基于物联网技术的矿井安全监控系统设计*

周云科， 杨林靖， 张恩迪

(湖南大学 物理与微电子科学学院 微纳光电器件及应用教育部重点实验室，湖南 长沙 410082)

0 引 言

近年来，我国的煤矿透水、瓦斯爆炸等事故频发，伤亡惨重[1]。煤矿的安全因素复杂多样，监控系统的功能和可靠性非常重要。当前物联网技术在矿井安全监控方面应用越来越广泛。嵌入式系统因其强大的实时性和稳定性，非常适合高精准的工业监控系统。Zig Bee技术以其自组织、低功耗、低成本等特点赢得了市场。3G技术具有利用率高、安全性强、传输速率高、稳定性高等优势，能够实现高质量无线通信。以往的煤矿安全监控没有很好的组合使用上述技术，并且只是专门的图像监控或者部分数据监控。董翠英[2]提出了煤矿视频监控；张国军等人[3]提出了瓦斯监控；赵丁等人[4]虽然有温湿度和瓦斯浓度监控，但是没有涉及3G技术；马永力[5]虽然使用了3G技术，但传感器是分立的，没有利用好Zig Bee技术；汪玉凤等人[6]虽然提出有Zig Bee技术和较全面的数据监控，但是没有视频监控部分。上述组合技术在矿井安全监控方面应用较少。此外，新的监控结构应用也相对很少。

本文设计了一种基于物联网技术的矿井安全监控系统。系统通过Zig Bee无线组网，实现对井下温湿度、瓦斯浓度和一氧化碳浓度的数据监控，并通过摄像头对矿井作业进行监控。ARM处理器通过3G无线网卡接入互联网，网络中的客户端可以对服务器中的数据进行访问和控制。客户端计算机和智能手机分别采用B/B/S结构和C/S结构进行远程监控。

1 系统总体设计

系统由ARM9服务器、摄像头、无线传感器、3G模块及客户端组成，通过Zig Bee无线组网，温湿度、瓦斯、一氧化碳等传感器置于网络节点上采集矿井环境数据，视频监控设备采集井下作业信息，然后分别传送至服务器。服务器对接收的数据解析并存储，服务器入网后，客户端通过网络可随时随地访问服务器中的数据，从而实现远程监控的目的。系统体系结构如图l所示。

图1 系统体系结构

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件总体结构

设计采用三星S3C2440微处理器作为服务器，是基于ARM9架构的一种功能强大的处理器，采用ARM920T内核，16 kB指令Cache(I-Cache)/16 kB数据Cache(D-Cache)。处理器内部带有全性能的MMU(内存处理单元)，主频为400 MHz，外接模块也很方便。系统硬件总体结构如图2所示。

图2 系统硬件总体结构

2.2 无线传输模块

Zig Bee是一种近距离、低功耗、低成本的双向无线通信技术。系统选用CC2530作为通信芯片，用于2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zig Bee /RF4CE的第二代片上系统解决方案，结合了领先的RF收发器，标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8 kB RAM和许多其它强大功能。不同的运行模式使得它能适应超低功耗系统。Zig Bee网络一般分为星形(Star)、树形(Tree)、网状(Mesh)3种网络拓扑结构。系统采用树形拓扑结构。

2.3 传感器选择

2.3.1 温湿度传感器

系统选用AM2303数字温湿度传感器，它是一种含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它响应快、抗干扰能力强、性价比高。其测湿范围0 %～100 %RH，测温范围-40～100 ℃。

2.3.2 瓦斯传感器

系统选用MJC4/3.0L型瓦斯传感器，根据催化燃烧效应原理，桥路输出电压呈线性，响应速度快，广泛应用于工业现场多种气体浓度检测。器件由检测元件和补偿元件配对组成电桥的2个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压随气体体积分数增大而呈正比。

2.3.3 一氧化碳传感器

系统采用NAP—505电化学式一氧化碳传感器，它广泛适合于工业领域的一氧化碳体积分数检测。原理与常规的一样，但新构造降低了电解液泄漏的风险。具有高精度、高灵敏度、低成本等特性。该传感器对一氧化碳的灵敏度很高，测量范围为(0～1000)×10-6经查成人能承受的最大含量为50×10-6。

