)，可以較大概率地避免沖突的發(fā)生。當(dāng)退避過程結(jié)束后，如果信道空閑，則節(jié)點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù);否則，開始下一輪的退避。為避免無休止地進(jìn)行退避，設(shè)置BE≤15，退避次數(shù)M，當(dāng)退避次數(shù)大于M 值時(shí)，放棄發(fā)送。最大退避時(shí)間為

2.2 井下終端板卡軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用嵌入式Windows CE6.0 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可移植性強(qiáng)，采用多任務(wù)多線程的工作方式，具有良好的圖形界面，操作簡(jiǎn)單方便。使用Platform Builder 軟件，導(dǎo)入廠商提供的BSP 包，根據(jù)系統(tǒng)需要對(duì)BSP 包和操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)裁剪和添加，然后完成操作系統(tǒng)的編譯。將生成的NK.bin 和NK.nb0 下載到板卡中，即完成了終端板卡操作系統(tǒng)的定制［6］。

終端板卡的一個(gè)重要功能是將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，使用套接字(WinSock)可方便地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)。使用Win－Sock 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，必須先進(jìn)行初始化，包括定義變量、創(chuàng)建套接字和綁定通信地址:

2.3 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

井下終端板卡將數(shù)據(jù)發(fā)送到礦服務(wù)器后，服務(wù)器一方面通過數(shù)據(jù)庫(SQL)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理和儲(chǔ)存，另一方面要通過礦監(jiān)控屏顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并允許用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問。

選用Microsoft SQL Serve 數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，該平臺(tái)支持用戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)，提供對(duì)WEB 的支持，用戶界面圖形化，具有豐富的程序接口［7］。

將數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要分為:煤礦基本信息、監(jiān)控人員基本信息、實(shí)時(shí)監(jiān)控信息、歷史監(jiān)控信息等。其中，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表Tab 1 Structure sheet of real-time monitoring datas

數(shù)據(jù)庫的訪問主要使用ADO.NET 技術(shù)，ADO 是一個(gè)COM 動(dòng)態(tài)庫，在開發(fā)程序前先初始化COM 環(huán)境，通常通過CoInitialize(NULL)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)初始化;在程序的最后，一般通過代碼CoUninitialize()將COM 環(huán)境釋放。在完成COM環(huán)境初始化之后，就可以使用ADO 中Connection 對(duì)象的Open 方法來連接數(shù)據(jù)庫。成功連接數(shù)據(jù)庫之后，即可通過指針方便地對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行操作。

2.4 用戶訪問軟件設(shè)計(jì)

C/S 和B/S 是當(dāng)今兩大主流技術(shù)構(gòu)架，C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，即客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，將任務(wù)分配到兩端來實(shí)現(xiàn)，一般限于局域網(wǎng)，需要開發(fā)相應(yīng)的客戶端軟件。本設(shè)計(jì)中，煤礦監(jiān)控中心基于PC 機(jī)監(jiān)控軟件采用此構(gòu)架完成。但是該客戶端軟件只能在礦監(jiān)控中心使用，監(jiān)控人員不能隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)。B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)中，用戶通過任何一個(gè)可上網(wǎng)的終端就可瀏覽WEB 界面隨時(shí)查看數(shù)據(jù)，一般無需任何用戶程序，其他事件都在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，減少了客戶端的任務(wù)，易于在手機(jī)、PDA 等移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是服務(wù)器負(fù)擔(dān)較重［8］。根據(jù)煤礦瓦斯監(jiān)控的需求，僅采用任何一種結(jié)構(gòu)都是存在缺項(xiàng)的，因此，本設(shè)計(jì)采用C/S 和B/S 回混合模式。

在客戶端程序設(shè)計(jì)中，通過 ADO.NET，使用.NET Framework 提供的4 個(gè)核心對(duì)象對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問操作。其中，Connection 連接對(duì)象，對(duì)數(shù)據(jù)源訪問;Command 命令對(duì)象，對(duì)數(shù)據(jù)源進(jìn)行更新、插入和刪除等;DataReader 數(shù)據(jù)庫讀取對(duì)象，從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù);DataAdapter 將DataSet 更新至數(shù)據(jù)庫［9］。

在網(wǎng)頁設(shè)計(jì)中，前端采用ASP.NET 開發(fā)頁面，后端采用ADO.NET 操縱數(shù)據(jù)庫。根據(jù)功能要求，網(wǎng)站主要分為登陸界面、密碼修改界面、瓦斯氣體檢測(cè)界面、歷史數(shù)據(jù)等界面。

3 系統(tǒng)測(cè)試

在井下終端控制板卡設(shè)置好IP 地址并連入網(wǎng)絡(luò)，將PC機(jī)作為服務(wù)器連接如網(wǎng)絡(luò)，在打開客戶端應(yīng)用程序測(cè)試結(jié)果如表2 所示。通過另外一臺(tái)筆記本登入WEB 頁面，輸入IP 地址，輸入用戶名和密碼后，可進(jìn)入控制界面。

表2 客戶端應(yīng)用程序測(cè)試Tab 2 Test result of client end application program

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于B/S和C/S的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，從硬件軟件兩方面詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)過程，測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)可以分別通過客戶端軟件和IE 瀏覽器對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)控，克服了單一采用B/S 或C/S 系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

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