基于物联网的矿井通风机监控系统研究

杨军金，傅成华，董子琦

(四川理工学院 自动化与电子信息学院，四川 自贡 643000)

基于物联网的矿井通风机监控系统研究

杨军金，傅成华，董子琦

(四川理工学院 自动化与电子信息学院，四川 自贡 643000)

针对当前矿井通风机监控系统功能单一、反馈控制能力差能等特点，提出一种基于物联网的矿井通风机监控系统。该系统利用传感器、WiFi技术实现监控系统实时数据传输和反馈报警控制功能。详细描述了矿井通风机监控系统构成及各硬件设计原理图，介绍了系统的底层驱动设计及软件设计流程。通过实验证明该矿井通风机监控系统能实时传输数据，视频监控稳定，能实现报警控制，可在移动平台或者PC机上进行监控，具有一定的推广价值。

物联网；WiFi；监控系统；移动平台

随着社会发展，安全生产已经成为各行各业中最重要的问题，在煤炭企业中更为重要。我国煤炭开采主要是在井下开采，井下环境恶劣，情况复杂，容易发生各种突发事故。通风机是保证煤矿安全生产的重要环节，需向井下输送新鲜空气，降低温度和湿度以及减少有毒气体和煤尘残留空间等[1]。需要一种通风机监控系统，不仅能直观地监视和记录通风机现场的工作情况，而且能及时发现事故苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的第一手图像资料。传统矿井通风机监控系统功能单一，没有反馈控制系统，需要花费大量人力与时间在监控系统上。设计一种具有反馈控制系统的矿井通风机监控系统对于降低煤炭企业财力，减少企业损失，提高煤炭企业安全生产能力具有重大意义[2-5]。

本文提出一种基于物联网的矿井通风机监控系统。该系统能通过WiFi技术实时对通风机工作状况进行监控，还能对通风机周围的温度情况进行采样分析并形成反馈报警系统，当发现矿井通风机周围温度情况出现异常情况时，反馈报警系统会根据异常情况做出反应，通过发送GPRS短信通知人员撤离，自动关闭矿井中大型设备等。该系统能提高煤炭企业安全生产能力。

1 系统总体结构设计

系统以Cotex-A8核心板为控制核心，分为井下部分和井上部分，外围模块有下位机模块、温度采集模块、WiFi模块、GPRS模块、摄像头模块、报警模块等。在正常情况下对矿井通风机进行视频监控，同时轮询查询通风机周围的温度，一旦温度过高，说明矿井存在安全隐患，这时系统主机首先会进行语音报警，通知人员发生紧急情况，然后通过GPRS模块发送报警短信给其他作业人员，同时系统自动开启紧急报警程序，通过控制继电器关闭井下的采煤设备，以达到撤离人员和矿井安全的目的，系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 硬件设计

2.1 总体硬件结构

系统中央处理器采用基于64位总线架构的S5PC100处理器，该处理器基于ARM v7架构，主频达到833 MHz，以SDRAM与Nand Flash作为系统存储器。视频采集模块选用OV9650摄像头，该摄像头像素为130万，具有自主图像编辑能力，用户可以自主编辑图像输出格式。其数据输出格式有YUV，YCbCr，RGB565，RGB555等。该摄像头还具有体积小、功耗低、集成度高、应用方便等特点，可直接应用于Cotex-A8核心板上。GPRS模块选用CM320，该模块基于CDMA 2000接口，具有全双工无线通信能力。WiFi模块选用USR-WIFI232-X-V4，温度采集模块选用DH11，报警控制模块选用SRD-05VDC-SL-C。系统总体硬件结构图如图2所示。

图2 系统硬件结构图

2.2 温度采集单元

温度的变化在矿井中会产生一系列变化。为了准确、稳定地测量矿井通风机周围的温度情况，采用DH11温度传感器作为温度检测器件，该模块采用数字模块采集技术，采用单总线数据通信，这样可以节省管脚，使用简单，其具有8位分辨率，检测范围在0 ℃～+50 ℃之间。其电路设计如图3所示，其中1管脚是电源，2管脚是数据输出，4管脚接地，上拉电阻R1用于保障DH11在工作时所需的1 mA电流。