2.4 传感器节点设计

传感器节点是无线传感器网络[7]的基本组成单元，实现矿井环境信息的感知、采集、处理及无线通信功能，包括传感器、单片机、电源模块和Zig Bee模块等部分。传感器节点对矿井内部的温湿度、瓦斯以及一氧化碳等信息进行采集，然后经过微处理器处理，通过Zig Bee无线通信模块传给网关节点。由于井下地形复杂，可设置多个传感器节点。传感器节点电路图如图3所示。

图3 传感器节点电路图

2.5 网关节点设计

网关节点的功能是接收传感器节点采集的数据信息并处理，然后将信息压缩成数据包后转发给远程监控客户端，客户端通过网关节点对矿井内的传感器节点进行监测与控制。由于网关节点距离监控客户端比较远，实现功能较多，所以,它的处理、存储和通信等能力必须可靠。网关节点电路图如图4所示。

图4 网关节点电路图

2.6 远程视频监控模块

为满足管理部门对井下施工控制和管理的要求，系统加装了摄像头，以此加强对井下作业的安全监控。设计选用中星微ZC301摄像头。由于系统设计将ARM服务器置于矿井下面，摄像头直接通过USB线与ARM9服务器连接。

2.7 3G无线联网模块

ARM服务器通过3G网卡接入互联网，其信号覆盖面广，通信质量高。系统3G无线联网模块选用华为EM820内置卡，支持HSUPA/HSDPA,同时也适用于GSM/GPRS/EDGE和WCDMA(HSPA+)网络，当运行在WCDMA制式时，能够承载上下行非对称数据传输能力，是目前速率最快的3G模块。

3 系统软件设计

3.1 传感器节点软件设计

传感器节点的工作模式分为休眠、唤醒和正常3种。若无数据传送时，其处于休眠状态，处理器也停止工作，射频模块处于低电流接收状态；当节点检测到有数据传送时，该设备被唤醒并判断是否是目的节点，如果是，则转入工作状态，开始数据采集并传送；如果否，则对该消息转发后再次进入休眠状态。传感器节点流程图如图5所示。

图5 传感器节点流程图

图6 网关节点软件流程

3.2 网络节点软件设计

网关节点主要用于接收和转发数据，连接传感器网络与外部Internet网络，实现2种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，并把数据转发到外部网络上。它通过Zig Bee短距离无线通信模式与传感器节点进行交互、接收、处理相关数据，然后通过无线3G模块联网并远程传送给监控客户端。当监控客户端有命令下达时，再将这些控制命令转换后发送给矿井内的传感器节点。网关节点软件流程图如图6所示。

3.3 无线组网算法设计

由于系统传感器节点较多，所有节点的数据只通过同一个Zig Bee模块传输容易引发信道冲突。目前一般都是采用CSMA/CA的算法来避免冲突。由于该算法的局限性，共享信道的争抢非常激烈，容易导致网络拥塞。所以，系统采用改进型的CSMA/CA算法，即基于时隙分组的改进型的CSMA/CA算法。该算法原理是将超帧结构的竞争周期(CAP)中的16个时隙进行分组，给每个超帧开始时退避指数(BE)一个随机值，并在此后的每个时隙分组中BE按一定规律变化，从而使得各个传感器节点在进行信道访问时能够从不同的退避区间中选取自己的随机退避时间，降低设备之间退避时间的重合概率，相当于将原始的CSMA/CA算法中选取初始BE值得固定过程改变为一个随机过程。该算法基于超帧时隙分组，动态随机分配退避指数BE，减少了数据重传和信道检测次数，从而提高了网络信道的利用率，也降低了节点能耗。

3.4 视频监控软件设计

由于Linux2.6.12内核版本中没有ZC301型摄像头的驱动，需要重新加载。其驱动是SPCA5XX，针对嵌入式环境，还需要打补丁(patch：usb-2.6.12LE06.patch.tar.gz)，再通过menu configure命令在上位机Linux系统下进行内核配置，重新编译，然后把内核重新写入开发板。此外，系统采用了UVC(USB video device class)的驱动V4L2(Video4Linux2)框架，它提供了一套统一的API接口规范，包括一套数据结构和底层V4L2驱动接口，视频应用程序通过调用API即可操作各种不同的视频捕获设备。作业图像采集程序的流程图如图7所示。

