煤礦主要通風機遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)設計

TTO（E1zO）ZIO^【時（無知《樨目衛(wèi)工》【雌羽田《】軌畜芳識酈也#馬蟲出1X?筆王臣捋厝國弭喩4卿巨T田剝需爭卻郢糜票zy尋取網(wǎng)窮主!d!M華DV'9￡ ￡>POS田送票it匪脣申駭麥PQ」PUV壬霄罄爭卻郢糜票竺吏劊丁郢糜臣捋修脇網(wǎng)S^ddD旱凰Did色魴銅CUGS述田送駭縈礬皿駭麥諏卷舌》?蠱王衛(wèi)割申呂圭匪箋壬霄曲一工用薛風回申厝臟留執(zhí) 題駭麥臣捋M1X?筆王図辿覇翕黑畳墜西剩第早目螂曹雇囚冒出駆團蠱王』睛?岸目％3鄧心e屮pXijiiqisea^X^ijoasi|nsajisaiaqi'ajaq/wXuepueauuiiXueJ0ie|iiuaAuieuuauiuj|eoDjosgeisuoi^ejadojoiiuoujX|aioujajubdsjasn讓屮os^jo/wiaussa|aji/v\himjo9i/9￡q6nojqiapouuuoiieDiunuuiJUODje>pospasnXqJ9A9Se^eppnope屮sassaDDeuuaisXspiojpuvuopaseqluaip列!qouu’pueqjaqioe屮uo">|JO/v\iaus^ddDq6nojqijaAasejeppnopeojpapeo|dnsie^epaqipue'ejep6uuoiiuoujpqj6uipa||0DJ04juqii/v\aieDiunuuiJUOD0】PI丄GS^dDesasnuuaisXseq丄'pje/vyjo^】ndse/v\uujope|da|iqoujuopaseqjoie|iiuaAuieuuauiuu|bodJ04uuaisXs6uuoiiuoujssa|aji/v\aiouuaj40auuaqDSu6isape'uu列qcudaAoqejoj'pueisiuoqeuiuoju!o^ui611川內(nèi)uuaisXs6uuoiiuoujjoieuiuaAuieuuasneD01seos^jo/wiaupaji/v\XqpajaAOD人|l|ro出!ppueaiouuajsiauiuu|bod40ujoojjoie|iiuaAuieuuaqi［董.】辿團擔◎貢璋張菲賽柬岀埠鑒諄蘋盟由44W^嗣翳斑婆WS酹朋【總頁數(shù)】5頁(P30-34)【關(guān)鍵詞】煤礦通風機;主要通風機;遠程無線監(jiān)控;移動平臺;移動客戶端;云端數(shù)據(jù)服務器；GPRSDTU;Socket通信【作者】申瑞杰;吳新忠;牛洪海;張兆龍;夏令祥;周成【作者單位】徐州市教育局,江蘇徐州221005;中國礦業(yè)大學信息與控制工程學院,江蘇徐州221116;南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇南京211106;中國礦業(yè)大學信息與控制工程學院,江蘇徐州221116;中國礦業(yè)大學信息與控制工程學院,江蘇徐州221116;中國礦業(yè)大學信息與控制工程學院,江蘇徐州221116【正文語種】中文【中圖分類】TD724煤礦主要通風機的可靠運行對礦山生產(chǎn)安全具有重要意義?；陲L量、負壓、瓦斯?jié)舛燃巴L機電動機的電參數(shù)、溫度、振動等參數(shù)的主要通風機監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測煤礦井下通風質(zhì)量和通風機運行狀態(tài)［1］，有助于預防災害發(fā)生，為通風機安全可靠運行提供保障。但煤礦主要通風機房地理位置較為偏僻，有線網(wǎng)絡不易覆蓋，因此主要通風機監(jiān)控系統(tǒng)容易產(chǎn)生“信息孤島”問題。隨著3G，4G技術(shù)的不斷發(fā)展，智能手機等移動設備已從簡單的通信終端向移動互聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)展，可隨時上網(wǎng)獲取服務器上的信息。本文將移動設備應用于煤礦主要通風機監(jiān)控領域，提出一種基于移動平臺的煤礦主要通風機遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足煤礦隨時隨地監(jiān)控主要通風機運行狀況的需求。基于移動平臺的煤礦主要通風機遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)控設備、云端數(shù)據(jù)服務器和移動客戶端三部分［2］，如圖1所示。