摘  要： 開(kāi)發(fā)了一種基于WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件。該軟件采用Visual C#和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，具有實(shí)時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)、預(yù)警曲線顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表打印等功能。測(cè)試結(jié)果表明，該瓦斯監(jiān)控軟件具有界面友好、功能完善、精度高、成本低及操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控煤礦井下瓦斯?jié)舛群蜏p少事故發(fā)生率。

　　關(guān)鍵詞： WSN；瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；上位機(jī)監(jiān)控軟件

0 引言

　　煤礦井下環(huán)境惡劣，突發(fā)性事故多，因此煤礦安全生產(chǎn)一直備受?chē)?guó)家和人民關(guān)注。傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以工業(yè)總線為基礎(chǔ)，通過(guò)光纖或電纜來(lái)連接傳感器節(jié)點(diǎn)，這種有線傳輸網(wǎng)絡(luò)有布線復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度高、維護(hù)困難、容易出現(xiàn)盲點(diǎn)等缺點(diǎn)，因此，WSN應(yīng)用于煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就顯得尤為重要[1]。

　　本設(shè)計(jì)在前期工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件。在該軟件的驅(qū)動(dòng)下，基于WSN的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的瓦斯?jié)舛鹊刃畔ⅲ⒉杉降男畔?shí)時(shí)發(fā)送至上位機(jī)，然后上位機(jī)再進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、報(bào)警、顯示和打印等功能。

1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)

　　基于WSN的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)主要由路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、傳輸接口和監(jiān)控中心組成[2]。其中基于ZigBee技術(shù)的WSN可以實(shí)現(xiàn)瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，通過(guò)RS-485電纜實(shí)時(shí)將井下瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，進(jìn)而由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的解析、處理、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、圖表繪制等功能。路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)均由固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成，而監(jiān)控分站作為協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 功能需求

　　根據(jù)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，上位機(jī)軟件需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、保存并實(shí)時(shí)顯示，在瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)報(bào)警，還要滿足用戶查詢數(shù)據(jù)及曲線、打印、向下位機(jī)發(fā)送指令的功能[3]。除此之外，還需對(duì)軟件狀態(tài)及操作等進(jìn)行記錄和顯示。

　　2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　上位機(jī)以Microsoft Visual Studio 2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，以C#作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用SQL Server 2008作為軟件后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　2.3 軟件結(jié)構(gòu)

　　該軟件是以數(shù)據(jù)上傳和發(fā)送控制命令為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)各功能的。如圖2所示，軟件具有登錄注冊(cè)界面，而監(jiān)控軟件主界面上分為菜單欄和串口通信模塊，串口通信模塊可以實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信。菜單欄的功能模塊主要分為四類(lèi)，分別是配置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示和打印。

　　（1）配置功能主要包括初始化、參數(shù)配置和控制命令。其中參數(shù)設(shè)置是指對(duì)系統(tǒng)各類(lèi)參數(shù)的設(shè)置與修改。控制命令是指向下位機(jī)發(fā)送指令。

　　（2）顯示功能主要分為列表顯示與曲線顯示。列表顯示主要包括模擬量數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)。報(bào)警信息的顯示是指當(dāng)瓦斯監(jiān)測(cè)值超限或者出現(xiàn)各種故障狀態(tài)信息時(shí)，煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。曲線顯示分為歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線。曲線顯示就是將瓦斯?jié)舛劝凑諘r(shí)間變化用曲線直觀地顯示。

　　（3）存儲(chǔ)。監(jiān)控軟件的存儲(chǔ)部分包含多種類(lèi)型的記錄信息的存儲(chǔ)，主要有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的記錄、統(tǒng)計(jì)值與處理值的記錄、報(bào)警信息和故障信息的記錄[4]。

　　（4）打印。監(jiān)控軟件的打印部分主要包含三種功能：日?qǐng)?bào)表、統(tǒng)計(jì)值記錄查詢報(bào)表和定時(shí)打印。日?qǐng)?bào)表主要包含瓦斯?jié)舛热請(qǐng)?bào)表、瓦斯?jié)舛葓?bào)警日?qǐng)?bào)表和監(jiān)控設(shè)備故障日（班）報(bào)表。統(tǒng)計(jì)值記錄查詢報(bào)表是設(shè)置查詢條件生成的報(bào)表信息。查詢條件主要包括查詢起止時(shí)間、持續(xù)時(shí)間，主要統(tǒng)計(jì)起始時(shí)間、最大值、最大值時(shí)刻、平均值、超限次數(shù)等數(shù)據(jù)。定時(shí)打印是指按照設(shè)定好的時(shí)間范圍對(duì)所選擇的報(bào)表信息進(jìn)行自動(dòng)打印。

