摘  要： 開發(fā)了一種基于WSN（無線傳感器網(wǎng)絡）的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件。該軟件采用Visual C#和數(shù)據(jù)庫技術進行軟件設計，具有實時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計、預警曲線顯示、數(shù)據(jù)報表打印等功能。測試結果表明，該瓦斯監(jiān)控軟件具有界面友好、功能完善、精度高、成本低及操作簡單等優(yōu)點，能夠?qū)崟r監(jiān)控煤礦井下瓦斯?jié)舛群蜏p少事故發(fā)生率。

　　關鍵詞： WSN；瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)；上位機監(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)一直備受國家和人民關注。傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)以工業(yè)總線為基礎，通過光纖或電纜來連接傳感器節(jié)點，這種有線傳輸網(wǎng)絡有布線復雜、勞動強度高、維護困難、容易出現(xiàn)盲點等缺點，因此，WSN應用于煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)就顯得尤為重要[1]。

　　本設計在前期工作的基礎上，設計瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件。在該軟件的驅(qū)動下，基于WSN的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)可以實時采集監(jiān)測區(qū)域的瓦斯?jié)舛鹊刃畔ⅲ⒉杉降男畔崟r發(fā)送至上位機，然后上位機再進行處理，可以實現(xiàn)存儲、報警、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、終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器、傳輸接口和監(jiān)控中心組成[2]。其中基于ZigBee技術的WSN可以實現(xiàn)瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)無線傳輸，通過RS-485電纜實時將井下瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至上位機，進而由上位機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的解析、處理、存儲、查詢、統(tǒng)計、圖表繪制等功能。路由節(jié)點和終端節(jié)點均由固定節(jié)點和移動節(jié)點組成，而監(jiān)控分站作為協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。

2 上位機監(jiān)控軟件設計

　　2.1 功能需求

　　根據(jù)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的特點，上位機軟件需要對接收到的數(shù)據(jù)進行處理、保存并實時顯示，在瓦斯?jié)舛瘸迺r報警，還要滿足用戶查詢數(shù)據(jù)及曲線、打印、向下位機發(fā)送指令的功能[3]。除此之外，還需對軟件狀態(tài)及操作等進行記錄和顯示。

　　2.2 開發(fā)環(huán)境

　　上位機以Microsoft Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境為軟件開發(fā)環(huán)境，以C#作為開發(fā)語言，采用SQL Server 2008作為軟件后臺數(shù)據(jù)庫。

　　2.3 軟件結構

　　該軟件是以數(shù)據(jù)上傳和發(fā)送控制命令為基礎實現(xiàn)各功能的。如圖2所示，軟件具有登錄注冊界面，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現(xiàn)與下位機的通信。菜單欄的功能模塊主要分為四類，分別是配置、數(shù)據(jù)存儲、顯示和打印。

　?。?）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)設置是指對系統(tǒng)各類參數(shù)的設置與修改?？刂泼钍侵赶蛳挛粰C發(fā)送指令。

　?。?）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)、開關量狀態(tài)。報警信息的顯示是指當瓦斯監(jiān)測值超限或者出現(xiàn)各種故障狀態(tài)信息時，煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)會產(chǎn)生報警信號。曲線顯示分為歷史曲線和實時曲線。曲線顯示就是將瓦斯?jié)舛劝凑諘r間變化用曲線直觀地顯示。

　?。?）存儲。監(jiān)控軟件的存儲部分包含多種類型的記錄信息的存儲，主要有實時數(shù)據(jù)的記錄、統(tǒng)計值與處理值的記錄、報警信息和故障信息的記錄[4]。

　?。?）打印。監(jiān)控軟件的打印部分主要包含三種功能：日報表、統(tǒng)計值記錄查詢報表和定時打印。日報表主要包含瓦斯?jié)舛热請蟊?、瓦斯?jié)舛葓缶請蟊砗捅O(jiān)控設備故障日（班）報表。統(tǒng)計值記錄查詢報表是設置查詢條件生成的報表信息。查詢條件主要包括查詢起止時間、持續(xù)時間，主要統(tǒng)計起始時間、最大值、最大值時刻、平均值、超限次數(shù)等數(shù)據(jù)。定時打印是指按照設定好的時間范圍對所選擇的報表信息進行自動打印。

　　2.4 界面設計

　　根據(jù)上位機需要實現(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警界面、曲線顯示界面、報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)、存儲數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)等；預警界面主要在瓦斯?jié)舛瘸^限定值時進行報警，并顯示出預警曲線；曲線顯示用于顯示歷史濃度曲線和實時濃度曲線；報表打印即生成指定報表進行打印；用戶管理界面可以對用戶進行添加、修改、刪除、權限設置操作。圖3所示為本軟件的主界面。

　　2.5 上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)通信

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

　　相對于ASCII模式，RTU模式表達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。在上位機與下位機之間傳遞的通信報文的信息幀格式如表1所示。

　　當上位機沒有向下位機發(fā)送控制命令時，下位機需要實時向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)，即各地點的瓦斯?jié)舛萚6]，如表1所示，地址位即為監(jiān)測系統(tǒng)的測點號，數(shù)據(jù)內(nèi)容表示上傳的瓦斯?jié)舛鹊臅r間及濃度值，經(jīng)過軟件處理接收到的數(shù)據(jù)分別保存測點號、時間和瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

　　當上位機有指令發(fā)送給下位機時，發(fā)送的數(shù)據(jù)中，地址位為要求下位機發(fā)送過來瓦斯?jié)舛鹊臏y點號，數(shù)據(jù)內(nèi)容表示要求發(fā)送的時間區(qū)間，如果CRC校驗無誤，則下位機中斷向上位機實時傳送數(shù)據(jù)，轉而執(zhí)行上位機的指令，把執(zhí)行結果返送給主機，待執(zhí)行完畢后，再繼續(xù)之前的進程。

3 測試結果

　　以串口通信為例，如圖4所示，軟件可以實時地接收數(shù)據(jù)，且對數(shù)據(jù)進行處理，地址位為PANID，數(shù)據(jù)位共4 B，分別是日期、時間和數(shù)據(jù)（即瓦斯?jié)舛龋?；也可以向下位機發(fā)送控制命令，來實現(xiàn)該軟件所需的功能。

4 結論

　　該上位機監(jiān)控軟件可以實現(xiàn)對井下瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的實時接收、存儲和顯示；并能根據(jù)需要向下位機發(fā)送控制命令，從而更好地處理問題。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。同時該軟件具有實時曲線顯示、歷史曲線顯示、實時和歷史數(shù)據(jù)查詢、預警曲線顯示、報表打印等功能。該監(jiān)控軟件可以及時發(fā)現(xiàn)并解決井下安全問題，為基于WSN的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)提供了可靠的技術方案。

　　參考文獻

　　[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.基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)軟件的研究[J].煤礦機械，2012（12）：232-234.

　　[4] 魏寧，尹洪勝，劉秀榮，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].工礦自動化，2010（1）：70-73.

　　[5] 郭永吉，王興貴.Modbus RTU模式下工控機與智能儀表的通訊實現(xiàn)[J].甘肅科學學報，2008，20（1）：102-104.

　　[6] 李英奇，吳桂初.Modbus-Modbus TCP/IP的網(wǎng)關設計[J].微型機與應用，2013，32（10）：48-50，53.