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基于物联网的井下瓦斯泄漏的远程监控平台设计
资料介绍
由于当前矿井瓦斯事故频繁发生，传统监控系统存在检测精度低和实时性弱的缺陷，设计基于物联网的井下瓦斯泄漏远程监控平台。该监控平台包括井下无线传感器网络、有线通信网和井上监控管理站，分别对应于物联网的感知层、网络层以及应用层。监控平台在井下采用无线传感网络采集和传输瓦斯数据，传感器采用CC2430芯片作为核心处理器，实现瓦斯信息的快速检测，系统网关服务器采用飞凌S3C2440开发板实现网络通信，可将井下瓦斯数据通过网络传递到井上监控管理站。实验结果表明，所设计监控平台监控结果稳定可靠，能够实现瓦斯泄漏点的精确监测。
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Jul. 2016
现代电子技术
Modern Electronics Technique
Vol. 39 No. 14
135
doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.14.035
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吕
欣 1，周晓山 2
（1.华北理工大学 现代技术教育中心，河北 唐山 063009；2.华北理工大学 继续教育学院，河北 唐山 063009）
摘
要：由于当前矿井瓦斯事故频繁发生，传统监控系统存在检测精度低和实时性弱的缺陷，设计基于物联网的井下
瓦斯泄漏远程监控平台。该监控平台包括井下无线传感器网络、有线通信网和井上监控管理站，分别对应于物联网的感知
层、网络层以及应用层。监控平台在井下采用无线传感网络采集和传输瓦斯数据，传感器采用 CC2430 芯片作为核心处理
器，实现瓦斯信息的快速检测，系统网关服务器采用飞凌 S3C2440 开发板实现网络通信，可将井下瓦斯数据通过网络传递到
井上监控管理站。实验结果表明，所设计监控平台监控结果稳定可靠，能够实现瓦斯泄漏点的精确监测。
关键词：物联网；瓦斯泄漏；远程监控；监控平台
中图分类号：TN926⁃34；TP391
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2016）14⁃0135⁃04
Design of IOT⁃based remote monitoring platform for downhole gas leak
1
2
LÜ Xin ，ZHOU Xiaoshan
（1. Modern Technology and Education Centre，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；
2. College of Continuing Education，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China）
Abstract：Since the traditional monitoring system has the defects of low accuracy and poor real⁃time performance，and the
mine gas accidents had occurred frequently，an IOT⁃based remote monitoring platform for downhole gas leak was designed. The
monitoring platform contains the downhole wireless sensor network，wire communication network and ground monitoring station，
which correspond to the IOT’s perception layer，network layer and application layer. The monitoring platform acquires and trans⁃
mits the gas data through the wireless sensor network in the downhole. The CC2430 chip is taken as the core processor of the
sensor to realize the rapid detection of gas information. The S3C2440 development board made by Filing server is adopted for sys⁃
tem gateway to realize the network communication and transmit the downhole gas data to the ground monitoring station through
the network. The experiment results show that the designed monitoring platform has stable and reliable monitoring results，and
can realize the accurate monitoring of gas leak point.
Keywords：Internet of Things；gas leak；remote monitoring；monitoring platform
献[7]通过线性最小二乘法获取采集数据中的最大和最
小理想值，并将两个值融入公式，获取瓦斯浓度值，可提
高瓦斯数据的连续性，但是该方法检测效率低。文献[8]
依据 RBF 神经网络操作获取的瓦斯监测数据，该种方
法无法过滤井下环境中的湿度以及温度因素的干扰，检
测的瓦斯浓度存在较高误差。文献[9]提出了基于免疫
理论对矿井瓦斯参数进行监测，但是该种方法存在较高
的局限性，具有一定的安全隐患。为了解决上述方法存
在的问题，设计了基于物联网的井下瓦斯泄漏远程监控
平台，实验结果表明，所设计监控平台监控结果稳定可
靠，能够实现瓦斯泄漏点的精确监测。
0
引
言
煤炭业是我国经济的支柱产业之一，其中的大部分
事故都同瓦斯泄漏相关，给我国人民的生命及财产安全
带来了极大的损失[1⁃3]。为了降低煤矿事故发生率，应提
高对瓦斯浓度检测的精度。随着物联网的快速发展，塑
造煤矿瓦斯泄漏物联网监控平台，对煤矿安全具有重要
作用[4⁃5]。近年来出现许多关于监测瓦斯泄漏方面的方
法，如文献[6]提出的防脉冲平均滤波方法，该方法过滤
掉 n 个采集数据集中的最高和最低值，再运算剩下的全
部样本均值，获取瓦斯浓度信息，该种方法虽然简单，但
是当获取数据量较高时，算法的灵敏度将大大降低。文
1
系统硬件实现
收稿日期：2015⁃11⁃23
1.1 煤矿物联网层次结构
基金项目：图像去噪中的自适应变分模型和算法分析
（A011703）
煤矿物联网络由感知层、网络传输层以及应用层组
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和监测矿井瓦斯泄漏信息提供服务。在井下部署多个
无线传感网络，对井下瓦斯浓度以及瓦斯泄漏位置进行
全方位的监控。
1.3 无线传感网络节点的硬件结构和原理图
无线传感网络节点是无线传感网络的关键因素，其
由传感器模块、处理器模块、无线通信模块以及能量供
应模块构成，如图 3 所示。传感器模块采集井下瓦斯浓
度信息，并实现数据的转换；处理器模块对总体无线传
感网络节点的运行状态进行管理，对获取的瓦斯浓度以
及泄漏信息进行保存和操作，获取自身的坐标；无线通
信模块同其他网络节点进行信息的交流，能量供应模块
为其他模块提供能量服务。
图 1 煤矿物联网层次体系
感知层采用检测技术、无线通信技术，实现井下瓦
斯信息以及泄漏位置信息的采集；网络传输层通过长距
离有线和无线通信技术以及网络技术对感知层采集的
数据进行传递；应用层为煤矿各职能部分的管理提供相
关的服务，如煤矿灾害警示，井下瓦斯泄漏安全生产评
估以及井下瓦斯资源环境评估等。
1.2 系统体系结构
设计的基于物联网的煤矿井下瓦斯泄漏远程监测
平台的体系结构，如图 2 所示。
图 3 无线传感器网络节点的硬件结构
瓦斯泄漏远程监控平台通过传感节点采集井下瓦
斯浓度信息，选用的传感器将 CC2430 芯片作为核心
CPU，并且融合处理器模块、无线射频模块以及电源等
模块。CC2430 芯片具有高速、低功耗的优势。传感节
点硬件原理图如图 4 所示。
图 2 基于物联网的煤矿井下环境监测系统的体系结构
所设计的系统包括井下无线传感器网络、有线通信
网和井上监控管理站，分别对应物联网的感知层、网络
层以及应用层。无线传感器网络通过不同的传感器的
传感阶段获取井下瓦斯浓度、湿度以及温度信息，并将
获取的信息通过路由节点完成聚合操作，并反馈到汇聚
节点。无线传感网络基于无线传感器接入网关同有线
通信网络相连，可将获取的井下瓦斯浓度以及泄漏位置
发送到井上的监控管理站。监控管理站包括数据库服
务器以及中央计算机，可对瓦斯浓度以及泄漏位置信息
进行保存、检索和警示，并完成无线传感网络的调控。
井上的监控管理站同互联网连接，为远程控制人员检索
图 4 传感节点硬件原理图
1.4 网关服务器硬件设计
系统网关服务器采用飞凌 S3C2440 开发板，网关
服务器结构图如图 5 所示。系统的网关服务器中的温
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