現(xiàn)場監(jiān)控設備以CPU315-2PN/DP型PLC為核心，配以I/O模塊及通信模塊，可實時采集風量、負壓、瓦斯?jié)舛燃巴L機電動機電參數(shù)、振動、溫度等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過以太網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)傳輸給上位機，在有局域網(wǎng)覆蓋的情況下還可將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面調(diào)度室監(jiān)控終端，實現(xiàn)遠程集控。系統(tǒng)以現(xiàn)場監(jiān)控為基礎，通過GPRSDTU將監(jiān)控信息傳送至分配固定IP地址的的云端數(shù)據(jù)服務器。數(shù)據(jù)服務器一方面接收并存儲GPRSDTU發(fā)送來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，另一方面對移動客戶端的會話請求作出及時應答，實現(xiàn)與移動客戶端通信功能［3］。在移動客戶端，通過Socket編程使終端設備能夠通過3G、4G或WiFi無線網(wǎng)絡從數(shù)據(jù)服務器上遠程讀取現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)［4-5］?？蛻舳藨贸绦虿捎肕VC（Model-View-Controller，模型-視圖-控制器）模塊化設計思想，軟件設計包括功能實現(xiàn)和人機界面設計兩部分［6］。2.1數(shù)據(jù)服務器與GPRSDTU模塊通信數(shù)據(jù)服務器中的監(jiān)控數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場安裝的GPRSDTU模塊LQ8110E與PLC的CP340串口通信采集而來。LQ8110E作為底層的數(shù)據(jù)采集模塊，采用TCP客戶端工作模式進行數(shù)據(jù)透明傳輸。LQ8110E需要配置數(shù)據(jù)服務器的IP地址和端口號，端口號即數(shù)據(jù)服務器Socket需要監(jiān)聽的端口。數(shù)據(jù)服務器監(jiān)聽該指定端口即可實現(xiàn)與LQ8110E通信。LQ8110E上電后，首先自動上傳ID號，并等待數(shù)據(jù)服務器進行心跳握手回復。此時數(shù)據(jù)服務器回復3個十六進制“OOH”，LQ8110E收到后進入正常工作模式，之后數(shù)據(jù)服務器便可與LQ8110E進行數(shù)據(jù)通信。LQ8110E向數(shù)據(jù)服務器發(fā)送十進制的風量、負壓、電動機電參數(shù)等數(shù)據(jù)，云端數(shù)據(jù)服務器將接收到的移動客戶端控制信號發(fā)送給LQ8110E，實施控制。2.2數(shù)據(jù)服務器與移動客戶端通信數(shù)據(jù)服務器與移動客戶端建立通信是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［7-11］。系統(tǒng)采用Socket和ServerSocket建立基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信。數(shù)據(jù)服務器首先建立接收監(jiān)測數(shù)據(jù)的服務套接字用于接收數(shù)據(jù)，同時建立發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)的服務套接字向移動客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)服務器通過ServerSocket創(chuàng)建，即用ServerSocket對象監(jiān)聽移動客戶端的Socket連接。移動客戶端應用程序采用Socket類，該類通過指定數(shù)據(jù)服務器的IP地址和與數(shù)據(jù)服務器相同的端口號來連接數(shù)據(jù)服務器。數(shù)據(jù)服務器的IP地址存儲在字符串資源文件中，通過getResources().getString(R.string.ip)獲取IP地址字符串。完成Socket實例創(chuàng)建后，相應的Socket連接即建立。客戶端應用程序通過socket.getOutputStream()方法獲得輸出流，將輸出字節(jié)流包裝成Printwriter字符流，通過pw.Write()方法將內(nèi)容寫入PrintWrite中，調(diào)用pw.Flush()方法刷新數(shù)據(jù)輸出過程。此時如果連接過程沒有異常，則內(nèi)容將會發(fā)送到數(shù)據(jù)服務器中。