陳越超，王曉丹，程志偉，王鑫力

(長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

隨著社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)礦井監(jiān)控提出了新的更高要求。不僅要求監(jiān)測(cè)的快速、準(zhǔn)確，還要求監(jiān)測(cè)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化。本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)本地顯示報(bào)警功能，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理功能。

1 設(shè)計(jì)原理

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元、OneNet平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)三部分組成。其中，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元分為溫濕度監(jiān)測(cè)單元、甲烷檢測(cè)單元、負(fù)壓檢測(cè)單元和一氧化碳檢測(cè)單元等，各單元以Arduino控制模塊作為核心，接收并處理傳感器檢測(cè)參數(shù)信息，并通過(guò)Wi-Fi模塊傳輸至OneNet平臺(tái)。OneNet平臺(tái)負(fù)責(zé)接收和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息及向各單元發(fā)送監(jiān)控中心控制指令。網(wǎng)頁(yè)及手機(jī)APP可以作為遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，用戶通過(guò)登錄OneNet平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及控制，這樣的多平臺(tái)機(jī)制可以方便用戶隨時(shí)隨地通過(guò)訪問(wèn)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)礦井。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

各檢測(cè)單元電路組成類(lèi)似，主要由微控制器、無(wú)線通信單元、數(shù)據(jù)采集單元、電源模塊和報(bào)警顯示單元組成，電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文硬件電路設(shè)計(jì)以甲烷檢測(cè)單元為例。

圖2 檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.1 微控制器設(shè)計(jì)

微控制器采用Arduino MEGA2560，擁有54路數(shù)字輸入/輸出口、16路模擬輸入和4路UART接口，可以滿足本設(shè)計(jì)的需要。

2.2 甲烷檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

表1 MJC4/3.0L氣體傳感器技術(shù)指標(biāo)

圖3 甲烷濃度檢測(cè)模塊電路原理圖

圖4 LCD12864電路原理圖

2.3 顯示報(bào)警電路設(shè)計(jì)

由于需要同時(shí)顯示甲烷濃度、一氧化碳濃度、負(fù)壓值和溫濕度值，所以顯示模塊選用液晶顯示器LCD12864，分為五行顯示。為節(jié)省連接端口，液晶顯示選擇串口連接方式，只需要三條連接線，LCD12864的RS、RW、E分別連接Arduino的數(shù)字端口17、18、19。電路原理圖如圖4所示。

報(bào)警電路選用蜂鳴器報(bào)警，Arduino的數(shù)字端口12通過(guò)控制NPN型三極管導(dǎo)通和截止，達(dá)到控制蜂鳴器報(bào)警和關(guān)閉的作用。電路原理圖如圖5所示。

圖5 蜂鳴器報(bào)警電路原理圖

圖6 ESP8266串口Wi-Fi電路原理圖

2.4 無(wú)線通信單元設(shè)計(jì)

無(wú)線通信單元選用串口Wi-Fi通信模塊ESP8266，它是一款專(zhuān)門(mén)為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的模塊，以優(yōu)越的性能和低廉的價(jià)格迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，支持三種工作模式：STA、AP和STA+AP，本單元選用STA模式，Arduino作為Station，通過(guò)UART與ESP8266相連，電路原理圖如圖6所示。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)使用Arduino IDE編寫(xiě)，系統(tǒng)主程序包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理程序、Wi-Fi通信程序、數(shù)據(jù)顯示程序和報(bào)警程序等。程序首先進(jìn)行串口初始化、端口初始化、I2C初始化和Wi-Fi模塊初始化等，數(shù)據(jù)采集程序包括甲烷濃度采集、一氧化碳濃度采集、負(fù)壓檢測(cè)和溫濕度檢測(cè)等，之后對(duì)比EEPROM中存儲(chǔ)的各參數(shù)閾值，如有超出報(bào)警限，則發(fā)出聲光報(bào)警，最后按照HTTP協(xié)議通過(guò)串口Wi-Fi模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆neNet平臺(tái)。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

OneNet是中國(guó)移動(dòng)公司推出的一款物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放云平臺(tái)，提供了種類(lèi)豐富的智能硬件開(kāi)發(fā)工具和可靠的平臺(tái)服務(wù)，可以快速將終端設(shè)備快速接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理等完整的交互流程。云平臺(tái)為用戶提供三種通信方式，用戶可以根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要選擇不同的通信方式，網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇

OneNet平臺(tái)支持以太網(wǎng)通信、Wi-Fi通信和GPRS通信三種方式，以太網(wǎng)可以支持網(wǎng)線接入，Wi-Fi通信可以支持無(wú)線接入，GPRS可以支持SIM通信接入。由于本設(shè)計(jì)采用物聯(lián)網(wǎng)解決方案和無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，故采用Wi-Fi通信方式。

智能終端接入云平臺(tái)過(guò)程相對(duì)比較容易，首先在OneNet平臺(tái)上注冊(cè)賬號(hào)，創(chuàng)建專(zhuān)屬的“開(kāi)發(fā)者中心”，在用戶賬戶下創(chuàng)建產(chǎn)品，在產(chǎn)品中添加設(shè)備，為設(shè)備添加數(shù)據(jù)流，之后可以添加觸發(fā)器和新建應(yīng)用等。步驟如圖9所示。

圖9 OneNet平臺(tái)接入步驟流程圖

OneNet平臺(tái)提供公開(kāi)協(xié)議產(chǎn)品和私有協(xié)議產(chǎn)品兩種，其中公開(kāi)協(xié)議產(chǎn)品有HTTP、MODBUS、EDP、MQTT等多種協(xié)議選擇，本文選用HTTP協(xié)議。使用POST打包感知層采集的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)流格式如圖10所示。

圖10 POST數(shù)據(jù)流格式

本設(shè)計(jì)采用“儀表盤(pán)”實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，采用“折線圖”或“柱狀圖”顯示歷史數(shù)據(jù)，如圖11所示。在應(yīng)用界面中，礦井環(huán)境參數(shù)以“數(shù)字+圖表”顯示，并且數(shù)據(jù)可以保存在云平臺(tái)中，并以曲線圖的方式呈現(xiàn)礦井環(huán)境在一段時(shí)間內(nèi)的變化情況。OneNet平臺(tái)還可以設(shè)置報(bào)警功能，當(dāng)接收數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)置報(bào)警限，將會(huì)向用戶預(yù)先設(shè)定的郵箱發(fā)送報(bào)警信息。

圖11 用戶界面設(shè)計(jì)圖

5 結(jié)語(yǔ)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與其他的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在較大的不同，它將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合，不僅可以在工作現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)并實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)，使井下工作人員掌握參數(shù)數(shù)據(jù)。還借助OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，管理人員可以不分地域、時(shí)間通過(guò)遠(yuǎn)程登陸的方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)礦山。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)，基于開(kāi)放物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)將在煤礦安全生產(chǎn)中起到越來(lái)越重要的作用，進(jìn)一步推進(jìn)“智慧礦山”的發(fā)展。