【正文】 員的位置，例如，不同顏色的圖形標識不同的監(jiān)測點。監(jiān)測點信息主要有：監(jiān)測節(jié)點ID，區(qū)域、位置坐標等，井下工作人員的信息包括：姓名、部門、工種、地址值(礦工唯一標識)、權(quán)限(員工對數(shù)據(jù)庫的操作權(quán)限)等。通過ADO的數(shù)據(jù)訪問方式訪問數(shù)據(jù)庫，并將獲得的記錄集與煤礦井下地圖進行綁定，，形成新的圖層，顯示煤礦井下區(qū)域監(jiān)測點坐標的位置。煤礦井下區(qū)域監(jiān)測點的可視化顯示，用戶或者煤礦企業(yè)管理者就可以看到井下區(qū)域的監(jiān)測點的分布情況，還可以實時查看監(jiān)測點是否出現(xiàn)異常，避免對環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測產(chǎn)生影響。煤礦井下工作人員的可視化顯示與環(huán)境監(jiān)測點在煤礦井下的分布原理相同，井下員工位置在煤礦井下地圖上以二維坐標值(x,y)表示，通過設置參考點(0,0)即煤礦井下地圖的中心位置,然后按照相應的比例將井下員工所處的位置信息通過傳感網(wǎng)網(wǎng)絡傳遞存儲在監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。井下工作人員的定位的實現(xiàn)，通過將礦井工人的坐標信息綁定在礦井地圖上,顯示每個礦井工人的位置信息。井下工作人員位置更新操作是采用程序中計時器功能，根據(jù)獲取最近時間值作為查詢數(shù)據(jù)庫的限定條件，獲得最新時間的位置信息，并刪除上一時間點的定位圖層，更新井下工作人員的位置，管理人員通過員工的ID實時查詢該員工井下的位置。隨著井下個人的移動，地圖實時進行更新，進而對井下工作人員進行有效的監(jiān)控。以上給出了煤礦井下員工的定位及實現(xiàn)過程，礦工在井下開采過程中，位置一直是變化的。管理人員可以選擇起始時間點，以某一時間段查看員工的位置信息，并在可視化界面上顯示員工的位置軌跡信息。井下員工位置軌跡的顯示通過時間間隔內(nèi)的歷史位置信息組與井下區(qū)域地圖進行綁定，建立井下人員運動軌跡的圖層，利用MapX添加線圖元的方式，實現(xiàn)位置點的連線過程，再設定畫線速率，就可顯示井下員工在該時間段的運動軌跡。一旦遇到煤礦事故，通過通過查看井下員工的運動軌跡，就可初步判斷事故發(fā)生時員工所處的位置，為救援工作帶來很大的方便。 SMS短信息SMS(Short Message Service)短信，是一種存儲和轉(zhuǎn)發(fā)服務，利用SMS短消息將井下環(huán)境監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測點的工作信息、是否出現(xiàn)異常監(jiān)測參數(shù)值等發(fā)送給監(jiān)測人員或者煤礦企業(yè)的管理者，實現(xiàn)檢測人員和管理者在任何地點都能及時掌握井下環(huán)境參數(shù)信息。SMS技術(shù)應用到井下環(huán)境監(jiān)測中，為實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)提供新的監(jiān)測手段，能夠?qū)γ旱V井下突發(fā)事件的發(fā)生進行有效、及時的處理。SMS能夠在短消息服務中心和移動臺之間傳遞，服務中心是通過GSM網(wǎng)絡與稱為SMS GMSC的特定MSC進行聯(lián)系，通過SMS中心進行消息轉(zhuǎn)發(fā)。SMS已經(jīng)在多個行業(yè)得到廣泛應用，如零售業(yè)、電力、銀行、物流業(yè)短信服務等。SMS管理的相關(guān)協(xié)議如圖45所示。圖45 SMS管理協(xié)議圖45給出涉及SMS的管理協(xié)議，其中短消息實體(Short Messaging Entity，SME)位于移動基站或其他服務中心內(nèi)，可以接受消息；短消息服務中心(Short Message Service Center，SMSC)負責短消息實體和基站間轉(zhuǎn)發(fā)、存儲、或者中繼消息，移動臺到短消息服務中心的短消息傳輸協(xié)議(Short Message Transmission Protocol ，SMTP)能傳輸來自移動臺的消息；SMS網(wǎng)關(guān)即SMCGWMS，接受SMSC發(fā)送的消息，并向歸屬位置寄存器(Home Location Register，HLR)查詢路由信息，然后再發(fā)送給目的交換中心，其中，HLR由SMSC產(chǎn)生，用來永久存儲服務和用戶記錄的數(shù)據(jù)庫；移動交換中心(Mobile Switching Center，MSC)負責控制發(fā)向或來自其數(shù)據(jù)系統(tǒng)的撥叫和管理系統(tǒng)的切換；訪問位置寄存器(Visitor Location Register，VLR)，當交換中心訪問用戶時需要使用的用戶臨時信息數(shù)據(jù)庫。SMS短信息的工作機制：首先SME接受用戶的短信，然后轉(zhuǎn)發(fā)給SMSC，SMS網(wǎng)關(guān)接受SMSC發(fā)送的短信，同時根據(jù)HLR查詢路由信息將短信發(fā)送給目的交換中心，最后，MSC發(fā)送的信息被基站子系統(tǒng)接受，并發(fā)送給目標用戶?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的SMS模塊通過使用短信貓和SIM卡實現(xiàn)短信發(fā)送，模塊主要功能如下：短信參數(shù)設置、短信息編輯、短信息發(fā)送和接收等，如圖46所示。