socket.getInputStream()方法接收數(shù)據(jù)服務器傳回的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)流包裝成帶緩存的字符流，通過read.readLine()方法獲取返回的數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)發(fā)送/接收完成后，關(guān)閉所有用到的流，以節(jié)省移動客戶端操作系統(tǒng)的內(nèi)存開銷。數(shù)據(jù)服務器與移動客戶端的Socket通信流程如圖2所示。移動客戶端操作系統(tǒng)選擇當前移動客戶端的主流操作系統(tǒng)為iOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)。其中Android系統(tǒng)是目前世界上使用范圍最廣、使用人數(shù)最多的開源操作系統(tǒng)，具有強大的應用層API(ApplicationProgrammingInterface,應用程序編程接口)和豐富的傳感器功能。其開放性為應用程序的開發(fā)提供了廣闊的創(chuàng)新空間，并能與Google完善的服務體系實現(xiàn)無縫結(jié)合，即使各類應用功能各異，也不影響數(shù)據(jù)同步和軟件兼容。因此，煤礦主要通風機遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)的移動客戶端選擇Android系統(tǒng)為開發(fā)平臺，以便客戶端軟件更具有通用性［12］。移動客戶端功能模塊設計移動客戶端應用程序的主要功能包括：①客戶端Socket通信；②采用Android系統(tǒng)自帶的SQLite數(shù)據(jù)庫對接收到的數(shù)據(jù)進行解析并存儲；③監(jiān)控主界面數(shù)據(jù)實時顯示和刷新［8］;④將控制信號發(fā)送給數(shù)據(jù)服務器。按照上述功能設計相應的模塊并融入人機界面設計中。移動客戶端人機界面主要包括用戶登錄界面、監(jiān)控主界面、溫度歷史曲線界面、風量/負壓歷史曲線界面、電參數(shù)歷史曲線界面和控制界面。SQLite數(shù)據(jù)庫解析和存儲Android系統(tǒng)集成了一個輕量級的數(shù)據(jù)庫SQLite，且AndroidSDK對SQLite數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作進行了封裝［13］。Android.database.sqlite包中封裝了很多與SQLite數(shù)據(jù)庫操作相關(guān)的類，常用的如SQLiteOpenHelper類和SQLiteDataBase類。SQLiteOpenHelper類用來管理數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建和版本更新，其具有的方法包括onCreate()和onUpgrade()，onCreate()是第一次創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫時調(diào)用的方法，onUpgrade()是數(shù)據(jù)庫版本號發(fā)生改變時Android系統(tǒng)自帶的調(diào)用方法［14-15］?？蛻舳藨贸绦虿捎肧QLite數(shù)據(jù)庫保存主要通風機歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)，需自定義SQLiteOpenHelper的子類，并重寫onCreate()和onUpgrade()方法。SQLiteDatabase類主要用于對數(shù)據(jù)庫進行增、刪、改、查等操作，移動客戶端應用程序通過該類提供的方法可以方便地對數(shù)據(jù)庫進行相應操作。在移動客戶端應用程序編寫中，為了查詢和顯示風量、負壓、溫度、電參數(shù)歷史曲線，需要創(chuàng)建4個數(shù)據(jù)庫表，分別用來保存風量、負壓、溫度、電參數(shù)信息。每個表的字段信息與接收到的數(shù)據(jù)服務器發(fā)送來的信息對應。用戶登錄界面用戶登錄界面主要由TextView(文本顯示)、EditText(文本編輯)、Button(按鈕)控件組成。客戶端應用程序?qū)?shù)據(jù)服務器的IP地址作為用戶名，端口號作為密碼。應用程序為登錄按鈕注冊了監(jiān)聽事件SetOnClickListener()方法。點擊登錄按鈕，系統(tǒng)自動調(diào)用監(jiān)聽事件的OnClick(Viewview)方法，在該方法內(nèi)部判斷用戶輸入的用戶名和密碼是否正確，如果正確就通過Intent類實現(xiàn)頁面跳轉(zhuǎn)功能，否則提醒用戶輸入的用戶名和密碼錯誤［9］。3.2.3監(jiān)控主界面監(jiān)控主界面用來集中顯示移動客戶端接收到的煤礦主要通風機實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。