陈越超，王晓丹，程志伟，王鑫力

(长春师范大学工程学院，吉林长春 130032)

随着社会发展，人们对矿井监控提出了新的更高要求。不仅要求监测的快速、准确，还要求监测的智能化和网络化。本文提出了基于物联网的矿井综合监控系统，不仅可以实现本地显示报警功能，还可以实现远程监控管理功能。

1 设计原理

本监测系统由数据监测单元、OneNet平台和远程监控平台三部分组成。其中，数据监测单元分为温湿度监测单元、甲烷检测单元、负压检测单元和一氧化碳检测单元等，各单元以Arduino控制模块作为核心，接收并处理传感器检测参数信息，并通过Wi-Fi模块传输至OneNet平台。OneNet平台负责接收和存储数据信息及向各单元发送监控中心控制指令。网页及手机APP可以作为远程监控平台，用户通过登录OneNet平台进行监测及控制，这样的多平台机制可以方便用户随时随地通过访问远程监控平台，实时监控整个矿井。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2 硬件电路设计

各检测单元电路组成类似，主要由微控制器、无线通信单元、数据采集单元、电源模块和报警显示单元组成，电路设计结构如图2所示。本文硬件电路设计以甲烷检测单元为例。

图2 检测单元电路设计结构

2.1 微控制器设计

微控制器采用Arduino MEGA2560，拥有54路数字输入/输出口、16路模拟输入和4路UART接口，可以满足本设计的需要。

2.2 甲烷检测电路设计

表1 MJC4/3.0L气体传感器技术指标

图3 甲烷浓度检测模块电路原理图

图4 LCD12864电路原理图

2.3 显示报警电路设计

由于需要同时显示甲烷浓度、一氧化碳浓度、负压值和温湿度值，所以显示模块选用液晶显示器LCD12864，分为五行显示。为节省连接端口，液晶显示选择串口连接方式，只需要三条连接线，LCD12864的RS、RW、E分别连接Arduino的数字端口17、18、19。电路原理图如图4所示。

报警电路选用蜂鸣器报警，Arduino的数字端口12通过控制NPN型三极管导通和截止，达到控制蜂鸣器报警和关闭的作用。电路原理图如图5所示。

图5 蜂鸣器报警电路原理图

图6 ESP8266串口Wi-Fi电路原理图

2.4 无线通信单元设计

无线通信单元选用串口Wi-Fi通信模块ESP8266，它是一款专门为物联网设计的模块，以优越的性能和低廉的价格迅速占领市场，支持三种工作模式：STA、AP和STA+AP，本单元选用STA模式，Arduino作为Station，通过UART与ESP8266相连，电路原理图如图6所示。

3 软件程序设计

软件设计使用Arduino IDE编写，系统主程序包括初始化程序、数据采集及数据处理程序、Wi-Fi通信程序、数据显示程序和报警程序等。程序首先进行串口初始化、端口初始化、I2C初始化和Wi-Fi模块初始化等，数据采集程序包括甲烷浓度采集、一氧化碳浓度采集、负压检测和温湿度检测等，之后对比EEPROM中存储的各参数阈值，如有超出报警限，则发出声光报警，最后按照HTTP协议通过串口Wi-Fi模块将数据传输到OneNet平台。主程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

4 远程监控平台设计

OneNet是中国移动公司推出的一款物联网开放云平台，提供了种类丰富的智能硬件开发工具和可靠的平台服务，可以快速将终端设备快速接入网络，实现数据传输、数据存储和数据管理等完整的交互流程。云平台为用户提供三种通信方式，用户可以根据项目的实际需要选择不同的通信方式，网络通信方式的选择如图8所示。

图8 网络通信方式的选择

OneNet平台支持以太网通信、Wi-Fi通信和GPRS通信三种方式，以太网可以支持网线接入，Wi-Fi通信可以支持无线接入，GPRS可以支持SIM通信接入。由于本设计采用物联网解决方案和无线组网技术，故采用Wi-Fi通信方式。

智能终端接入云平台过程相对比较容易，首先在OneNet平台上注册账号，创建专属的“开发者中心”，在用户账户下创建产品，在产品中添加设备，为设备添加数据流，之后可以添加触发器和新建应用等。步骤如图9所示。

图9 OneNet平台接入步骤流程图

OneNet平台提供公开协议产品和私有协议产品两种，其中公开协议产品有HTTP、MODBUS、EDP、MQTT等多种协议选择，本文选用HTTP协议。使用POST打包感知层采集的数据信息，数据流格式如图10所示。

图10 POST数据流格式

本设计采用“仪表盘”实时显示当前数据，采用“折线图”或“柱状图”显示历史数据，如图11所示。在应用界面中，矿井环境参数以“数字+图表”显示，并且数据可以保存在云平台中，并以曲线图的方式呈现矿井环境在一段时间内的变化情况。OneNet平台还可以设置报警功能，当接收数据超过设置报警限，将会向用户预先设定的邮箱发送报警信息。

图11 用户界面设计图

5 结语

本监测系统与其他的监测系统存在较大的不同，它将物联网技术和传感器技术相结合，不仅可以在工作现场检测并实时显示环境参数，使井下工作人员掌握参数数据。还借助OneNet物联网平台，管理人员可以不分地域、时间通过远程登陆的方式，实时监控整个矿山。随着“互联网+”时代的到来，基于开放物联网平台的矿井综合监控系统将在煤矿安全生产中起到越来越重要的作用，进一步推进“智慧矿山”的发展。