图3 温度采集电路

2.3 报警控制模块

当发现危险因素存在，需要及时撤离人员，同时需要系统自动关闭一些大型设备。本系统采用SRD-05VDC-SL-C继电器作为电流控制的接口，该继电器基于UL，CUL，TUV认证，最大可以通过10 A电流。为了减小SRD-05VDC-SL-C继电器对控制中心的影响，采用TLP181光电耦合器连接模块的输入端，从而起到隔离作用。光电耦合器出来的信号比较微弱，通过一个三极管对信号放大才能使用，当开启或关闭继电器时，由于继电器中线圈会产生较强的感应电流，为了减少感应电流对电路的影响，用一个二极管D2与继电器构成回路，以抵消感应电流。其电路设计图如图4所示。

图4 继电器控制电路

2.4 WiFi模块设计

在矿井中存在着道路陡峭、布线困难等特点，为了更好地在矿井中传输数据，系统采用基于无线收发的WiFi模块USR-WIFI232-X-V4作为通信模块，该模块基于IEEE802.11无线标准协议，具有有线收发与无线收发数据能力，支持TCP/IP协议，可以通过以太网接口、UART接口等与主控制器进行连接。本系统采用以太网接口与主控制器进行连接，其硬件连接图如图5所示。该WiFi模块需要3.3 V的单电源供电，系统选用LD1117-18电源芯片对其供电，LD1117-18是一种低压稳压芯片，能够提供+1.25～+5 V之间的不同版本电压。对于3.3 V的输出电压通常情况下会在输入端与输出端分别加上2个电容进行滤波。在与以太网接口连接前需要串联一个KMS-1102NL网络变压器和RJ-45连接器。KMS-1102NL变压器主要起到稳定电平、隔离抗干扰作用，USR-WIFI232-X-V4其他管脚作为GPIO与CPU进行连接。

3 系统软件设计

3.1 底层驱动设计

驱动设计是系统软件设计的一部分，在本系统中驱动设计主要完成底层摄像头驱动设计，主要实现摄像头相关寄存器及CPU相关引脚的配置及初始化，并对它们进行封装向应用层提供统一接口，OV9650摄像头有很多寄存器，可用I2C总线去配置这些寄存器。首先添加OV9650摄像头信息，找到Linux内核文件mach-smdkc100.c添加摄像头信息，代码为：

staticstruct i2c_board_info i2c_devs1[]__initdata={

{

I2C_BOARD_INFO(“ov9650”,0x30),

},

};

图5 WiFi连接电路

然后配置摄像头相关控制器，主要是配置摄像头相关引脚，设置相关地址信息、命名相关设备等，这些信息在可以通过s5pc100芯片手册查看，然后添加摄像头平台相关信息，代码为：

staticstruct platform_device *smdkc100_devices[] __initdata = {

&s3c_device_camif,

};

然后加载驱动程序，驱动程序加载方式有两种，可以直接添加进内核里，也可以通过模块动态加载。本文采用MODULES动态加载模块的方式，这样可以节省系统开销。驱动程序主要编写file_operations结构体中的各个函数，实现里面的函数功能，代码为：

struct file_operations{

struct module *owner;

.open = cra_open;

.read = cra_read;

.write = cra_write;

.ioctl = cra_ioctl;

.mmap = cra_mmap;

}

其中重要的两个函数接口有cra_ioctl()与cra_mmap()。ioctl()函数用于执行设备I/O控制命令，管理I/O通道，设置设备属性等。mmap()函数用于映射空间，将摄像头内核地址直接映射到用户进程地址空间，这样不用进行数据拷贝，从而减少了系统的运行负载。还有两个重要的宏module_init()与module_exit()，分别驱动程序的入口点与结束点。module_init()实现复位OV9650摄像头，初始化系统camera接口和摄像头接口，分配系统内存，配置时钟频率等。module_exit()完成进程地址空间，存储缓冲区的释放，关闭中断请求工作等。

