武風(fēng)波 呂茜彤

摘 ?要： 井下環(huán)境對于施工人員的安全有較大的影響，設(shè)計一套井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)并實現(xiàn)對于井下工作環(huán)境狀況的實時監(jiān)測。通過應(yīng)用傳感器技術(shù)、移動通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)，設(shè)計井下環(huán)境數(shù)據(jù)移動監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)處理中心和井上數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。井下移動監(jiān)測終端與數(shù)據(jù)處理之間通過無線通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)處理中心通過有線傳輸模塊與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、處理、分析。井上數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)對井下采集的環(huán)境參數(shù)及圖像進(jìn)行實時分析并報警，性能穩(wěn)定，且實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計合理、安裝方便、節(jié)能環(huán)保，具有良好的可擴(kuò)展性，能夠滿足井下施工環(huán)境對安全性、可靠性的需求，實現(xiàn)井下環(huán)境情況的監(jiān)測、報警。

關(guān)鍵詞： 井下環(huán)境; 嵌入式技術(shù); ZigBee; 環(huán)境監(jiān)測; 數(shù)據(jù)采集; 報警

中圖分類號： TN919?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）13?0042?05

Design of downhole environmental monitoring system based on embedded technology

WU Fengbo， L? Xitong

（College of Communication and Information Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： Since the downhole environment has great impact on the safety of construction personnel， a downhole environmental monitoring system is designed to realize the real?time monitoring of the downhole working environment. The sensor technology， mobile communication technology and embedded technology are used to design the mobile monitoring terminal of downhole environmental data， data processing center and data monitoring center on ground. The data transmission between downhole mobile monitoring terminal and data processing center is realized by means of wireless communication mode. The data processing center and data monitoring center can exchange， process， and analyze the data by means of wired transmission module. The data monitoring system on ground can realize the real?time analysis of the environment parameters and images collected from downhole， alarm and remote transmission of data. It has stable performance. The test results show that the system has the advantages of reasonable design， easy installation， energy conservation， environment protection and good expandability. The system can meet the requirements of safety and reliability for the downhole construction environment， and realize the monitoring and alarming of downhole environmental situation.

Keywords： downhole environment; embedded technology; ZigBee; environmental monitoring; data collection; alarming

0 ?引 ?言

我國煤炭、礦產(chǎn)資源豐富，煤炭在我國能源工業(yè)的應(yīng)用中占一次能源生產(chǎn)總量的76%和消費(fèi)總量的69%。但是我國對于煤炭的開采一般采用地下開采，開采環(huán)境惡劣、地下開采瓦斯?jié)舛冗^高、開采產(chǎn)生的煤塵污染等一系列安全隱患無時無刻不威脅著井下工作人員的人身安全。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國大型煤礦開采環(huán)境下，中高瓦斯礦井約占 44.4%，且大約有91.35%的開采礦井環(huán)境有煤塵爆炸危險，僅2017年全國瓦斯事故有219起，因此對煤礦作業(yè)的工作平臺進(jìn)行安全監(jiān)測非常重要。

傳統(tǒng)的礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)為有線的連接方式，系統(tǒng)布線多、功耗大、施工復(fù)雜以及后期維護(hù)困難等。隨著科技的發(fā)展，近年來物聯(lián)網(wǎng)[1]逐漸成為健康管理煤礦設(shè)備的一種技術(shù)手段[2]，通過對地下礦井環(huán)境現(xiàn)場勘查，對井下環(huán)境以及有毒氣體的分析，本文結(jié)合嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)以及無線傳感器[3]等，設(shè)計一套既能滿足遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享的井下礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)同時又能兼顧節(jié)能環(huán)保、操作簡單以及性能穩(wěn)定等需求的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由移動監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)處理中心和井上數(shù)據(jù)監(jiān)控中心三部分組成。通過井下移動監(jiān)測終端中央處理器包括的ZigBee模塊，各個移動監(jiān)測終端的ZigBee模塊間組成MESH網(wǎng)絡(luò)，在組成的MESH網(wǎng)絡(luò)中形成一個局域網(wǎng)[4]，在此局域網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)從井下移動監(jiān)測終端到井下數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)處理中心接收到移動監(jiān)測中心傳來的數(shù)據(jù)通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、分析、處理。系統(tǒng)整體組成框架如圖1所示。