監(jiān)控主界面包括功能按鈕區(qū)域、現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示區(qū)域、監(jiān)控數(shù)據(jù)刷新頻率和頻率選擇區(qū)域。監(jiān)控主界面對應main_activity.xml布局文件，采用線性布局作為其根布局，由Button、TextView和Spinner(下拉菜單)控件完成其功能。在監(jiān)控主界面中，可通過功能按鈕調(diào)用溫度歷史曲線界面、風量/負壓歷史曲線界面、電參數(shù)歷史曲線界面和控制界面，后臺分別對應Button控件的點擊事件，對應的響應為頁面跳轉(zhuǎn)功能。在現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，設備號顯示當前運行的通風機號，風量、負壓信息欄對應當前時刻的通風機風量值和通風管路負壓值；電參數(shù)信息欄實時顯示2臺電動機的電壓、電流、功率和功率因數(shù)；溫度信息欄顯示2臺電動機當前時刻的前軸、后軸、定子1、定子2、定子3的溫度值。監(jiān)控數(shù)據(jù)刷新頻率和頻率選擇區(qū)域中，界面刷新實質(zhì)是要求客戶端應用程序每隔指定的時間向數(shù)據(jù)服務器發(fā)起一次會話請求，而指定的時間就是設置的刷新頻率時間。應用程序采用Timer和TimerTask類實現(xiàn)定時發(fā)起會話請求的任務。3.2.4溫度、風量/負壓、電參數(shù)歷史曲線界面歷史曲線界面主要通過調(diào)用保存在數(shù)據(jù)庫中的歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)，將監(jiān)控數(shù)據(jù)以曲線圖的方式展現(xiàn)給用戶。曲線圖的繪制步驟：創(chuàng)建畫布、獲取數(shù)據(jù)、繪制曲線。AndroidAPI中的android.graphics包提供了完整的畫圖工具。重寫View類的onDraw(Canvascanvas)方法，該方法提供了畫布類的實例canvas，此時畫布是空的。歷史曲線的數(shù)據(jù)保存在代表不同監(jiān)控參數(shù)的數(shù)據(jù)庫表中，獲取數(shù)據(jù)的過程就是從SQLite數(shù)據(jù)庫表中查詢數(shù)據(jù)的過程。有了歷史數(shù)據(jù)和畫布就可以在畫布上繪制曲線，android.graphics包中的Paint類為畫筆工具，主要用來設置畫筆屬性。調(diào)用canvas.drawLine()方法繪制曲線，其中Paint實例對象將作為參數(shù)傳入該方法。曲線的縱坐標為保存在數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，橫坐標為數(shù)據(jù)采集時間。3.2.5控制界面控制界面主要用來在緊急情況下遠程操作主要通風機電動機的啟停和現(xiàn)場風門的開關(guān)。登錄控制界面需要權(quán)限，用戶必須輸入正確的控制密碼后，才能對控制界面的按鈕進行操作。4.1測試環(huán)境系統(tǒng)以魅族MX4型智能手機為移動終端，其采用Android4.0.4操作系統(tǒng)。系統(tǒng)測試平臺搭建在某煤礦主要通風機監(jiān)控系統(tǒng)中，以PLC為核心控制模塊，數(shù)據(jù)服務器放置在調(diào)度室，分配固定IP地址。工作人員通過移動客戶端對主要通風機運行情況進行實時監(jiān)控。4.2功能測試按要求完成系統(tǒng)配置后，對移動客戶端的所有功能模塊進行現(xiàn)場測試。首先在用戶登錄界面輸入用戶名和密碼，驗證成功后進入監(jiān)控主界面。監(jiān)控主界面自動顯示主要通風機當前的風量、負壓、電參數(shù)及各部分溫度等信息。點擊監(jiān)控主界面上的“溫度曲線”、“風量/負壓曲線”、“電參數(shù)曲線”、“控制界面”按鈕，自動彈出相應的參數(shù)顯示界面或控制界面。在控制界面上，操作人員輸入正確密碼后，可對主要通風機電動機和風門進行控制。系統(tǒng)功能測試結(jié)果如圖3所示。基于移動平臺的煤礦主要通風機遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)采用GPRSDTU模塊將現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到云端數(shù)據(jù)服務器上，采用Socket編程方式使移動客戶端通過3G、4G或WiFi無線網(wǎng)絡從數(shù)據(jù)服務器上遠程讀取現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)有效解決了煤礦主要通風機監(jiān)控系統(tǒng)容易淪為“信息孤島”的問題，無需專門布線，通過移動網(wǎng)絡即可將主要通風機監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送至云端數(shù)據(jù)服務器，滿足用戶隨時隨地接入系統(tǒng)的需求。