图7 作业图像采集流程图

4 服务器/客户端设计

服务器主要接收并存储WSNs和视频设备采集的数据，客户端通过Internet与服务器进行交互。应用程序使用传输层的TCP协议实现数据的可靠传输，TCP协议的特性是能够提供可靠的、面向连接、字节流传送服务，能在2个通信的主机之间建立点到点连接。首先在客户端与服务器之间建立连接，两者通过连接进行数据交互，最后结束连接。系统的ARM9服务器、监控终端计算机和智能手机分别对应服务器和客户端。

4.1 计算机客户端监控

C/S(Client/Server)和B/S(Browser/Server)是目前两大主流构架。C/S[8]结构开放度只到开发应用初级，不同操作系统需要不同客户端软件，成本高。但其可充分利用硬件优势，降低通信成本。B/S结构可实现随时随地信息查看。系统将B/S结构和C/S结构结合为3层B/S结构[9]，即B/S/S(浏览器/服务器/服务器)，便于系统维护和功能扩充。第一层为浏览器，负责以WEB方式提供应用服务界面，用户通过权限后，可随时随地通过浏览器实现对矿井的安全监控。中间层是功能层服务器，即公共网关接口，该接口是在WEB服务器上实现的，是客户端和数据库之间数据交互的纽带。第三层为数据库服务器，存放各种数据包括历史数据和实时数据。三层B/S结构图如图8所示。

图8 三层B/S结构图

4.2 手机客户端监控

随着智能手机技术的发展，手机监控客户端越来越普遍,主要是通过手机客户端软件实现数据的监测显示并发出控制命令。设计采用QT编写手机客户端界面，用户可通过手机界面对矿井监控数据进行查询，包括实时监控、历史查询等，也可发送传感器节点的控制命令。

5 测试结果

将系统连通后测试，用户可使用入网的计算机或智能手机访问系统服务器，查看实时的检测数据以及作业图像。根据实验室条件，只对一个节点进行测试，数据每2 min更新一次，测试数据如表1所示。

表1 系统测试数据

结果分析可知，各监控参数变化较小，且视频数据也相对流畅。说明系统运行稳定，实现了对环境参数的准确检测和无线传感器网络通信功能。系统成本较低，控制精度也达到了设计目标。

6 结束语

本文以ARM9为服务器，充分利用Zig Bee技术和3G技术的强大功能，组合使用，对矿井不同数据进行监控，计算机和智能手机作为监控客户端，设计了一种新型的基于物联网技术的矿井安全监控系统，计算机客户端采用新的B/B/S架构，系统组网方便，数据传输速度快。相比传统的矿井安全监控系统而言，该系统技术组合性和创新性强，容易扩展，稳定可靠。

参考文献:

[1] 孙继平.煤矿物联网特点及关键技术研究[J].煤炭学报,2011,36(1):167-171.

[2] 董翠英.基于物联网的煤矿视频监控系统设计[J].煤炭技术,2012,31(2):59-60.

[3] 张国军，郑丽媛，张 俊.基于物联网的瓦斯监控系统[J].传感器与微系统,2013,32(1):125-127,130.

[4] 赵 丁，郭业才.基于ARM9的煤矿无线安全监控系统的设计[J].煤炭技术,2012,31(5):150-152.

[5] 马永力.基于3G技术的煤矿监控系统研究[J].煤炭技术,2013,32(4):166-168.

[6] 汪玉凤，尹靖康，刘翘楚，等.新型煤矿安全监控系统的设计[J].计算机测量与控制,2013,21(4):939-941.

[7] 李雪刚，黄梦醒，朱东海.基于物联网技术的远程农田监控系统设计[J].计算机工程,2012,38(17):20-23.

[8] 梁志勇，戴胜华.基于C/S模式的煤矿监控系统的应用研究[J].铁路计算机应用,2011,20(3):30-31,34.

[9] 刘 娇，刘佳欣，唐 磊.基于B/S的通信电源监控系统软件设计与实现[J].电源技术,2013,37(1):136-137.