基于物联网的矿用粉尘智能传感器研究

张全柱，葛艳香，邓永红，张文山，钱会发

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

基于物联网的矿用粉尘智能传感器研究

张全柱，葛艳香，邓永红，张文山，钱会发

(华北科技学院 信息与控制技术研究所，北京 东燕郊 065201)

基于物联网的矿用粉尘智能传感器，是一种将粉尘传感器、温湿度传感器与ARM9处理器相结合的智能传感器，在煤矿中对粉尘和温湿度进行多点采集，把采集到的数据通过物联网进行无线传输，并且能够实现对采集到的数据进行查看、显示和存储。系统的总框架采用模块化设计，主要对数据采集模块、数据传输模块和数据处理模块进行硬件和软件的设计，实现了对煤矿环境中粉尘和温湿度的准确、实时、无线监测，解决了煤矿井下监测技术相对滞后、监测范围小、检测方法单一等问题，保证了煤矿工人的生命安全。

智能传感器;粉尘检测；ARM处理器;模块设计；无线传输

0 引言

我国的煤矿在采煤、运输和装载等活动中，会产生大量的煤矿粉尘，在如此高粉尘浓度的工作环境下，不仅危害煤矿工人的健康，而且当粉尘的浓度达到一定程度时，会导致煤矿爆炸[1]。因此对于粉尘污染这一问题的治理及对于煤矿上粉尘浓度检测将是一项长期重要的工程[1]。粉尘虽然会对煤矿工作人员的健康产生影响,但是如果采取相应的措施,及时地疏通,降低粉尘浓度，还是可实现的。防范的措施应着力于浓度的检测，控制粉尘的浓度，采取有效的降尘措施，建立预报系统。国外的煤矿监测预报系统精度高、可靠性好、监测的范围广而且能够实现远程监控，但是他们的大部分设备售价昂贵，对一般的企业是无法承受的[2]。我国的监测技术在不断接近国际水平，但是这些监测系统大部分是半自动化的，把仪器固定放在监测点，然后由人把检测到的数据通过有线网络传输到监测系统，所以我国煤矿检测设备具有测试速度慢、精确度不高，报警能力不强，而且不能远距离进行监测等问题[2]。物联网是近几年来新兴的技术,在将粉尘浓度测试系统应用于实时粉尘浓度监控系统时,可将无线传感器网络的检测数据作为信息的数据来源,而且无线传感器网络布网灵活[3]。ARM作为当下非常流行的嵌入式微处理器，由于它的成本低和性能比较高，使其在无线通信领域越来越重视，已经占据了大部分的市场[2]。

1 检测系统

矿用粉尘智能传感器检测系统框图如图1。系统框图共分为3个模块，分别为数据采集模块、数据传输模块和数据处理模块。

数据采集模块也就是图1中的ZigBee节点与传感器组成的无线传感器模块，主要由CC2430模块构成的网络各节点以及连接在终端节点上的温湿度度传感器、粉尘传感器组成[2]；数据传输模块主要由ZigBee节点和协调器构成，CC2430 协调器接收来自采集模块的数据，然后协调器再将接收到的数据通过串口传输给ARM处理器；数据处理模块主要包括处理器、显示器、存储模块、报警模块等，数据处理模块是这个系统的控制中心,ARM处理器是这个智能传感器的核心部分，系统的所有命令都是处理器发出的,对采集节点进行选择,节点采集的数据进行处理，采集的数据如果超出预设的上下限时，进行报警，或者设备和系统本身发生异常也能进行报警，同时显示器将采集到的数据进行显示[4]。

ZigBee节点和协调器之间的通信是通过CC2430芯片中的无线射频模块进行通信的,在芯片中还集成有8051的内核,能快速地汇总数据,数据处理能力非常强,通信方式是利用ZigBee的协议[1-3]；ZigBee协调器和ARM处理器之间是用串口进行有线通信的,通信方式是利用基于串口的通信协议[2]。

图1 矿用粉尘智能传感器检测系统框图

1.1 数据采集和传输模块硬件设计

数据采集模块主要由在矿道中各个ZigBee节点通过传感器来实现数据的采集；数据传输模块是由各个ZigBee采集点与ZigBee协调器通过星型网络对采集数据的汇总。ZigBee节点的硬件连接框图如图2。

图2 ZigBee节点的硬件连接框图

1.2 数据处理模块的硬件设计

ARM9处理器S3C2440，它的CPU内核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC 处理器,特点是低功耗、低成本、接口丰富和可以连续长时间地工作，又有较强的数据处理能力和支持网络功能的接口[2-4]。RS232接口用于编译时，与宿主机进行通信；USB HOST在进行操作系统的移植时通过超级终端选择要移植的文件,USB DEVICE用于和ZigBee协调器进行通信；LCD接口用于显示节点采集的温湿度和粉尘数据,通过触摸屏可以在监测图形界面上进行操作(选择采集结点,查看历史数据等)；SD卡用于对采集的历史数据进行备份。数据处理模块的硬件结构框图，如图3。

图3 数据处理模块的硬件结构框图

2 系统的软件设计

系统软件结构图如图4所示。采集模块软件设计:在煤矿井下的巷道内布置多个检测点，每个检测点都为传感器的节点，节点上有粉尘传感器和温湿度传感器，来实现对粉尘和温湿度数据的采集[4]。无线传输模块软件设计:节点将各个传感器检测到的数据通过无线传输方式发送给协调器，协调器再把接收到的数据通过串口，然后传给ARM微处器。