SHENRuijie，WUXinzhong,NIUHonghai,etal.Designofremotewirelessmonitoringsystemforcoalminemainventilator[J].IndustryandMineAutomation，2017,43(11)：30-34.【相關(guān)文獻】吳新忠，任子暉,馬小平，等?煤礦主要通風機在線監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學技術(shù),2009,37(12):54-57.WUXinzhong,RENZihui,MAXiaoping,etal.Researchstatusandoutlookofon-Linemonitoringandcontrolsystemforminemainventilator[J].CoalScienceandTechnology,2009,37(12):54-57.馬小平，胡延軍,繆燕子?物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應用研究[J].工礦自動化,2014,40(4):5-9.MAXiaoping,HUYanjun,MIAOYanzi.ApplicationresearchoftechnologiesofInternetofthings,bigdataandcloudcomputingincoalminesafetyproduction[J].IndustryandMineAutomation,2014,40(4):5-9.董明遠?基于GPRS的通信技術(shù)在油井監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[D].北京：中國石油大學(北京),2010.耿東久，索岳，陳渝，等?基于Android手機的遠程訪問和控制系統(tǒng)[J].計算機應用,2011(2):559-561.GENGDongjiu,SUOYue,CHENYu,etal.DesignandimplementationofAndroidphonebasedaccessandcontrolinsmartspace[J].JournalofComputerApplications,2011(2):559-561.馬小平，吳新忠,任子暉?基于移動互聯(lián)的煤礦通風遠程監(jiān)控技術(shù)[J]?工礦自動化,2016,42(3):7-12.MAXiaoping,WUXinzhong,RENZihui.RemotemonitoringtechnologyforventilatorofcoalminebasedonmobileInternet[J].IndustryandMineAutomation,2016,42(3):7-12.⑹胡永利,孫艷豐?物聯(lián)網(wǎng)信息感知與交互技術(shù)[J].計算機學報,2012，35(6):1147-1162.HUYongli,SUNYanfeng.InformationsensingandinteractiontechnologyinInternetofthings[J].ChineseJournalofComputers,2012，35(6):1147-1162.周軍?基于Android手機遠程控制的設計與實現(xiàn)[J].工業(yè)設計，2015(5):108-110.ZHOUJun.DesignandimplementofremotecontrolbasedonAndroidmobile[J].IndustrialDesign，2015(5)：108-110.劉潔?基于移動互聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全智能監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].軟件,2011(12):36-38.LIUJie.ThedesignofintelligentminesafetymonitoringsystembasedonmobileInternet[J].Software,2011(12):36-38.李光明，孫英爽,黨小娟?基于安卓的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,2016(2):555-560.LIGuangming,SUNYingshuang,DANGXiaojuan.DesignandimplementationofremotemonitoringsystembasedonAndroid[