3.2 应用层软件设计

应用层软件设计主要包括系统界面设计和系统数据传输保存设计。监控软件整个系统的远程控制端，主要包括采集OV9650摄像头数据与温度数据，实现WiFi通信，报警系统设置实现继电器报警命令控制，系统自动发送GPRS短信到通信设备。监控软件主要基于Eclipse平台进行开发。监控界面不仅可以在PC机上显示，还可以在基于Android平台的移动平台上显示。系统软件结构图如图6所示。

图6 系统软件结构图

4 系统测试

在测试程序中OV9650传感器能实时采集图像数据，输出格式为YUV4∶2∶2，采集速度为15帧/秒(f/s)，图片分辨率为320×240，温度传感器能实时采集温度数据，并且主控制器能实时对温度进行分析报警，当出现紧急情况时系统能通过GPRS模块向员工发送报警短信，同时继电器能实现自动关闭电源设备。视频截图如图7所示。与传统系统相比，该系统具有运行稳定、可移植性好、图像画面清晰等优点。

图7 测试结果图(截图)

5 小结

本文设计了一种基于物联网的矿井通风机监控系统，对系统硬件结构、工作原理及软件设计进行了详细介绍。与传统矿井监控系统相比，该系统具有更高的安全性，通过视频监控系统与温度自动报警系统组成双层报警系统，为提高煤矿企业安全生产、煤矿企业现代化管理提供了可靠保障。同时该系统能在发生紧急情况时通过系统报警命令相关设备停止工作，具有实际应用价值。

[1]张杰. 基于DSP的矿用通风机监控系统研究[J].煤矿机械，2013，34(9)：276-278.

[2]张勇. 网络数字视频监控系统在矿井安全生产中的应用[J].煤炭工程，2003(7)：74-78.

[3]贺礼，唐伦，陈前斌. 移动视频监控系统的设计与实现[J].电视技术，2007，31(6)：59-63.

[4]唐永彬，杨恢东. 基于ARM11的嵌入式Web网络监控系统设计[J].电视技术，2011，35(9)：122-125.

[5]程德强，李世银，李鹏. 矿井安全监测监控系统[J].电视技术，2006，30(2)：78-82.

[6]汪宇，吕卫，杨博菲. 基于Android平台的智能家居监控系统[J].电视技术，2012，36(2)：36-38.

[7]武先利，杨勇，魏峰. 煤矿井下安全监控系统技术改进探讨[J].煤矿安全，2009(8)：109-112.

[8]宋宝华. Linux设备驱动开发详解[M].北京：人民邮电出版社，2008.

责任编辑：任健男

Research on Monitoring System of Mine Ventilator Based on Internet of Things

YANG Junjin，FU Chenghua，DONG Ziqi

(SchoolofAutomationandElectricInformation,SichuanUniversityofScienceandEngineering,SichuanZigong643000,China)

In view of the single function and poor ability of feedback control features for the mine ventilator monitoring system, a kind of mine ventilator monitoring system is put forward based on Internet of things. The system uses sensors and WiFi technology to realize monitoring system for real-time monitoring data transmission and feedback alarm control function. The structure and the hardware principle diagram of monitoring system are described in detail. It introduces the system of underlying driver and software design process. Finally, experiments prove that the monitoring system of the mine ventilator can transfer real-time data, stabilize video monitoring, alarm, can be monitored in the mobile platform or PC, and has certain promotion value.

Internet of things; WiFi; monitoring system; mobile platform

四川省科技支撑计划项目(2013GZ0030)

TP277

A

10.16280/j.videoe.2015.01.035

2014-04-10

【本文献信息】杨军金，傅成华，董子琦.基于物联网的矿井通风机监控系统研究[J].电视技术,2015，39(1).