圖1 ?井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

2 ?硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要為移動監(jiān)測終端部分的設(shè)計。

2.1 ?移動監(jiān)測終端硬件設(shè)計

移動監(jiān)測終端以Exynos?4412 Cortex?A9四核嵌入式處理器為核心，拓展ZigBee模塊[5]、GPRS模塊、傳感器模塊、報警模塊、本安電源模塊以及擴(kuò)展接口[6]等模塊，實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點對數(shù)據(jù)的采集[7]，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線接收、匯總、顯示，并通過ZigBee模塊在移動監(jiān)測終端與數(shù)據(jù)處理中心形成MESH網(wǎng)絡(luò)[8]，用MESH網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，將數(shù)據(jù)發(fā)送至井下環(huán)境監(jiān)測終端服務(wù)器。

井下監(jiān)測終端組成框圖如圖2所示。

圖2 ?監(jiān)測終端組成框圖

終端設(shè)計中選用三星公司的Exynos?4412 Cortex?A9四核嵌入式處理器，主頻高達(dá)1.6 GHz。該CPU采用最新的32 nm HKMG工藝，性能強(qiáng)大，支持32 KB一級緩存，1 MB二級緩存，增強(qiáng)的VFP浮點體系結(jié)構(gòu)內(nèi)存控制器是新一代的規(guī)格DDR3/LPDDR3 1 600 MHz雙端口，可提供12.8 GB/s高帶寬，高分辨率下的高清視頻解碼、3D圖形顯示、高分辨率圖形信號等，支持多種格式視頻硬解碼，1 080 P，支持MEPG?4/H.263/H.264編解碼，3D圖形核心整合了ARM 新一代的Mali?400，支持大量API，支持OpenG 2.0，OpenVG 1.1和OpenCL 1.1 Full Profile[9]。

1） ZigBee模塊：選用TI公司的CC2530F256芯片，該芯片集ZigBee和RF4CE為一體，具有標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，256 KB FLASH程序存儲器，系統(tǒng)自帶編程閃存和8 KB RAM，具有2.4 GHz IEEE 802.15.4RF收發(fā)器，且具有多種運(yùn)行模式，并且各種運(yùn)行模式之間具有較短的轉(zhuǎn)換時間，比較適應(yīng)需要超低功耗要求的系統(tǒng);支持2～3.6 V供電區(qū)間，并且具有3種電源的管理模式：喚醒模式0.2 mA、睡眠模式1 μA、中斷模式0.4 μA。且具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，能夠滿足煤礦井下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的建立和環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2） GPRS模塊：采用SIMCOM公司的SIM900A，其工作頻率為GSM/GPRS 900/1 800 MHz，同時支持GPRS multi?slot class 10/8和GPRS mobile station class B，其GPRS class 10傳輸速率最大可達(dá)85.6 Kb/s（下行），可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。模塊尺寸為24 mm×24 mm×3 mm，待機(jī)電流1.5 mA。此外，SIM900A支持串行接口、SPI接口及SIM卡接口。供應(yīng)電壓范圍為3.2～4.8 V，操作溫度范圍為-40～85 ℃，同時GPRS模塊可向綁定的手機(jī)發(fā)送報警信息，以便相關(guān)人員及時掌握井下環(huán)境狀況。

3） 傳感器模塊：傳感器模塊主要由各類傳感器組成，用于動態(tài)采集井下環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫濕度、CO濃度及瓦斯?jié)舛鹊?，包括溫濕度傳感器、瓦斯?jié)舛葌鞲衅骱虲O濃度傳感器。

