董孝琪 鄧春偉 趙海池 劉婷婷

0 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭的消費(fèi)量持續(xù)增加。但是，在實(shí)際的煤炭生產(chǎn)過程中，礦難事故不斷的發(fā)生。因此，我們不得不將更多的注意力放到煤炭生產(chǎn)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(dāng)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(duì)井下的環(huán)境起到很大的作用，如果濕度過低則井下的粉塵會(huì)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(shè)計(jì)就基于WSN和GPRS技術(shù)對(duì)礦井安全監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)的易燃?xì)怏w濃度的監(jiān)控，溫濕度的監(jiān)控和震動(dòng)的監(jiān)控，為井下作業(yè)的安全保駕護(hù)航。利用到了ZigBee技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、WiFi技術(shù)、RFID技術(shù)及GPRS技術(shù)對(duì)礦井內(nèi)的安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)和人員的定位。利用ZigBee的無線傳輸技術(shù)，通過傳感器模塊采集礦井內(nèi)部的信息數(shù)據(jù)，在上位機(jī)上顯示采集的數(shù)據(jù)。一但井下發(fā)生險(xiǎn)情，通過GPRS模塊為相關(guān)工作人員的手機(jī)終端發(fā)送短信，第一時(shí)間通知工作人員進(jìn)行搶修。利用RFID技術(shù)確定人員的位置信息并在上位機(jī)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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際根據(jù)各部分的不同功能可把該系統(tǒng)大致分為兩個(gè)部分，分別是傳感器采集數(shù)據(jù)與RFID定位部分和GPRS報(bào)警模塊部分。共包含兩個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)通過ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。節(jié)點(diǎn)一和節(jié)點(diǎn)二實(shí)時(shí)采集井下的信息，通過ZigBee模塊將采集到的信息數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)判斷是否報(bào)警，如果報(bào)警則通過WiFi信號(hào)給報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警指令，由報(bào)警模塊的WiFi模塊接收數(shù)據(jù)，然后通過報(bào)警模塊給手機(jī)終端發(fā)送短信進(jìn)行報(bào)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(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)中包括傳感器模塊，ZigBee模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊和RFID定位模塊。傳感器模塊中包含一個(gè)DHT11溫濕度傳感器，MQ2煙霧傳感器和SW-18010P振動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度等信息;

ZigBee模塊的作用是將傳感器模塊感知的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器回傳至上位機(jī)顯示;

單片機(jī)最小系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中在上位機(jī)中顯示。

（2）報(bào)警模塊部分

本部分由兩塊STC89C52RC單片機(jī)，電源模塊，SIM900A芯片和WIFI模塊組成。當(dāng)上位機(jī)中發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，通過WIFI信號(hào)發(fā)出報(bào)警指令，由報(bào)警模塊中的WIFI模塊接收信號(hào)，由第一塊單串口單片機(jī)處理信息，傳給第二塊單串口的單片機(jī)，由第二塊單片機(jī)控制SIM900A芯片給手機(jī)終端發(fā)送短信。

軟件程序是設(shè)計(jì)的命令，硬件功能的實(shí)現(xiàn)需要通過軟件程序的控制。本系統(tǒng)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(yùn)行調(diào)試程序，保證硬件的正常工作。

1.2傳感器軟件設(shè)計(jì)

傳感器模塊的采集程序包括四個(gè)數(shù)據(jù)：溫度、濕度、有無震動(dòng)和二氧化碳含量。在本設(shè)計(jì)中三個(gè)傳感器共用了一個(gè)開關(guān)，以節(jié)約成本，也使操作更為方便。

在氣體濃度采集這部分是對(duì)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(tǒng)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(shù)據(jù)信息，其實(shí)就是開關(guān)是否打開的過程。當(dāng)開關(guān)打開后，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，由ZigBee模塊給傳感器發(fā)送一個(gè)工作指令，使傳感器切換到高速響應(yīng)模式，然后各個(gè)傳感器開始工作采集數(shù)據(jù)信息，將信息由下方的ZigBee模塊將發(fā)送出去，由協(xié)調(diào)器接收ZigBee模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)信息在由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示。

