張全柱，葛艷香，鄧永紅，張文山，錢會發(fā)

(華北科技學院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦用粉塵智能傳感器研究

張全柱，葛艷香，鄧永紅，張文山，錢會發(fā)

(華北科技學院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦用粉塵智能傳感器，是一種將粉塵傳感器、溫濕度傳感器與ARM9處理器相結(jié)合的智能傳感器，在煤礦中對粉塵和溫濕度進行多點采集，把采集到的數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)進行無線傳輸，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進行查看、顯示和存儲。系統(tǒng)的總框架采用模塊化設(shè)計，主要對數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊進行硬件和軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了對煤礦環(huán)境中粉塵和溫濕度的準確、實時、無線監(jiān)測，解決了煤礦井下監(jiān)測技術(shù)相對滯后、監(jiān)測范圍小、檢測方法單一等問題，保證了煤礦工人的生命安全。

智能傳感器;粉塵檢測；ARM處理器;模塊設(shè)計；無線傳輸

0 引言

我國的煤礦在采煤、運輸和裝載等活動中，會產(chǎn)生大量的煤礦粉塵，在如此高粉塵濃度的工作環(huán)境下，不僅危害煤礦工人的健康，而且當粉塵的濃度達到一定程度時，會導致煤礦爆炸[1]。因此對于粉塵污染這一問題的治理及對于煤礦上粉塵濃度檢測將是一項長期重要的工程[1]。粉塵雖然會對煤礦工作人員的健康產(chǎn)生影響,但是如果采取相應的措施,及時地疏通,降低粉塵濃度，還是可實現(xiàn)的。防范的措施應著力于濃度的檢測，控制粉塵的濃度，采取有效的降塵措施，建立預報系統(tǒng)。國外的煤礦監(jiān)測預報系統(tǒng)精度高、可靠性好、監(jiān)測的范圍廣而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)控，但是他們的大部分設(shè)備售價昂貴，對一般的企業(yè)是無法承受的[2]。我國的監(jiān)測技術(shù)在不斷接近國際水平，但是這些監(jiān)測系統(tǒng)大部分是半自動化的，把儀器固定放在監(jiān)測點，然后由人把檢測到的數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)，所以我國煤礦檢測設(shè)備具有測試速度慢、精確度不高，報警能力不強，而且不能遠距離進行監(jiān)測等問題[2]。物聯(lián)網(wǎng)是近幾年來新興的技術(shù),在將粉塵濃度測試系統(tǒng)應用于實時粉塵濃度監(jiān)控系統(tǒng)時,可將無線傳感器網(wǎng)絡的檢測數(shù)據(jù)作為信息的數(shù)據(jù)來源,而且無線傳感器網(wǎng)絡布網(wǎng)靈活[3]。ARM作為當下非常流行的嵌入式微處理器，由于它的成本低和性能比較高，使其在無線通信領(lǐng)域越來越重視，已經(jīng)占據(jù)了大部分的市場[2]。

1 檢測系統(tǒng)

礦用粉塵智能傳感器檢測系統(tǒng)框圖如圖1。系統(tǒng)框圖共分為3個模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊也就是圖1中的ZigBee節(jié)點與傳感器組成的無線傳感器模塊，主要由CC2430模塊構(gòu)成的網(wǎng)絡各節(jié)點以及連接在終端節(jié)點上的溫濕度度傳感器、粉塵傳感器組成[2]；數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由ZigBee節(jié)點和協(xié)調(diào)器構(gòu)成，CC2430 協(xié)調(diào)器接收來自采集模塊的數(shù)據(jù)，然后協(xié)調(diào)器再將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給ARM處理器；數(shù)據(jù)處理模塊主要包括處理器、顯示器、存儲模塊、報警模塊等，數(shù)據(jù)處理模塊是這個系統(tǒng)的控制中心,ARM處理器是這個智能傳感器的核心部分，系統(tǒng)的所有命令都是處理器發(fā)出的,對采集節(jié)點進行選擇,節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行處理，采集的數(shù)據(jù)如果超出預設(shè)的上下限時，進行報警，或者設(shè)備和系統(tǒng)本身發(fā)生異常也能進行報警，同時顯示器將采集到的數(shù)據(jù)進行顯示[4]。

ZigBee節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間的通信是通過CC2430芯片中的無線射頻模塊進行通信的,在芯片中還集成有8051的內(nèi)核,能快速地匯總數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理能力非常強,通信方式是利用ZigBee的協(xié)議[1-3]；ZigBee協(xié)調(diào)器和ARM處理器之間是用串口進行有線通信的,通信方式是利用基于串口的通信協(xié)議[2]。

圖1 礦用粉塵智能傳感器檢測系統(tǒng)框圖

1.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊主要由在礦道中各個ZigBee節(jié)點通過傳感器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)傳輸模塊是由各個ZigBee采集點與ZigBee協(xié)調(diào)器通過星型網(wǎng)絡對采集數(shù)據(jù)的匯總。ZigBee節(jié)點的硬件連接框圖如圖2。

