基于Arduino的礦井環境實時檢測系統設計與實現

李瑞華，劉 峰，喬玉峰

（1.榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林719000；2.中國聯通榆林分公司 陜西 榆林719000）

基于Arduino的礦井環境實時檢測系統設計與實現

李瑞華1，劉 峰1，喬玉峰2

（1.榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林719000；2.中國聯通榆林分公司 陜西 榆林719000）

針對礦井生產環境在時間、空間上的動態性，以實現礦井環境指標的實時監測為目的。本文采用傳感器技術、通訊技術，Arduino UNO和各類傳感器相結合，對礦井監測系統的軟、硬件進行了詳細設計，實現了礦井生產環境的溫度、濕度、粉塵濃度等數監測據的實時控制。通過分析和試驗表明，該系統具有較強的實用性、穩定性、精準性，是一套可靠的監控系統，對礦井的機械化具有一定的促進作用。

Arduino；礦井監測系統；濃度監測；臨界值

煤炭企業由于在地下作業，工作環境惡劣，工作區域狹窄、照明差、潮濕、存在有害氣體等很多不安全因素，致使煤礦安全事故頻發、傷亡嚴重[1]。如何精準、有效監測礦井的各項指標的臨界狀態，從而對礦井的安全進行實時預警處理，已成為礦井生產的重要組成，本系統旨在采用便攜的方式實現礦井基本數據的采集與預警。

Arduino是一款便捷、靈活、開源的軟、硬件平臺，AVR是其核心芯片。有“電子積木”之稱的Arduino提供完全開放的硬件控制板平臺，包括基于AVR微控制器的主控制電路板以及大量的輸入、輸出電子模塊[2-5]；基于Eclipse的IDE開發環境的Arduino軟件平臺，采用類C的語言進行編程，模塊化的封裝函數供程序開發者調用，同時開發者可使用USB將編寫好的程序燒制到Arduino開發板，提高其靈活性[6-7]。

文中提出基于Arduino的礦井安全監測系統設計方案，通過性價比較高Arduino的簡單、方便設計，實現礦井安全的實時監測與預警，本系統的創新之處通過LCD液晶屏幕的實時顯示礦井生產的瓦斯濃度、溫度、濕度，并在臨界值給予聲光報警，同時實現將監測數據實時發送到移動終端，從而實現遠程監測數據的傳輸。

1 設計原理

礦井環境監測系統由Arduino外圍電路及控制板、溫度檢測部分、瓦斯濃度監測、濕度監測等數據顯示部分構成，加報警電路即構成。系統總體框架設計如圖1所示。Arduino板根據各類傳感器檢測到的時間間隔信息，將采集到數據顯示在液晶屏上，并與預設的溫度、濕度、瓦斯濃度等指標臨界值進行比較，當某一指標達到預設臨界值即給與報警提醒，同時將監測到的數據實時的傳輸與移動終端，實現監測數據的遠程傳輸，有利于礦井管理人員的及時有效地給予生產環境的安全評估。

圖1 系統總體框架圖

2 硬件部分設計

2.1 Arduino控制板、液晶顯示模塊

本系統采用的ArduinoMega2 560的核心處理器，具有一個USB口（便于在線進行程序調試），一個16 MHz晶體振蕩器，54路數字輸入輸出口，16路模擬輸入，4路 UART接口，一個電源插座，一個ICSPheader和一個復位按鈕。同時能兼容為ArduinoUNO設計的擴展板分析，多接口的輸入與輸出可滿足多個傳感器的連接，擴展系統性能[8-9]。本系統采用溫度傳感器、瓦斯濃度傳感器、粉塵濃度傳感器、蜂鳴報警器、各開關電路無線通信模塊的數據處理，系統的硬件連接如圖2所示。

圖2 系統硬件連接圖

2.2 瓦斯濃度監測器

瓦斯傳感器采用MQ-2氣體傳感模塊，MQ-2傳感器是基于QM-NG1探頭的氣體傳感器，采用MQ-2型氣敏原件，可以迅速、靈敏地監測到礦井開采環境中的瓦斯濃度、粉塵濃度。通過3P傳感器連接直接插接到Arduino傳感器擴展板上，結合蜂鳴器模塊與繼電器模塊，實現瓦斯濃度監測、粉塵濃度監測以及報警等功能。

2.3 溫度監測器

使用Arduino板配合LM35溫度傳感器測量環境溫度，以Serial Monitor窗口顯示環境溫度，當環境溫度大于礦井溫度預警30℃時，蜂鳴報警器開啟。

3 軟件部分設計

Arduino IDE軟件平臺主要用于監測溫度、瓦斯、粉塵濃度等傳感器所連接的輸入引腳的輸入值和狀態，利用氣體傳感器、溫度傳感器等對礦井生產環境進行檢測，將采集量和設定預設值進行比較，并將檢測結果反饋到Arduino中央處理器中，如果采集值大于預測值，系統將給與蜂鳴預警，同時將數據發送至遠程終端。系統整體算法如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.1 瓦斯濃度監測子程序

void loop（void）//瓦斯濃度監測，并在液晶屏顯示濃度，大于設置預警峰值，蜂鳴報警。

3.2 移動終端短信提示子程序

4 數據導入與測試分析

通過無線傳感網絡傳輸到移動終端的監測數據通過所連接的SD卡存儲，使用計算機將SD卡中的文件名為datalog.txt文件，將采集數據導入數據分析系統，實現礦井安全環境的整體測試，本測試將采集的瓦斯濃度樣本數據分析，所得測試集與礦井系統采集數據的精準性對比如圖4所示，測試結果表明本系統的簡單設計能夠滿足實際工業成產的需求，完成礦井安全預警的精準性要求。

圖4 數據準確性對比圖

5 結束語

通過實驗測試本系統的設計達到實際應用的目的，本系統與其他的監測系統存在較大的不同，它可以通過瓦斯濃度、粉塵濃度、濕度、溫度的集成監測完成礦井的多指標濃度的測試；對于監測人員能夠實時的通過液晶顯示屏觀測指標值，并在超出預測的指標時通過蜂鳴報警給予安全預警，同時將檢測數據通過網絡傳輸給移動終端，對于提升礦井的實時安全狀態評價具有一定的意義。本系統通過較低的成本實現了礦井生產過程中的瓦斯濃度、溫度、濕度、液晶顯示燈、報警多項功能的多指標的監測，具有一定的實用價值，對于提升Arduino環境的開發應用具有很好的參考價值。

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Design and implementation of mine environment real timedetection system based on Arduino

LI Rui-hua1，LIU Feng1，QIAO Yu-feng2
（1.Scholl of Information Engineering，YulinUniversity，Yulin 719000，China；2.Yulin Branch of China Unicom，Yulin 719000，China）

According to the dynamic characteristics of mine production environment in time and space，in order to achieve the goal of real-time monitoring of mine environmental indicators.In this paper，the sensor technology，communication technology，Arduinoand various types of sensors combined with design of mine monitoring system software and hardware，realizes the mine production environment temperature，humidity，dust concentration monitoring data according to the real-time control.Through analysis and experiment，it shows that the system has strong practicability，stability and precision.It is a reliable monitoring system，which can promote the mechanization of the mine.

Arduino；coal mine monitoring；density monitoring；threshold

TN711

：A

：1674－6236（2017）05-0017-03

2015-12-25稿件編號：201512256

陜西省教育廳項目（2013JK11151）；榆林市科技局項目（201314GY）

李瑞華（1978—），女，陜西綏德人，碩士，副教授。研究方向：數據挖掘、物聯網。