　　2.4 界面設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上位機(jī)需要實(shí)現(xiàn)的功能，將界面分為主界面、數(shù)據(jù)查詢和處理界面、瓦斯?jié)舛瘸揞A(yù)警界面、曲線顯示界面、報(bào)表打印界面和用戶管理界面等。主界面用于配置串口、接收數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)等；預(yù)警界面主要在瓦斯?jié)舛瘸^(guò)限定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并顯示出預(yù)警曲線；曲線顯示用于顯示歷史濃度曲線和實(shí)時(shí)濃度曲線；報(bào)表打印即生成指定報(bào)表進(jìn)行打印；用戶管理界面可以對(duì)用戶進(jìn)行添加、修改、刪除、權(quán)限設(shè)置操作。圖3所示為本軟件的主界面。

　　2.5 上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信

　　實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信是此上位機(jī)軟件的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)使用RS-485電纜將上位機(jī)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的串口相連，并采用Modbus RTU通信協(xié)議[5]。

　　相對(duì)于ASCII模式，RTU模式表達(dá)相同的信息需要較少的位數(shù)，且在相同通信速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量，信息傳輸為異步方式，并以字節(jié)為單位。在上位機(jī)與下位機(jī)之間傳遞的通信報(bào)文的信息幀格式如表1所示。

　　當(dāng)上位機(jī)沒(méi)有向下位機(jī)發(fā)送控制命令時(shí)，下位機(jī)需要實(shí)時(shí)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，即各地點(diǎn)的瓦斯?jié)舛萚6]，如表1所示，地址位即為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)號(hào)，數(shù)據(jù)內(nèi)容表示上傳的瓦斯?jié)舛鹊臅r(shí)間及濃度值，經(jīng)過(guò)軟件處理接收到的數(shù)據(jù)分別保存測(cè)點(diǎn)號(hào)、時(shí)間和瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

　　當(dāng)上位機(jī)有指令發(fā)送給下位機(jī)時(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)中，地址位為要求下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)點(diǎn)號(hào)，數(shù)據(jù)內(nèi)容表示要求發(fā)送的時(shí)間區(qū)間，如果CRC校驗(yàn)無(wú)誤，則下位機(jī)中斷向上位機(jī)實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行上位機(jī)的指令，把執(zhí)行結(jié)果返送給主機(jī)，待執(zhí)行完畢后，再繼續(xù)之前的進(jìn)程。

3 測(cè)試結(jié)果

　　以串口通信為例，如圖4所示，軟件可以實(shí)時(shí)地接收數(shù)據(jù)，且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，地址位為PANID，數(shù)據(jù)位共4 B，分別是日期、時(shí)間和數(shù)據(jù)（即瓦斯?jié)舛龋灰部梢韵蛳挛粰C(jī)發(fā)送控制命令，來(lái)實(shí)現(xiàn)該軟件所需的功能。

4 結(jié)論

　　該上位機(jī)監(jiān)控軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)和顯示；并能根據(jù)需要向下位機(jī)發(fā)送控制命令，從而更好地處理問(wèn)題。采用Modbus RTU通信協(xié)議提高了串口通信的可靠性和穩(wěn)定性，克服了抗干擾性差的的缺點(diǎn)。同時(shí)該軟件具有實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史曲線顯示、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)查詢、預(yù)警曲線顯示、報(bào)表打印等功能。該監(jiān)控軟件可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決井下安全問(wèn)題，為基于WSN的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了可靠的技術(shù)方案。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Wang  Jian， Wang Peng. Based on wireless sensor network coal mine gas monitoring system[C]. 2012 International Conference on Industrial Control and Electronics Engineering （ICICEE）， IEEE， 2012.

　　[2] Wen Dongge， Yue Xin， Ma Haifeng， et al. Design of coal mine gas monitoring system based on ZigBee[C]. 2011 International Conference on Future Computer Science and Education（ICFCSE）， IEEE， 2011.

　　[3] 王清華，王振翀，張冰.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的研究[J].煤礦機(jī)械，2012（12）：232-234.

　　[4] 魏寧，尹洪勝，劉秀榮，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2010（1）：70-73.

　　[5] 郭永吉，王興貴.Modbus RTU模式下工控機(jī)與智能儀表的通訊實(shí)現(xiàn)[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20（1）：102-104.

　　[6] 李英奇，吳桂初.Modbus-Modbus TCP/IP的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（10）：48-50，53.