基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井氧氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井氧氣濃度檢測(cè)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井氧氣濃度檢測(cè)系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)的軟硬件測(cè)試。硬件包括傳感器檢測(cè)模塊、路由器傳輸模塊、數(shù)據(jù)匯集模塊和上位機(jī)模塊，軟件采用MSP430進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了氧氣濃度信號(hào)檢測(cè)。應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能有效地避免礦井有毒氣體泄漏的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；礦井；氧氣濃度；檢測(cè)

    煤礦有毒性氣體對(duì)礦工的生命安全是致命的傷害。煤礦井下的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生有毒性氣體，如鉆眼、炸藥爆破、掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)、采煤機(jī)割煤、裝煤、采煤支護(hù)放頂、巷道支護(hù)、裝載運(yùn)輸轉(zhuǎn)載及卸載提升等。有毒性氣體危害不僅能使煤礦工人得塵肺病，而且易引發(fā)爆炸，造成重大安全事故。我國煤礦普遍具有毒性氣體危險(xiǎn)。
    以上所述足見礦井有毒性氣體的危害性之大，同時(shí)也說明了氧氣監(jiān)測(cè)與防治的重要性。因此，礦井氧氣的防治問題日益受到廣泛關(guān)注，世界各國在對(duì)礦井氧氣的監(jiān)測(cè)方面都做了大量的研究工作，研究開發(fā)了一系列的檢測(cè)儀器及系統(tǒng)。
    目前，國內(nèi)普遍采用人工、間斷性、單地點(diǎn)檢測(cè)氧氣濃度的方式，或者采用一般有線連接傳感器檢測(cè)方式。這種方式測(cè)得的礦井氧氣濃度數(shù)據(jù)僅反應(yīng)了測(cè)塵時(shí)間段內(nèi)的氧氣狀況，并不能全面、準(zhǔn)確的反映煤礦井下空間的總體氧氣情況，而且井下環(huán)境中有線傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的布置工作非常繁瑣，靈活性不足且擴(kuò)展性差，系統(tǒng)部署和維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，當(dāng)某一結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，會(huì)使局部區(qū)域失去監(jiān)測(cè)能力。
    通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Zigbee可以方便在煤礦井下進(jìn)行快速的傳感器部署。針對(duì)以上現(xiàn)狀，研究開發(fā)適合我國煤礦井下特點(diǎn)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井氧氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 整體介紹
    文中所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠使用戶在任何時(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下，獲取大量詳實(shí)而可靠的氧氣濃度信息，有效的避免礦井有毒氣體泄漏的發(fā)生的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦井氧氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
    文中為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井氧氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括傳感器檢測(cè)模塊、路由器傳輸模塊、數(shù)據(jù)匯集模塊和上位機(jī)模塊，其中：所述傳感器檢測(cè)模塊檢測(cè)礦井內(nèi)的氧氣濃度信息，并將所述信息傳輸至路由器傳輸模塊；所述路由傳輸模塊將接收到的信息傳輸至數(shù)據(jù)匯集模塊處理；所述數(shù)據(jù)匯集模塊將處理后的信息傳輸至上位機(jī)模塊，所述上位機(jī)模塊對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理并作出判斷、顯示及報(bào)警。本氧氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠使用戶在任何時(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下，獲取大量詳實(shí)而可靠的氧氣濃度信息，有效避免礦井有毒氣體泄漏的發(fā)生。

2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)
2．1 傳感器檢測(cè)模塊
    所述傳感器檢測(cè)模塊包括氧氣濃度傳感器、末級(jí)微控制器及末級(jí)ZigBee收發(fā)器；所述氧氣濃度傳感器采集氧氣濃度信息，并將氧氣濃度信息進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后傳輸至末級(jí)微控制器；所述末級(jí)微控制器對(duì)接收到的信息進(jìn)行判斷處理，并通過末級(jí)ZigBee收發(fā)器傳輸至路由器傳輸模塊。如圖2所示。

2．2 路由器傳輸模塊
    路由器傳輸模塊包括始發(fā)位置路由器節(jié)點(diǎn)、中繼位置路由器節(jié)點(diǎn)、設(shè)置于始發(fā)位置路由器節(jié)點(diǎn)的第1、2級(jí)微控制器和第1、3級(jí)zigbee收發(fā)器、設(shè)置于中繼位置路由器節(jié)點(diǎn)的第2、2級(jí)微控制器和第2、3級(jí)zigbee收發(fā)器；
    始發(fā)位置路南器節(jié)點(diǎn)通過第1、3級(jí)zigbee收發(fā)器接收傳感器檢測(cè)模塊傳輸?shù)男畔?，并傳輸至?、2級(jí)微控制器進(jìn)行處理，并將處理后的信息通過第1、3級(jí)zigbee收發(fā)器傳輸至中繼位置路由器節(jié)點(diǎn)；
    中繼位置路由器節(jié)點(diǎn)通過第2、3級(jí)zigbee收發(fā)器接收始發(fā)位置路由器節(jié)點(diǎn)的信息，并傳輸至第2、2級(jí)微控制器進(jìn)行處理，并將處理后的信息通過第2、3級(jí)zigbee收發(fā)器傳輸至數(shù)據(jù)匯集模塊。如圖3所示。

2．3 數(shù)據(jù)匯集模塊
    數(shù)據(jù)匯集模塊包括1級(jí)微控制器與2級(jí)zigbee收發(fā)器；2級(jí)zigbee收發(fā)器接收路由器傳輸模塊傳輸?shù)男畔?，并將信息傳輸?級(jí)微控制器進(jìn)行處理，篩除無用數(shù)據(jù)信息，同時(shí)對(duì)保留數(shù)據(jù)信息進(jìn)行功率放大；1級(jí)微控制器控制2級(jí)zigbee收發(fā)器將處理后的信息傳輸至上位機(jī)模塊。

2．4 上位機(jī)模塊
    上位機(jī)模塊包含1級(jí)zigbee收發(fā)器；所述1級(jí)zigbee收發(fā)器接收數(shù)據(jù)匯集模塊傳輸?shù)男畔ⅰ?br />
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    如圖5所示是礦井氧氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖。軟件實(shí)現(xiàn)過程：系統(tǒng)在軟硬件初始化后由微量氧分析儀節(jié)點(diǎn)采集氧氣濃度，然后將氧氣濃度數(shù)據(jù)封裝在zigbee協(xié)議中。通過zigbee協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到龍芯SOC路由節(jié)點(diǎn)，龍芯SOC路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到http服務(wù)器，最后手機(jī)、平板電腦、網(wǎng)頁通過http服務(wù)器得到氧氣濃度數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論
    文中采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
    1)本系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，氧氣采樣檢測(cè)點(diǎn)可以廣泛的布置在不同作業(yè)點(diǎn)，靈活改變監(jiān)測(cè)布局，從而實(shí)時(shí)獲取精確的氧氣濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)。
    2)本系統(tǒng)不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。
    3)本系統(tǒng)能夠使人們?cè)谌魏螘r(shí)間、地點(diǎn)和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實(shí)而可靠的氧氣濃度信息。