溫濕度傳感器：選用基于數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)的數(shù)字溫濕度傳感器，型號是DHT11，該傳感器具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。它采用單線制串行接口，數(shù)據(jù)傳輸簡單，反應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，采用4針單排引腳封裝，體積小，功耗低。測量范圍為20%～90% RH 0～50 ℃，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上。

CO濃度傳感器：選用CO氣體檢測專用傳感器MQ?7，該傳感器是一種半導(dǎo)體氣體傳感器，采用高低溫循環(huán)檢測方式低溫（1.5 V加熱）檢測CO濃度，靈敏度高，性能穩(wěn)定;采用樹脂封裝，工作溫度為（20±2） ℃，環(huán)境相對濕度為（65%±5%） RH，檢測濃度為10～1 000 ppm;工作電壓為（5.0±0.1） V，其中，[VH]（高）為（5.0±0.1） V，[VL]（低）為（1.5±0.1） V。

瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎翰捎冒雽?dǎo)體傳感器MQ?4，該傳感器采用導(dǎo)電率較低的氣敏材料二氧化錫，對甲烷有很高的靈敏度，使用壽命長，性能穩(wěn)定，工作溫度為（20±2） ℃，環(huán)境相對濕度為（65%±5%） RH，檢測濃度為300～10 000 ppm;工作電壓為（5.0±0.1） V，[VH]（高）為（5.0±0.1） V，[VL]（低）為（1.5±0.1） V。

4） 報警模塊：由BUZZER蜂鳴器和LED燈組成，井下環(huán)境正常時，蜂鳴器不響且LED燈保持不亮，當(dāng)有異常發(fā)生時，蜂鳴器發(fā)出報警聲音，同時LED不斷閃爍。

5） 本安電源模塊：主要為移動監(jiān)測終端提供能量，是礦用本安安全型電源，主要由供電系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、充放電保護(hù)電路和本安電路組成。其中，供電系統(tǒng)采用5節(jié)鋰離子電池組，提供19.5 V電壓輸入。

2.2 ?數(shù)據(jù)處理中心

數(shù)據(jù)處理中心主要用于接收并存儲每個移動監(jiān)測終端發(fā)出的環(huán)境狀況信息，還用于將井下環(huán)境狀況信息發(fā)送至井上數(shù)據(jù)監(jiān)測中心。

2.3 ?數(shù)據(jù)監(jiān)測服務(wù)器

井上環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測服務(wù)器通過接收經(jīng)過數(shù)據(jù)處理中心處理后發(fā)送至井上數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行服務(wù)器的配置，在完成服務(wù)器的配置后，就可以實現(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在局域范圍內(nèi)可見。

3 ?軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括井下環(huán)境監(jiān)測終端軟件、數(shù)據(jù)處理中心軟件和井上環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件三部分，三者之間的整體框架如圖3所示。

圖3 ?環(huán)境監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)服務(wù)器框架圖

3.1 ?移動監(jiān)測終端軟件設(shè)計

每個井下移動監(jiān)測終端的安裝位置不固定，有的安裝在瓦斯等危險氣體較容易涌出的位置，有的安裝在井下工作人員所佩戴的礦燈上，有的安裝在局部通風(fēng)機(jī)等機(jī)械設(shè)備上，還有的安裝于瓦斯涌出量變化較快的危險位置上。

井下移動監(jiān)測終端主要負(fù)責(zé)采集礦井的溫度、CO濃度和瓦斯?jié)舛?，并將采集到的?shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心。井下環(huán)境移動監(jiān)測終端系統(tǒng)運(yùn)行在監(jiān)測服務(wù)器上，整個移動監(jiān)測終端硬件框架主要結(jié)合數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行模塊開發(fā)。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測管理軟件和后臺數(shù)據(jù)庫組成，前者包括數(shù)據(jù)傳輸、處理和顯示等模塊。數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、分析和轉(zhuǎn)換等功能，數(shù)據(jù)的顯示是實現(xiàn)煤礦井下環(huán)境監(jiān)控的窗口，可顯示井下檢測到的實時數(shù)據(jù)。監(jiān)測終端軟件流程如圖4所示。