圖2 ZigBee節(jié)點的硬件連接框圖

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計

ARM9處理器S3C2440，它的CPU內(nèi)核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC 處理器,特點是低功耗、低成本、接口豐富和可以連續(xù)長時間地工作，又有較強的數(shù)據(jù)處理能力和支持網(wǎng)絡功能的接口[2-4]。RS232接口用于編譯時，與宿主機進行通信；USB HOST在進行操作系統(tǒng)的移植時通過超級終端選擇要移植的文件,USB DEVICE用于和ZigBee協(xié)調(diào)器進行通信；LCD接口用于顯示節(jié)點采集的溫濕度和粉塵數(shù)據(jù),通過觸摸屏可以在監(jiān)測圖形界面上進行操作(選擇采集結(jié)點,查看歷史數(shù)據(jù)等)；SD卡用于對采集的歷史數(shù)據(jù)進行備份。數(shù)據(jù)處理模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。采集模塊軟件設(shè)計:在煤礦井下的巷道內(nèi)布置多個檢測點，每個檢測點都為傳感器的節(jié)點，節(jié)點上有粉塵傳感器和溫濕度傳感器，來實現(xiàn)對粉塵和溫濕度數(shù)據(jù)的采集[4]。無線傳輸模塊軟件設(shè)計:節(jié)點將各個傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再把接收到的數(shù)據(jù)通過串口，然后傳給ARM微處器。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計

系統(tǒng)開始運行，首先初始化硬件,初始化完成后，節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送申請加入網(wǎng)絡請求(網(wǎng)絡是由協(xié)調(diào)器建立的),加入網(wǎng)絡成功后，ZigBee節(jié)點上的指示燈會亮起,此時節(jié)點將給協(xié)調(diào)器返回段地址,如果此時有待處理的事件則程序轉(zhuǎn)會去處理事件,待事件處理完成后進入定時程序,待定時時間到后發(fā)送采集信息,傳感器開始采集數(shù)據(jù)并向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù),如果發(fā)送成功，ZigBee協(xié)調(diào)器會返回一個地址程序繼續(xù)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送,如果發(fā)送失敗則程序會自動檢測加入網(wǎng)絡是否成功,并嘗試加入網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)采集模塊的軟件流程圖如圖5所示[5-8]。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊的軟件流程

3 粉塵智能傳感器系統(tǒng)調(diào)試

在實驗中，制作不同濃度的粉塵氣體，用氣泵勻速沖入氣室中，待粉塵氣體濃度恒定后，開始進行測量。理論值是通過粉塵濃度計算公式測得，實際測得的粉塵濃度是傳感器顯示的值。粉塵的測量進行調(diào)試運行的演示，對傳感器所測得的粉塵濃度進行數(shù)據(jù)分析，如表1所示；將測得的數(shù)據(jù)用MATLAB軟件再進行線性擬合[5]，如圖6所示，算出濃度理論值和粉塵濃度測量值之間的線性相關(guān)系數(shù)，粉塵濃度的理論值是通過標定的粉塵濃度傳感器來確定的，看測得的濃度值和電壓是否存在一定的線性的關(guān)系，計算誤差范圍是否在誤差允許范圍之內(nèi)[6]。當濃度超過預設(shè)值時，蜂鳴器報警。

圖6 粉塵濃度標準值與測量值的對比曲線圖

采樣點粉塵質(zhì)量濃度(mg/m3)理論值(mg/m3)偏差(mg/m3)17675-12146.4150.54.13252.3250.5-1.84344.6350.55.95454.7450.5-4.26550550.50.57645645.50.5

從溫濕度設(shè)定箱中設(shè)置溫度在0℃～50℃、濕度在4%～90%之中7個典型的值,各自用了標準的空氣質(zhì)量檢測儀器和設(shè)計的智能傳感器進行檢測,釆樣的測量數(shù)據(jù)如表2所示。

如圖7所示,溫度和濕度測量的數(shù)據(jù)值和標準的數(shù)據(jù)值曲線大致是重合的,有些測量值不太一樣,但總的誤差不是太大。對不同檢測點的數(shù)據(jù)分析,該智能傳感器對溫度和濕度的測量精度還是比較高的。

表2 溫濕度檢測測試數(shù)據(jù)

圖7 溫濕度標準值與測量值的對比曲線圖

4 總結(jié)

設(shè)計的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊, 實現(xiàn)煤礦粉塵濃度采集，數(shù)據(jù)無線傳輸和實時顯示的連續(xù)監(jiān)測，很好的完成了預警和降塵處理的功能，最后對該系統(tǒng)的可行性進行了多次的調(diào)試,實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

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ResearchonintelligentsensorforminedustbasedonInternetofThings

ZHANG Quan-zhu, GE Yan-xiang, DENG Yong-hong, ZHANG Wen-shan, QIAN Hui-fa

(InformationandControlTechnologyInstitute,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

Intelligent mine dust sensor is based on the Internet of Things, which is a kind of intelligent sensor combining dust sensor, temperature and humidity sensor with ARM9 processor. Multi-point acquisition of dust and temperature and humidity are achieved in the coal mine, the collected data is wirelessly transmitted through the Internet of things, and to achieve the collection of data to view, display and storage. The overall framework of the system adopts modular design, the hardware and software of data acquisition module, data transmission module and data processing module are mainly designed. And it realized the accurate, real time and wireless monitoring of dust, temperature and humidity in coal mine environment. It solves the problems of relatively low monitoring technology, small monitoring range and single detection method, and ensures the safety of the lives of coal miners.

intelligent dust sensor; dust detection; ARM processor; module design; wireless transmission

2017-09-19

中央高校基本科研業(yè)務費資助(3142017044，3142017045)

張全柱(1965-)，男，內(nèi)蒙古察右中旗人，博士，華北科技學院電子信息工程學院教授，研究方向：電力電子與電力傳動、微型計算機控制、軌道牽引電氣化與自動化、煤礦電氣自動化裝備等。E-mail:zhangquanzhu1965@123.com

TP212

A

1672-7169(2017)05-0035-05