SMS模塊工作時，首先會自動進行檢測計算機與短信貓的連接情況，連接正常后，再設置包括比特率、串口號、目標手機號、內(nèi)容等通信參數(shù)，接著短信貓會收到來自系統(tǒng)的AT命令，進行短信發(fā)送、讀取、存儲、設置格式等操作。部分AT命令如表41所示。圖46短信模塊流程圖表41部分AT命令表AT命令格式功能說明AT+CMGW寫短信編輯短信并保持AT+CMGS發(fā)送短信短信發(fā)送AT+CMGD刪除短信短信刪除AT+CPMS存儲短信選擇短信存儲AT+CMGR讀取短信短信讀取AT+CMGF短信格式設置不同短信格式AT+CNMI新短信提示選擇有新短信提醒方式AT+CSCA服務中心地址提供短信服務中心號碼 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸模塊主要實現(xiàn)井下無線傳感網(wǎng)絡和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。采用基于Socket網(wǎng)絡通信機制，監(jiān)聽與本地綁定的端口信息。通過網(wǎng)絡發(fā)生連接請求，接受并建立連接，煤礦管理人員可向井下員工發(fā)送命令，井下各種傳感器采集的數(shù)據(jù)可上傳到數(shù)據(jù)庫。當煤礦井下開采過程中發(fā)生緊急情況時，通過井上和井下人員的實時有效的信息交流，可有效避免井下事故的發(fā)生，確保煤礦井下安全生產(chǎn)。Socket稱為“套接字”，通常請求或者應答網(wǎng)絡請求都是應用程序通過Socket向網(wǎng)絡發(fā)出的。套接字有原始套接字、數(shù)據(jù)包套接字和流套接字三種類型。原始套接字實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包通信，實現(xiàn)無連接的UDP通信的是數(shù)據(jù)報套接字，而實現(xiàn)面向連接的TCP通信是流套接字。套接字間的連接過程根據(jù)連接方式和連接目標分為服務端監(jiān)聽、客戶端請求和連接確認等三個步驟。第一個步驟指服務器套接字處于等待連接的狀態(tài)，并不具體定位客戶端，進行監(jiān)控；第二個步驟指請求連接服務器套接字，由客戶端發(fā)起，并指出服務器套接字的地址和端口，向服務器套接字提供連接請求；第三個步驟指服務器套接字監(jiān)聽到請求后，響應客戶端的請求，發(fā)送信息給客戶端，客戶端確認收到來自服務器端信息后，便建立連接。服務器端一直處于監(jiān)聽中，若有其他客戶端套接字發(fā)送連接請求，服務器套接字將繼續(xù)響應連接請求。傳輸控制通信協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)為兩臺主機提供可靠的數(shù)據(jù)通信，其數(shù)據(jù)傳輸機制：首先TCP層收到應用層發(fā)送用于網(wǎng)間傳輸?shù)摹?位字節(jié)表示的數(shù)據(jù)流，然后TCP將其劃分成適當長度的數(shù)據(jù)塊，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)侥繕酥鳈C；目標主機將作出響應，回復確認信息；當回復確認信息被源主機收到后，表面目標主機接收數(shù)據(jù)成功；若果出現(xiàn)異常情況如超時等，則進行重新發(fā)送操作。TCP是一種面向連接的、可靠的、基于數(shù)據(jù)流的運輸層通信協(xié)，負責點到點的的傳送數(shù)據(jù)，工作過程有請求連接、建立連接、數(shù)據(jù)傳輸、連接斷開等階段。TCP采用三次握手協(xié)議來確保數(shù)據(jù)正確的傳輸，具體有以下說那個步驟：STEP1 源主機發(fā)送建立TCP連接請求；STEP2 目標主機進行響應，若同意，則主機進程發(fā)送同意應答響應；STEP3 源主機再次確認應答響應，建立連接，通過Socket 進行兩主機間數(shù)據(jù)傳輸。用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)提供簡單的應用層數(shù)據(jù)傳輸服務，數(shù)據(jù)的傳輸不能得到保證，即源主機向目標主機發(fā)送，可能不會成功，且沒有重發(fā)機制。UDP是一種盡最大努力交付、不可靠的、面向無連接的數(shù)據(jù)傳輸服務。網(wǎng)絡之間互連協(xié)議(Internet Protocol，IP)實現(xiàn)計算機互聯(lián)的協(xié)議。采用路由算法，將劃分好的數(shù)據(jù)包通過不同的路由發(fā)送到目標主機。IP亦不能保證數(shù)據(jù)的傳輸成功。通常為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒ΓW(wǎng)絡層采用ICMP協(xié)議，并配合TCP協(xié)議，進行可靠傳輸?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)綜合考慮了井下環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的實時性、有效性、安全性等因素，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用TCP和UDP協(xié)議，進行主機間的通信。