2012年
第10期
仪表技术与传感器
InstrumentTechniqueandSensor
2012
No．10
基于物联网的智能瓦斯监测系统
朱红梅，惠晓威
(辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁葫芦岛125105)
摘要：针对目前瓦斯监测系统存在的问题和缺陷，设计了一个由感知层、网络层、应用层组成的智能化瓦斯监测系统。
给出了系统的设计方案，阐述了利用基于ZigBee的无线传感器网络技术、GPRS技术和传感技术等物联网技术，实现对井
下瓦斯浓度智能化的实时监测、数据的无线传输以及瓦斯超标预警的功能。并分析了其较之传统瓦斯监测系统的优势。
物联网技术的应用提高了信息的采集效率，增强了瓦斯监测系统的实时性和准确性。
关键词：物联网技术；瓦斯监测；ZigBee；无线传感器网络；GPRS技术
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1002—1841(2012)10—0070—03
DesignofIntelligentGasMonitoringSystemBasedonInternetofThings
ZHUHong—mei，HUIXiao-wei
ElectronicandInformationEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Huhidao125105，China)
Abstract：Inviewoftheproblemanddefectsinthecurrentgasmonitoringsystem，anintelligentgasmonitoringsystemwith
theperceptionlayer，networklayerandapplicationlayerwasdesigned．Thewholedeignofthesystemwaspresented．Byusingwire—
lesssensortechnologybasedonZigBee，thesensortechnologyandGPRStechnology，itrealizedthefunctionofreal·timegascon·
centrationmonitoring，wirelessdatatransmissionandgasexcessiveearlywarningintelligently．Anditanalyzedtheadvantagesofthe
newgasmonitoringsystemcomparedwjtl1thetraditionalone．Theapplicationsoftheinternetofthingstechnologyimprovestheeffi—
ciencyofinformationcollection，andenhancesreal—timeandaccuracyforthesystem．
Keywords：internetofthingstechnology；gasmonitoring；ZigBee；wirelesssensornetwork；GPRStechnology
1物联网技术概述
物联网，英文名称为”InternetofThings”，简称IOT。它
被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。
由“物联网”名称可见，物联网就是“物一物相连的互联网”。
物联网的定义是通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球
定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何
物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识
别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网具有广泛的应
用领域，遍及工业、农业、环境、医疗、交通、社会各个方面。
物联网的体系架构可分为3个层次：感知层、网络层、应用
层。感知层包括传感器等数据采集设备以及相应的传感器网
络。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心和信
息处理中心。应用层则利用经过分析处理的感知数据，为用户
提供丰富的特定服务。
2基于物联网的瓦斯监测系统设计
2．1系统总体结构
基于物联网的瓦斯监测系统融合了无线传感器网络技术、
GPRS技术和传感技术等物联网技术，系统总体网络架构框图
如图1所示。
系统整体设计上采用物联网的3层架构形式，由感知层、
网络层、应用层组成J。感知层应用无线传感器网络技术和传
感技术进行数据采集，采用基于ZigBee的无线传感器网络，实
现目标区域各监测点的瓦斯浓度检测，并通过中间的路由节点
收稿日期：2012—03—10收修改稿日期：2012—07—06
GPRSN!I~}………lPRI感知层
／’ZigBee
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图1瓦斯监测系统总体网络架构示意图
向汇聚节点传输数据；中间网络层采用GPRS技术进行数据传
输，由感知层中的汇聚节点通过GPRS模块利用公共无线通信
平台，向控制中心发送现场检测的瓦斯数据；应用层即系统控
制中心，它主要通过软件平台显示井下瓦斯浓度数据以及对现
场检测数据进行分析和判断，这样工作人员在直观了解井下瓦
斯浓度情况后，能够依据瓦斯浓度做出相应决策。
2．2感知层的设计
感知层的主要功能是对井下瓦斯浓度信息的感知、采集以
及浓度超标预警。依据矿井下的复杂环境，在矿井内采用基于
ZigBee的无线传感器网络技术组建成一个无线传感器网络对
井下瓦斯浓度进行检测，整个网络由检测节点和汇聚节点组
成。
在井下巷道内作业区设置瓦斯检测节点，同时在巷道口设
第10期朱红梅等：基于物联网的智能瓦斯监测系统71
置汇聚节点(监测基站)。网络中的瓦斯检测节点利用瓦斯传
感器采集瓦斯浓度数据信息，数据通过ZigBee网络传输给汇聚
节点，汇聚节点上传给地面监控中心。节点上都设有报警电