在震動(dòng)強(qiáng)度采集這部分是對(duì)SW-1080P震動(dòng)傳感器程序的編寫，SW-1080P震動(dòng)傳感器是用來采集井下的有無振動(dòng)信息的。系統(tǒng)開始初始化，然后開始判斷是否需要采集井下的震動(dòng)數(shù)據(jù)信息，其實(shí)就是開關(guān)是否打開的過程。當(dāng)開關(guān)打開后，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，由ZigBee模塊給傳感器發(fā)送一個(gè)工作指令，使傳感器切換到高速響應(yīng)模式，然后各個(gè)傳感器開始工作采集數(shù)據(jù)信息，將信息由下方的ZigBee模塊將發(fā)送出去，由協(xié)調(diào)器接收ZigBee模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)信息在由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示。

協(xié)調(diào)器是接收和發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)端的重要工具。協(xié)調(diào)器先發(fā)送指令，協(xié)調(diào)器內(nèi)的CC2530芯片進(jìn)入初始化，各個(gè)ZigBee模塊準(zhǔn)備開始組網(wǎng)，接收指令的ZigBee模塊開始進(jìn)入組網(wǎng)狀態(tài)，若節(jié)點(diǎn)上的傳感器模塊或者RFID模塊有數(shù)據(jù)回傳，則經(jīng)由協(xié)調(diào)器在上位機(jī)上顯示采集到的溫濕度、CH4含量、震動(dòng)強(qiáng)度、下井人員位置信息等數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器相當(dāng)于一個(gè)匯聚中心，把接收到的數(shù)據(jù)如實(shí)傳給顯示裝置。

SIM900A芯片用于報(bào)警模塊當(dāng)中，一但井下發(fā)生險(xiǎn)情，報(bào)警模塊通過WiFi模塊接收到報(bào)警信息，通過單片機(jī)1進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)送給單片機(jī)2是否發(fā)出報(bào)警指令，如果發(fā)出報(bào)警，則控制SIM900A芯片給手機(jī)終端發(fā)送短信。

2系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)分別對(duì)硬件、軟件系統(tǒng)進(jìn)行單元測(cè)試，最后通過集成測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試、需求測(cè)試。上位機(jī)的編寫使用的是Visual Studio 2013軟件，編譯運(yùn)行成功后生成上位機(jī)界面，在上位機(jī)中可以顯示溫濕度，氣體濃度，有無振動(dòng)，下井工作人員的位置等信息。上位機(jī)界面包括如下幾個(gè)功能：巷道一、巷道二的溫度、濕度、氣體濃度、震動(dòng)等信息，可以調(diào)節(jié)不報(bào)警的取值范圍，如果超出此范圍，則在上位機(jī)上以顯示紅色字體來報(bào)警，還可以控制給手機(jī)端發(fā)布發(fā)送報(bào)警信息?？梢宰詣?dòng)的完成發(fā)短信報(bào)警的功能。

3結(jié)論

基于GPRS和WSN的礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功的完成了礦井內(nèi)部的溫濕度采集，可燃?xì)怏w濃度的采集，震動(dòng)信息，井下工作人員的定位和發(fā)短信報(bào)警等功能，將采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)在上位機(jī)中顯示，真正的為礦井安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戰(zhàn)美玲.基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].山東師范大學(xué).2012：12-15.

[2] 宋甜.基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究[D].黑龍江大學(xué).2012：34-40.

[3] 李鵬.基于外骨骼機(jī)器人的電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué).2017：20-25.

[4] 周永.基于無線網(wǎng)絡(luò)分析儀器在線升級(jí)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州電子科技大學(xué).2011：35-40.

[5] 王三林.基于熱點(diǎn)覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)的研究[D].中南大學(xué).2014：23-30.

（黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 項(xiàng)目名稱：基于GPRS和WSN的礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目編號(hào)：201913299051）