通信主機間若采用UDP連接，由于UDP面向無連接服務，則客戶端和服務器不需進行連接，服務器端啟動UDP服務，綁定端口和IP地址，開始監(jiān)聽服務，當數(shù)據(jù)到達時，進行接收和處理操作?？蛻舳送瑯硬恍柽M行連接，根據(jù)服務器的端口和IP地址，發(fā)送數(shù)據(jù)即完成任務。具體過程如圖47所示。圖47 UDP主機間通信流程通信主機間若采用TCP連接，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒淌牵悍掌鞫似鸬絋CP服務，監(jiān)聽連接請求，若監(jiān)聽到有連接請求，通過創(chuàng)建一個新線程與客戶端進行Socket 連接，進而可以進行信息的交互。服務器端Socket 連接流程如圖48所示。客戶端則根據(jù)服務器端的端口和IP地址發(fā)送Socket 連接請求，獲得服務器端的響應后，進行服務器端和客戶端主機的通信，客戶端端Socket 連接流程如圖49所示。圖48 服務器端Socket連接流程圖49 客戶器端Socket請求連接流程 環(huán)境預報警基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的井下環(huán)境預報警模塊，針對井下環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理分析，判斷井下監(jiān)測區(qū)域環(huán)境參數(shù)值是否超出安全值，若超出安全值就會觸發(fā)報警，使監(jiān)測人員能及時、有效的對突發(fā)事件進行處理。同時根據(jù)監(jiān)測點環(huán)境參數(shù)的變化情況可預測井下開采不同區(qū)域的安全等級的情況，提前做好預警準備。煤礦企業(yè)管理者根據(jù)預報警模塊提供的準確數(shù)據(jù)，定時查詢井下環(huán)境參數(shù)，通過掌握井下不同區(qū)域的環(huán)境參數(shù)的變化，及時采取應對措施，減少井下事故的發(fā)生，保證煤礦企業(yè)安全正常生產(chǎn)。環(huán)境預報警模塊工作流程圖如圖410所示。圖410 環(huán)境預報警模塊工作流程圖 本章小結(jié)本章主要對基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行分析，接著給出了該系統(tǒng)的主要功能模塊及其關(guān)系，最后闡述了系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的功能與實現(xiàn)。第五章 煤炭井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 系統(tǒng)的需求分析基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)，實時獲取煤礦井下開采區(qū)域的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、存儲、處理與傳輸、人員定位、環(huán)境監(jiān)測與預警、信息共享等功能，提高煤礦生產(chǎn)的安全性，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。煤礦企業(yè)一旦遇到井下工作區(qū)域環(huán)境參數(shù)超標、瓦斯爆炸等突發(fā)事故，系統(tǒng)可實時進行報警，并給救援人員提供可靠的數(shù)據(jù)支持，便于科學、快速進行救援工作。針對井下開采環(huán)境，結(jié)合煤礦井下事故發(fā)生的特點，基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應該具備以下要求：(1) 井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)界面友好、操作簡便(2) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，避免數(shù)據(jù)丟失或遭到破壞(3) 各種傳感器數(shù)據(jù)可實時、準確采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)(4) 能實時分析處理采集的數(shù)據(jù)，可視化地圖、報表等多種形式呈現(xiàn)給用戶，并可根據(jù)預設值進行預報警(5) 根據(jù)不同條件進行數(shù)據(jù)的快速查詢操作，并多種形式到處結(jié)果(6) 監(jiān)測系統(tǒng)可通過SMS方式發(fā)送井下監(jiān)測信息和礦工位置信息(7) 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準和完整性(8) 系統(tǒng)應該易于實施，便于擴展。 系統(tǒng)的設計目標井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控、礦工位置跟蹤、環(huán)境監(jiān)測預報警等功能。具體來說包括對進行多個環(huán)境參數(shù)如溫度、瓦斯、CO等的采集、存儲、上傳、分析處理，以及井下工作人員的位置信息的獲取，當井下環(huán)境參數(shù)值超出安全值時進行報警顯示，實時對井下工作人員的監(jiān)控，同時這些信息可通過SMS發(fā)送給指定用戶或者煤礦管理者。系統(tǒng)的設計與構(gòu)建同時具有安全可靠、井下全覆蓋、易配置、數(shù)據(jù)傳輸準確等特點，有效的幫助監(jiān)控人員和管理者實時監(jiān)控井下開采的環(huán)境信息和人員位置軌跡信息，對煤礦企業(yè)進行安全生產(chǎn)，減少事故的發(fā)生提供重要的決策依據(jù)。