基于GPRS和WSN的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

董孝琪 鄧春偉 趙海池 劉婷婷

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，煤炭的消費量持續(xù)增加。但是，在實際的煤炭生產(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)計就基于WSN和GPRS技術(shù)對礦井安全監(jiān)測進行研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計

采用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)對礦井內(nèi)的易燃?xì)怏w濃度的監(jiān)控，溫濕度的監(jiān)控和震動的監(jiān)控，為井下作業(yè)的安全保駕護航。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)對礦井內(nèi)的安全進行監(jiān)測和人員的定位。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)，在上位機上顯示采集的數(shù)據(jù)。一但井下發(fā)生險情，通過GPRS模塊為相關(guān)工作人員的手機終端發(fā)送短信，第一時間通知工作人員進行搶修。利用RFID技術(shù)確定人員的位置信息并在上位機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

結(jié)合實際根據(jù)各部分的不同功能可把該系統(tǒng)大致分為兩個部分，分別是傳感器采集數(shù)據(jù)與RFID定位部分和GPRS報警模塊部分。共包含兩個數(shù)據(jù)節(jié)點，兩個數(shù)據(jù)節(jié)點通過ZigBee協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。節(jié)點一和節(jié)點二實時采集井下的信息，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，由上位機判斷是否報警，如果報警則通過WiFi信號給報警模塊發(fā)送報警指令，由報警模塊的WiFi模塊接收數(shù)據(jù)，然后通過報警模塊給手機終端發(fā)送短信進行報警。整體流程如圖1-1所示。

（1）井下信息采集部分

本部分包含兩個節(jié)點，節(jié)點中包括傳感器模塊，ZigBee模塊，單片機最小系統(tǒng)模塊和RFID定位模塊。傳感器模塊中包含一個DHT11溫濕度傳感器，MQ2煙霧傳感器和SW-18010P振動傳感器。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、震動強度等信息;

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)器回傳至上位機顯示;

單片機最小系統(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)器中在上位機中顯示。

（2）報警模塊部分

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

軟件程序是設(shè)計的命令，硬件功能的實現(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

傳感器模塊的采集程序包括四個數(shù)據(jù)：溫度、濕度、有無震動和二氧化碳含量。在本設(shè)計中三個傳感器共用了一個開關(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)送一個工作指令，使傳感器切換到高速響應(yīng)模式，然后各個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)信息在由上位機進行數(shù)據(jù)處理并顯示。

在震動強度采集這部分是對SW-1080P震動傳感器程序的編寫，SW-1080P震動傳感器是用來采集井下的有無振動信息的。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數(shù)據(jù)信息，其實就是開關(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)送一個工作指令，使傳感器切換到高速響應(yīng)模式，然后各個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)信息在由上位機進行數(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芯片進入初始化，各個ZigBee模塊準(zhǔn)備開始組網(wǎng)，接收指令的ZigBee模塊開始進入組網(wǎng)狀態(tài)，若節(jié)點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)器在上位機上顯示采集到的溫濕度、CH4含量、震動強度、下井人員位置信息等數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器相當(dāng)于一個匯聚中心，把接收到的數(shù)據(jù)如實傳給顯示裝置。

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

2系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)分別對硬件、軟件系統(tǒng)進行單元測試，最后通過集成測試，對系統(tǒng)進行功能測試、需求測試。上位機的編寫使用的是Visual Studio 2013軟件，編譯運行成功后生成上位機界面，在上位機中可以顯示溫濕度，氣體濃度，有無振動，下井工作人員的位置等信息。上位機界面包括如下幾個功能：巷道一、巷道二的溫度、濕度、氣體濃度、震動等信息，可以調(diào)節(jié)不報警的取值范圍，如果超出此范圍，則在上位機上以顯示紅色字體來報警，還可以控制給手機端發(fā)布發(fā)送報警信息?？梢宰詣拥耐瓿砂l(fā)短信報警的功能。

3結(jié)論

基于GPRS和WSN的礦井安全監(jiān)測系統(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，震動信息，井下工作人員的定位和發(fā)短信報警等功能，將采集到的各項數(shù)據(jù)在上位機中顯示，真正的為礦井安全進行監(jiān)測。

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（黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目 項目名稱：基于GPRS和WSN的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計項目編號：201913299051）