路，对瓦斯浓度超标进行报警。汇聚节点和检测节点的硬件电
路类似，只是不进行数据检测以及软件设计中角色的定义有些
差异，主要负责网络数据的中继工作。该文着重介绍检测节点
的硬件设计。
2．2．1检测节点硬件设计
nn3．3V
在感知层，无线传感器网络瓦斯检测节点电路连接图如图
2所示。瓦斯检测节点硬件设计上，系统采用了CC2430芯片作
为微控制器。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，
在单颗芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。
它使用1个8位高性能无线MCU(8051)，具有128KB可编程
闪存和8KB的RAM，还包含模数转换器(ADC)、定时器(Tim·
er)等。因此它能够满足无线传感器网络对低功耗、低成本的
需要。
图2瓦斯检测节点电路连接图
在瓦斯传感器的选择上，系统采用TP一1．1A气体传感器，
主要是考虑到它的低功耗、无需加热、精度高、使用电路简单等
特点。TP一1．1A传感器是采用纳米级SnO：进行合理的半导
体掺杂，以微珠结构制成的非加热、低功耗、对甲烷高度灵敏的
可燃气体传感器。
电源部分，检测节点可以采用2节AA电池作为供电电源；
汇聚节点负责接收检测节点传来的数据和向上传输数据，时刻
等待接收检测节点的数据，所以能耗相对较大，因此在电源设
计上可采用市电供电。
2．2．2节点软件设计
软件的设计是根据系统节点的类型和功能决定的。根据
系统的硬件设计，监测系统节点分为汇聚节点和检测节点2种
类型。汇聚节点不进行数据采集，也不执行休眠状态，主要负
责组建网络、接收处理所有检测节点上传的数据、发送控制命
令、分配地址以及允许子节点加入网络等功能。汇聚节点软件
流程图如图3所示。
检测节点主要功能有：接收采集指令进行数据采集；对数
据存储处理判断；浓度超标报警；向汇聚节点(基站)传输数据。
考虑到能耗因素，检测节点采用唤醒和休眠这两种工作机制来
降低能耗。当无事件发生时节点处于休眠状态，处理器停止工
作，无线模块处于低电流的待接收状态。当接收到汇聚节点或
是邻节点发出的命令后，节点自动醒并唤醒其邻节点，进入工
作状态，完成数据的采集、判断与传输的任务，当瓦斯浓度数据
图3汇聚节点软件流程图
大于阈值时发出预警信号并自动报警，之后再进入休眠状
态。检测节点软件流程图如图4所示。
2．3网络层的设计
网络层主要采用无线传输方式进行井下与井上之间数据
的传输，利用GPRS模块传输数据。基站采集的数据通过RS一
232进行电平转换，将，IrI1L电平转换为232电平，由TCP／IP协
议转换模块送入GPRS无线数据传输模块中，此时该模块中
信号已转换为Tep／IP协议的网络信号，再传到GPRS网络
72InstrumentTechniqueandSensor
图4检测节点软件流程图
(GPRS网络通过路由器与Intemet相连)，最后将数据包发送到
监控中心服务器端口。GPRS远程数据传输的工作原理如图
5所示。
基Rs～232、GI''RS主控站^-_^TCP坩P正__^蟊鏊H中数r-V协议转
模块心据换模块
图5GPRS远程数据传输工作原理图
根据系统的需要以及综合考虑可靠性和性价比等因素，
GPRS模块选择F2313型GPRS／DTU终端模块。它是一款使用
GPRS进行无线数据传输盼没备，支持PPP、TCP、UDP、DNS等
众多复杂网络协议和SOCKET插口标准，可为用户提供全透明
数据传输和用户自定义掷议传输2种模式，支持TCP和UDP
两种报文格式；同时支持点对点、点对多点、设备间、设备与控
制中心问等各种不同的通讯模式。使用该模块不必考虑复杂
的网络通信协议，只要通过串口就可以进行无线数据收发。串
口通信部分选择RS一232串口通信，电路连接图如图6所示。
图6GPRS模块接口电路
2．4应用层的设计
基于物联网的智能瓦斯监测系统的应用层将通过GPRS网
络上传的数据进行存储和显示，系统以VC++，SQLServer
2000为开发环境，开发控制中心的监测软件平台，包括后台数
据库系统和监测显示界面73。系统能够实现以下功能：
(1)系统管理。包括用户管理和业务管理。用户管理用于
查询系统使用用户的基本信息，可以添加删除用户和修改用户
基本资料；业务管理主要功能是录入安全隐患记录、设备基本
信息、设备校验记录、报警处理记录、发布信息以及管理业务流
程。
(2)实时显示。监控系统把当前时刻井下检测节点上传的
数据和时间显示到屏幕上，并不断刷新。
(3)历史查询及报表打印。该系统可以对历史记录进行查
询、分类排序、信息汇总、图表分析；查出的结果可以以报表形
式打印。
(4)超限报警。提供瓦斯超限报警窗口，当某检测节点采
集的数据异常时，窗口弹出并有语音报警声提示。
(5)远程监控。监测系统和GPRS相连，实现了远程监控。
3系统的优势
与传统的瓦斯监测系统相比，基于物联网的瓦斯监测系统
更具优势，物联网技术的应用使得网络结构更加灵活，提高了
网络的扩展性，使整个系统更智能化和信息化；克服了有线传
输中井下布线难的问题，实现了矿井瓦斯检测数据的无线传
输；降低了系统成本，弥补了传统监测系统中存在监测盲区的
问题；具有较强的实时性、准确性；控制中心能在第一时间掌握
井下瓦斯浓度，指导下一步工作，避免因瓦斯浓度过大而导致
煤矿瓦斯爆炸的事故发生。
4结束语
以物联网为基础，结合煤矿生产的复杂环境，提出了基于
物联网的智能瓦斯监测系统，分别从系统的感知层、网络层、应
用层3个方面进行了设计分析。系统充分发挥了物联网技术
在煤矿井下应用的优势，实现了井下瓦斯浓度数据的无线实时
准确的检测与传输，让地面控制中心人员及时准确了解井下的
瓦斯浓度情况，据此开展各项工作。起到预防和避免瓦斯灾害
发生的作用，体现了感知矿山这一理念，随着物联网的快速发
展，其在煤矿生产中的应用会越来越广泛，对促进整个煤矿行
业安全生产具有重要意义。
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作者简介：朱红梅(1986一)，硕士研究生，主要研究方向：物联网、无线
传感器网络技术。Email：hongmei433@126．tom
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