井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計的目標如下： (1) 井下環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的處理和分析井下環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和工作人員位置軌跡信息上傳到監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，可對其進行快速存儲，監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效管理數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析是否發(fā)生異常情況進行預報警，并實現(xiàn)對井下大量環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的挖掘功能。(2)井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享和服務監(jiān)測系統(tǒng)對井下環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、人員定位軌跡信息等進行有效管理，進行環(huán)境空間數(shù)據(jù)的共享，監(jiān)測人員和管理者可以實時掌握井下的開采生產(chǎn)情況，包括井下各種環(huán)境參數(shù)和工作人員的查詢、可視化顯示和信息服務等。(3) 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的有效管理系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)都存儲在數(shù)據(jù)庫中，當事故發(fā)生，數(shù)據(jù)庫將作為重要的決策依據(jù)，需要對數(shù)據(jù)庫進行科學有效的管理，保證數(shù)據(jù)的準確可靠。(4) 系統(tǒng)具備SMS短信息和遠程訪問功能系統(tǒng)可以實時將井下環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等發(fā)送給指定用戶或管理者，并且合法用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)接入設備訪問系統(tǒng)，可對監(jiān)測點進行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送命令、查看井下環(huán)境情況等操作。(5) 系統(tǒng)應用范圍廣泛監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)域通過部署具有覆蓋范圍廣、操作簡單、可靠運行等特點的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，下位機采集網(wǎng)絡采用無線組織方式進行連接，非常適合進行相關(guān)領(lǐng)域推廣。 系統(tǒng)設計基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過井下環(huán)境參數(shù)信息的采集、上傳、存儲等操作，進行數(shù)據(jù)的分析處理，呈現(xiàn)給用戶或管理員可視化的結(jié)果。監(jiān)控系統(tǒng)通常安裝在監(jiān)控中心，與工作在井下的下位機連接，實時接收來自井下的各種環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可向下位機進行控制。下位機負責接收各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)測系統(tǒng)的總體框架如圖51所示。圖51 總體框架下位機系統(tǒng)通常負責接收各種傳感器發(fā)送的實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行打包處理，進而利用網(wǎng)絡連接（無線或有線）上傳到監(jiān)測中心。下位機的工作流程有數(shù)據(jù)處理與存儲、數(shù)據(jù)傳輸和現(xiàn)場控制等3部分。數(shù)據(jù)的處理與存儲是接收傳感器發(fā)送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并進行本地存儲，在交付到數(shù)據(jù)傳輸模塊；數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到數(shù)據(jù)后，通過建立Socket 連接，上傳到監(jiān)測系統(tǒng)，同時接收監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的命令，并交給控制模塊處理?？刂颇K對來自監(jiān)測系統(tǒng)的命令進行接收和執(zhí)行操作。下位機數(shù)據(jù)采集模式有自動采集和命令采集兩種[55]，前者按照設定的頻率通過向傳感器發(fā)送指令，獲取數(shù)據(jù)，進行打包、上傳到監(jiān)測系統(tǒng)，不需再次設定的采集模式，是目前主要采用的模式；與前者不同的是，后者需要指定下位機再發(fā)送命令。