图4 系统软件结构图

2.1 数据采集模块软件设计

系统开始运行，首先初始化硬件,初始化完成后，节点向协调器发送申请加入网络请求(网络是由协调器建立的),加入网络成功后，ZigBee节点上的指示灯会亮起,此时节点将给协调器返回段地址,如果此时有待处理的事件则程序转会去处理事件,待事件处理完成后进入定时程序,待定时时间到后发送采集信息,传感器开始采集数据并向协调器发送数据,如果发送成功，ZigBee协调器会返回一个地址程序继续数据采集和发送,如果发送失败则程序会自动检测加入网络是否成功,并尝试加入网络，数据采集模块的软件流程图如图5所示[5-8]。

图5 数据采集模块的软件流程

3 粉尘智能传感器系统调试

在实验中，制作不同浓度的粉尘气体，用气泵匀速冲入气室中，待粉尘气体浓度恒定后，开始进行测量。理论值是通过粉尘浓度计算公式测得，实际测得的粉尘浓度是传感器显示的值。粉尘的测量进行调试运行的演示，对传感器所测得的粉尘浓度进行数据分析，如表1所示；将测得的数据用MATLAB软件再进行线性拟合[5]，如图6所示，算出浓度理论值和粉尘浓度测量值之间的线性相关系数，粉尘浓度的理论值是通过标定的粉尘浓度传感器来确定的，看测得的浓度值和电压是否存在一定的线性的关系，计算误差范围是否在误差允许范围之内[6]。当浓度超过预设值时，蜂鸣器报警。

图6 粉尘浓度标准值与测量值的对比曲线图

采样点粉尘质量浓度(mg/m3)理论值(mg/m3)偏差(mg/m3)17675-12146.4150.54.13252.3250.5-1.84344.6350.55.95454.7450.5-4.26550550.50.57645645.50.5

从温湿度设定箱中设置温度在0℃～50℃、湿度在4%～90%之中7个典型的值,各自用了标准的空气质量检测仪器和设计的智能传感器进行检测,釆样的测量数据如表2所示。

如图7所示,温度和湿度测量的数据值和标准的数据值曲线大致是重合的,有些测量值不太一样,但总的误差不是太大。对不同检测点的数据分析,该智能传感器对温度和湿度的测量精度还是比较高的。

表2 温湿度检测测试数据

图7 温湿度标准值与测量值的对比曲线图

4 总结

设计的数据采集模块、数据传输模块和数据处理模块, 实现煤矿粉尘浓度采集，数据无线传输和实时显示的连续监测，很好的完成了预警和降尘处理的功能，最后对该系统的可行性进行了多次的调试,实验结果表明该系统稳定可靠。

[1] 高昊.基于光散射原理的矿用粉尘浓度传感器[J].煤矿安全,2016(03):98-100.

[2] 曹超.基于ARM和ZigBee的无线环境监测系统[D].西安：西安工业大学，2012.

[3] 杨文俊.基于传感器网络的信息广播系统关键技术研究[D].武汉：华中科技大学，2010.

[4] 梁华军.基于ARM9与ZigBee无线监测系统的开发研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[5] 赵明,汤晓君,张徐梁,等.基于CAV444的电容式液位传感器设计与优化[J].仪表技术与传感器，2015(01):11-13.

[6] 蔡巍.水环境重金属检测微传感器及自动分析仪器的研究[D].杭州：浙江大学，2013(08):34-39.

[7] 吴邦灿,费龙.现代环境监测技术[M].北京:中国环境科学出版社,2013(07)：1-12.

[8] 庄严.粮库无线温湿度监测系统的研究与实现[J].数字技术与应用,2011(11)：7-12.

ResearchonintelligentsensorforminedustbasedonInternetofThings

ZHANG Quan-zhu, GE Yan-xiang, DENG Yong-hong, ZHANG Wen-shan, QIAN Hui-fa

(InformationandControlTechnologyInstitute,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao, 065201,China)

Intelligent mine dust sensor is based on the Internet of Things, which is a kind of intelligent sensor combining dust sensor, temperature and humidity sensor with ARM9 processor. Multi-point acquisition of dust and temperature and humidity are achieved in the coal mine, the collected data is wirelessly transmitted through the Internet of things, and to achieve the collection of data to view, display and storage. The overall framework of the system adopts modular design, the hardware and software of data acquisition module, data transmission module and data processing module are mainly designed. And it realized the accurate, real time and wireless monitoring of dust, temperature and humidity in coal mine environment. It solves the problems of relatively low monitoring technology, small monitoring range and single detection method, and ensures the safety of the lives of coal miners.

intelligent dust sensor; dust detection; ARM processor; module design; wireless transmission

2017-09-19

中央高校基本科研业务费资助(3142017044，3142017045)

张全柱(1965-)，男，内蒙古察右中旗人，博士，华北科技学院电子信息工程学院教授，研究方向：电力电子与电力传动、微型计算机控制、轨道牵引电气化与自动化、煤矿电气自动化装备等。E-mail:zhangquanzhu1965@123.com

TP212

A

1672-7169(2017)05-0035-05