基于Arduino的矿井环境实时检测系统设计与实现

李瑞华，刘 峰，乔玉峰

（1.榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林719000；2.中国联通榆林分公司 陕西 榆林719000）

基于Arduino的矿井环境实时检测系统设计与实现

李瑞华1，刘 峰1，乔玉峰2

（1.榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林719000；2.中国联通榆林分公司 陕西 榆林719000）

针对矿井生产环境在时间、空间上的动态性，以实现矿井环境指标的实时监测为目的。本文采用传感器技术、通讯技术，Arduino UNO和各类传感器相结合，对矿井监测系统的软、硬件进行了详细设计，实现了矿井生产环境的温度、湿度、粉尘浓度等数监测据的实时控制。通过分析和试验表明，该系统具有较强的实用性、稳定性、精准性，是一套可靠的监控系统，对矿井的机械化具有一定的促进作用。

Arduino；矿井监测系统；浓度监测；临界值

煤炭企业由于在地下作业，工作环境恶劣，工作区域狭窄、照明差、潮湿、存在有害气体等很多不安全因素，致使煤矿安全事故频发、伤亡严重[1]。如何精准、有效监测矿井的各项指标的临界状态，从而对矿井的安全进行实时预警处理，已成为矿井生产的重要组成，本系统旨在采用便携的方式实现矿井基本数据的采集与预警。

Arduino是一款便捷、灵活、开源的软、硬件平台，AVR是其核心芯片。有“电子积木”之称的Arduino提供完全开放的硬件控制板平台，包括基于AVR微控制器的主控制电路板以及大量的输入、输出电子模块[2-5]；基于Eclipse的IDE开发环境的Arduino软件平台，采用类C的语言进行编程，模块化的封装函数供程序开发者调用，同时开发者可使用USB将编写好的程序烧制到Arduino开发板，提高其灵活性[6-7]。

文中提出基于Arduino的矿井安全监测系统设计方案，通过性价比较高Arduino的简单、方便设计，实现矿井安全的实时监测与预警，本系统的创新之处通过LCD液晶屏幕的实时显示矿井生产的瓦斯浓度、温度、湿度，并在临界值给予声光报警，同时实现将监测数据实时发送到移动终端，从而实现远程监测数据的传输。

1 设计原理

矿井环境监测系统由Arduino外围电路及控制板、温度检测部分、瓦斯浓度监测、湿度监测等数据显示部分构成，加报警电路即构成。系统总体框架设计如图1所示。Arduino板根据各类传感器检测到的时间间隔信息，将采集到数据显示在液晶屏上，并与预设的温度、湿度、瓦斯浓度等指标临界值进行比较，当某一指标达到预设临界值即给与报警提醒，同时将监测到的数据实时的传输与移动终端，实现监测数据的远程传输，有利于矿井管理人员的及时有效地给予生产环境的安全评估。

图1 系统总体框架图

2 硬件部分设计

2.1 Arduino控制板、液晶显示模块

本系统采用的ArduinoMega2 560的核心处理器，具有一个USB口（便于在线进行程序调试），一个16 MHz晶体振荡器，54路数字输入输出口，16路模拟输入，4路 UART接口，一个电源插座，一个ICSPheader和一个复位按钮。同时能兼容为ArduinoUNO设计的扩展板分析，多接口的输入与输出可满足多个传感器的连接，扩展系统性能[8-9]。本系统采用温度传感器、瓦斯浓度传感器、粉尘浓度传感器、蜂鸣报警器、各开关电路无线通信模块的数据处理，系统的硬件连接如图2所示。

图2 系统硬件连接图

2.2 瓦斯浓度监测器

瓦斯传感器采用MQ-2气体传感模块，MQ-2传感器是基于QM-NG1探头的气体传感器，采用MQ-2型气敏原件，可以迅速、灵敏地监测到矿井开采环境中的瓦斯浓度、粉尘浓度。通过3P传感器连接直接插接到Arduino传感器扩展板上，结合蜂鸣器模块与继电器模块，实现瓦斯浓度监测、粉尘浓度监测以及报警等功能。

2.3 温度监测器

使用Arduino板配合LM35温度传感器测量环境温度，以Serial Monitor窗口显示环境温度，当环境温度大于矿井温度预警30℃时，蜂鸣报警器开启。

3 软件部分设计

Arduino IDE软件平台主要用于监测温度、瓦斯、粉尘浓度等传感器所连接的输入引脚的输入值和状态，利用气体传感器、温度传感器等对矿井生产环境进行检测，将采集量和设定预设值进行比较，并将检测结果反馈到Arduino中央处理器中，如果采集值大于预测值，系统将给与蜂鸣预警，同时将数据发送至远程终端。系统整体算法如图3所示。

图3 主程序流程图

3.1 瓦斯浓度监测子程序

void loop（void）//瓦斯浓度监测，并在液晶屏显示浓度，大于设置预警峰值，蜂鸣报警。

3.2 移动终端短信提示子程序

4 数据导入与测试分析

通过无线传感网络传输到移动终端的监测数据通过所连接的SD卡存储，使用计算机将SD卡中的文件名为datalog.txt文件，将采集数据导入数据分析系统，实现矿井安全环境的整体测试，本测试将采集的瓦斯浓度样本数据分析，所得测试集与矿井系统采集数据的精准性对比如图4所示，测试结果表明本系统的简单设计能够满足实际工业成产的需求，完成矿井安全预警的精准性要求。

图4 数据准确性对比图

5 结束语

通过实验测试本系统的设计达到实际应用的目的，本系统与其他的监测系统存在较大的不同，它可以通过瓦斯浓度、粉尘浓度、湿度、温度的集成监测完成矿井的多指标浓度的测试；对于监测人员能够实时的通过液晶显示屏观测指标值，并在超出预测的指标时通过蜂鸣报警给予安全预警，同时将检测数据通过网络传输给移动终端，对于提升矿井的实时安全状态评价具有一定的意义。本系统通过较低的成本实现了矿井生产过程中的瓦斯浓度、温度、湿度、液晶显示灯、报警多项功能的多指标的监测，具有一定的实用价值，对于提升Arduino环境的开发应用具有很好的参考价值。

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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稿件编号：201512256

陕西省教育厅项目（2013JK11151）；榆林市科技局项目（201314GY）

李瑞华（1978—），女，陕西绥德人，硕士，副教授。研究方向：数据挖掘、物联网。