基于物聯網的礦井氧氣濃度監測系統設計

　　摘要：為了實現對礦井氧氣濃度檢測，提出了一種基于物聯網的礦井氧氣濃度檢測系統，并完成了系統的軟硬件測試。硬件包括傳感器檢測模塊、路由器傳輸模塊、數據匯集模塊和上位機模塊，軟件采用MSP430進行編程，實現了氧氣濃度信號檢測。應用表明，該系統能有效地避免礦井有毒氣體泄漏的發生。
　　
　　關鍵詞：物聯網；礦井；氧氣濃度；檢測
　　
　　煤礦有毒性氣體對礦工的生命安全是致命的傷害。煤礦井下的各個生產環節都可能產生有毒性氣體，如鉆眼、*爆破、掘進機掘進、采煤機割煤、裝煤、采煤支護放頂、巷道支護、裝載運輸轉載及卸載提升等。有毒性氣體危害不僅能使煤礦工人得塵肺病，而且易引發爆炸，造成重大安全事故。我國煤礦普遍具有毒性氣體危險。
　　
　　以上所述足見礦井有毒性氣體的危害性之大，同時也說明了氧氣監測與防治的重要性。因此，礦井氧氣的防治問題日益受到廣泛關注，世界各國在對礦井氧氣的監測方面都做了大量的研究工作，研究開發了一系列的檢測儀器及系統。
　　
　　目前，國內普遍采用人工、間斷性、單地點檢測氧氣濃度的方式，或者采用一般有線連接傳感器檢測方式。這種方式測得的礦井氧氣濃度數據僅反應了測塵時間段內的氧氣狀況，并不能全面、準確的反映煤礦井下空間的總體氧氣情況，而且井下環境中有線傳感器檢測系統的布置工作非常繁瑣，靈活性不足且擴展性差，系統部署和維護成本高等缺點，當某一結點出現故障，會使局部區域失去監測能力。
　　
　　通過無線傳感器網絡Zigbee可以方便在煤礦井下進行快速的傳感器部署。針對以上現狀，研究開發適合我國煤礦井下特點的基于無線傳感器網絡的礦井氧氣濃度監測系統。
　　
　　1、整體介紹
　　
　　文中所要解決的技術問題是提供一種能夠使用戶在任何時間、地點和任何環境條件下，獲取大量詳實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生的基于無線傳感器網絡的礦井氧氣濃度監測系統。
　　
　　文中為解決上述技術問題采用以下技術方案：設計了一種基于物聯網的礦井氧氣濃度監測系統，包括傳感器檢測模塊、路由器傳輸模塊、數據匯集模塊和上位機模塊，其中：所述傳感器檢測模塊檢測礦井內的氧氣濃度信息，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據匯集模塊處理；所述數據匯集模塊將處理后的信息傳輸至上位機模塊，所述上位機模塊對接收到的信息進行處理并作出判斷、顯示及報警。本氧氣濃度監測系統能夠使用戶在任何時間、地點和任何環境條件下，獲取大量詳實而可靠的氧氣濃度信息，有效避免礦井有毒氣體泄漏的發生。　　
　　2、系統具體實現
　　
　　2．1傳感器檢測模塊
　　
　　所述傳感器檢測模塊包括氧氣濃度傳感器、末級微控制器及末級ZigBee收發器；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行A／D轉換后傳輸至末級微控制器；所述末級微控制器對接收到的信息進行判斷處理，并通過末級ZigBee收發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位置路由器節點、中繼位置路由器節點、設置于始發位置路由器節點的第1、2級微控制器和第1、3級zigbee收發器、設置于中繼位置路由器節點的第2、2級微控制器和第2、3級zigbee收發器；
　　
　　始發位置路南器節點通過第1、3級zigbee收發器接收傳感器檢測模塊傳輸的信息，并傳輸至第1、2級微控制器進行處理，并將處理后的信息通過第1、3級zigbee收發器傳輸至中繼位置路由器節點；
　　
　　中繼位置路由器節點通過第2、3級zigbee收發器接收始發位置路由器節點的信息，并傳輸至第2、2級微控制器進行處理，并將處理后的信息通過第2、3級zigbee收發器傳輸至數據匯集模塊。如圖3所示。　　
　　2．3數據匯集模塊
　　
　　數據匯集模塊包括1級微控制器與2級zigbee收發器；2級zigbee收發器接收路由器傳輸模塊傳輸的信息，并將信息傳輸至1級微控制器進行處理，篩除無用數據信息，同時對保留數據信息進行功率放大；1級微控制器控制2級zigbee收發器將處理后的信息傳輸至上位機模塊。　　
　　2．4上位機模塊
　　
　　上位機模塊包含1級zigbee收發器；所述1級zigbee收發器接收數據匯集模塊傳輸的信息。
　　
　　3、系統軟件設計
　　
　　如圖5所示是礦井氧氣濃度監測系統流程圖。軟件實現過程：系統在軟硬件初始化后由微量氧分析儀節點采集氧氣濃度，然后將氧氣濃度數據封裝在zigbee協議中。通過zigbee協議發送數據到龍芯SOC路由節點，龍芯SOC路由節點將數據發送到http服務器，zui后手機、平板電腦、網頁通過http服務器得到氧氣濃度數據。　　
　　4、結論
　　
　　文中采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
　　
　　1）本系統采用無線傳感器網絡技術，氧氣采樣檢測點可以廣泛的布置在不同作業點，靈活改變監測布局，從而實時獲取的氧氣濃度檢測數據。
　　
　　2）本系統不需要任何固定網絡的支持，具有快速展開、抗毀性強等特點。
　　
　　3）本系統能夠使人們在任何時間、地點和任何環境條件下獲取大量詳實而可靠的氧氣濃度信息。