圖4 ?監(jiān)測終端軟件流程圖

3.2 ?數(shù)據(jù)處理服務(wù)器軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器作為井下環(huán)境數(shù)據(jù)分析處理的核心，主要完成從移動監(jiān)測終端上傳輸過來的數(shù)據(jù)的接收，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷與預(yù)警，完成數(shù)據(jù)庫設(shè)計等工作。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的各子功能模塊之間進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)井下環(huán)境數(shù)據(jù)處理服務(wù)器的基本功能。數(shù)據(jù)處理服務(wù)器接收井下環(huán)境監(jiān)測終端通過無線發(fā)送的數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)與程序預(yù)先初始化設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、分析，得出數(shù)據(jù)分析結(jié)果，如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)不一致，服務(wù)器會通過報警裝置發(fā)生報警，并且將存在異常的數(shù)據(jù)通過打包壓縮，用無線設(shè)備發(fā)送給井下移動環(huán)境監(jiān)測終端，井下環(huán)境監(jiān)測終端將其存在問題的狀態(tài)通過標(biāo)紅的形式顯示在液晶屏上，并通過GPRS發(fā)送報警短信。

本設(shè)計通過在井下環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件中設(shè)計一個QTcpServer類，并創(chuàng)建QTcpServer類的一個實例，通過綁定服務(wù)器地址，監(jiān)聽IP地址和監(jiān)測終端端口號，利用QT的信號和槽機(jī)制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接的請求和數(shù)據(jù)預(yù)處理[10]。本軟件的數(shù)據(jù)通信軟件流程圖如圖5所示。

圖5 ?服務(wù)器數(shù)據(jù)通信軟件流程圖

井下環(huán)境監(jiān)測服務(wù)器主界面設(shè)計主要包括兩個主頁：移動監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)信息、報警信息。其中，各移動監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)信息反映出各監(jiān)測終端上各個傳感器的數(shù)值或當(dāng)前狀態(tài)及該服務(wù)器的名字和服務(wù)器對應(yīng)的IP地址。

4 ?性能測試

在實驗室模擬井下實際環(huán)境，井下環(huán)境移動監(jiān)測終端、數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)服務(wù)器三端聯(lián)合測試，在井下環(huán)境移動監(jiān)測終端系統(tǒng)上，對于井下數(shù)據(jù)的采集、分析與接收，系統(tǒng)的報警以及數(shù)據(jù)的顯示滿足較高的實時性要求。ZigBee模塊作為移動監(jiān)測終端與數(shù)據(jù)處理中心的核心模塊，模塊整體運(yùn)行良好，對于數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送有良好的作用。

井下工作人員及移動監(jiān)測終端的監(jiān)管人員，可以通過登錄自己的賬號與密碼，進(jìn)入到系統(tǒng)統(tǒng)一的服務(wù)器系統(tǒng)，通過在井下移動監(jiān)測終端對井下環(huán)境的各項參數(shù)進(jìn)行分析、比對，實現(xiàn)對系統(tǒng)的預(yù)報警。

為了驗證系統(tǒng)的實用性，在實驗室密閉環(huán)境進(jìn)行溫度、CO濃度和瓦斯?jié)舛鹊臏y試，通過登錄界面進(jìn)入監(jiān)測服務(wù)器系統(tǒng)，在這里可以查看到井下各個采集節(jié)點通過環(huán)境移動監(jiān)測終端匯總的各項傳感器數(shù)值，并進(jìn)行比對分析。如圖6所示，顯示各節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)。

5 ?結(jié) ?語

在模擬井下環(huán)境測試發(fā)現(xiàn)，井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)井下環(huán)境各項參數(shù)的采集和無線傳輸，數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控。基于嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)的井下礦井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在實時性和人性化監(jiān)測上表現(xiàn)良好，具有廣泛的社會使用價值。

圖6 ?PC端顯示各節(jié)點采集數(shù)據(jù)

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