基于物联网的矿井氧气浓度监测系统设计

陈 勇，孟凡伟，郭虎成

（1.南京龙渊微电子科技有限公司 江苏 南京 211106；2.河海大学研究生院 江苏 南京 211100）

煤矿有毒性气体对矿工的生命安全是致命的伤害。煤矿井下的各个生产环节都可能产生有毒性气体，如钻眼、炸药爆破、掘进机掘进、采煤机割煤、装煤、采煤支护放顶、巷道支护、装载运输转载及卸载提升等。有毒性气体危害不仅能使煤矿工人得尘肺病，而且易引发爆炸，造成重大安全事故。我国煤矿普遍具有毒性气体危险。

以上所述足见矿井有毒性气体的危害性之大，同时也说明了氧气监测与防治的重要性。因此，矿井氧气的防治问题日益受到广泛关注，世界各国在对矿井氧气的监测方面都做了大量的研究工作，研究开发了一系列的检测仪器及系统[1]。

目前，国内普遍采用人工、间断性、单地点检测氧气浓度的方式，或者采用一般有线连接传感器检测方式。这种方式测得的矿井氧气浓度数据仅反应了测尘时间段内的氧气状况，并不能全面、准确的反映煤矿井下空间的总体氧气情况，而且井下环境中有线传感器检测系统的布置工作非常繁琐，灵活性不足且扩展性差，系统部署和维护成本高等缺点，当某一结点出现故障，会使局部区域失去监测能力。

通过无线传感器网络Zigbee可以方便在煤矿井下进行快速的传感器部署。针对以上现状，研究开发适合我国煤矿井下特点的基于无线传感器网络的矿井氧气浓度监测系统[2]。

1 整体介绍

文中所要解决的技术问题是提供一种能够使用户在任何时间、地点和任何环境条件下，获取大量详实而可靠的氧气浓度信息，有效的避免矿井有毒气体泄漏的发生的基于无线传感器网络的矿井氧气浓度监测系统[3]。

文中为解决上述技术问题采用以下技术方案：设计了一种基于物联网的矿井氧气浓度监测系统，包括传感器检测模块、路由器传输模块、数据汇集模块和上位机模块，其中：所述传感器检测模块检测矿井内的氧气浓度信息，并将所述信息传输至路由器传输模块；所述路由传输模块将接收到的信息传输至数据汇集模块处理；所述数据汇集模块将处理后的信息传输至上位机模块，所述上位机模块对接收到的信息进行处理并作出判断、显示及报警。本氧气浓度监测系统能够使用户在任何时间、地点和任何环境条件下，获取大量详实而可靠的氧气浓度信息，有效避免矿井有毒气体泄漏的发生。

图1 总体框图Fig.1 General diagram

2 系统具体实现

2.1 传感器检测模块

所述传感器检测模块包括氧气浓度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器；所述氧气浓度传感器采集氧气浓度信息，并将氧气浓度信息进行A/D转换后传输至末级微控制器；所述末级微控制器对接收到的信息进行判断处理，并通过末级ZigBee收发器传输至路由器传输模块[4]。如图2所示。

图2 传感器检测模块Fig.2 Sensor module

2.2 路由器传输模块

路由器传输模块包括始发位置路由器节点、中继位置路由器节点、设置于始发位置路由器节点的第1、2级微控制器和第1、3级zigbee收发器、设置于中继位置路由器节点的第2、2级微控制器和第2、3级zigbee收发器；

始发位置路由器节点通过第1、3级zigbee收发器接收传感器检测模块传输的信息，并传输至第1、2级微控制器进行处理，并将处理后的信息通过第1、3级zigbee收发器传输至中继位置路由器节点；

中继位置路由器节点通过第2、3级zigbee收发器接收始发位置路由器节点的信息，并传输至第2、2级微控制器进行处理，并将处理后的信息通过第2、3级zigbee收发器传输至数据汇集模块。如图3所示。

图3 路由器传输模块Fig.3 Router transmission module

2.3 数据汇集模块

数据汇集模块包括1级微控制器与2级zigbee收发器；2级zigbee收发器接收路由器传输模块传输的信息，并将信息传输至1级微控制器进行处理，筛除无用数据信息，同时对保留数据信息进行功率放大；1级微控制器控制2级zigbee收发器将处理后的信息传输至上位机模块。

图4 数据汇集模块Fig.4 Data collection module

2.4 上位机模块

上位机模块包含1级zigbee收发器；所述1级zigbee收发器接收数据汇集模块传输的信息。

3 系统软件设计

如图6所示是矿井氧气浓度监测系统流程图[5-6]。软件实现过程：系统在软硬件初始化后由微量氧分析仪节点采集氧气浓度，然后将氧气浓度数据封装在zigbee协议中。通过zigbee协议发送数据到龙芯SOC路由节点，龙芯SOC路由节点将数据发送到http服务器，最后手机、平板电脑、网页通过http服务器得到氧气浓度数据。

图5 软件流程图Fig.5 Software flow chart

4 结 论

文中采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）本系统采用无线传感器网络技术，氧气采样检测点可以广泛的布置在不同作业点，灵活改变监测布局，从而实时获取精确的氧气浓度检测数据。

2）本系统不需要任何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点。

3）本系统能够使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的氧气浓度信息。

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[6]尹盼.基于Zigbee技术的矿井综合监测系统设计与网络节点开发[M].中南大学，2009.