摘 要： 開發了一種基于WSN（無線傳感器網絡）的煤礦瓦斯監測系統上位機軟件。該軟件采用Visual C#和數據庫技術進行軟件設計，具有實時接收和發送數據、保存數據、歷史數據查詢統計、預警曲線顯示、數據報表打印等功能。測試結果表明，該瓦斯監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點，能夠實時監控煤礦井下瓦斯濃度和減少事故發生率。
關鍵詞： WSN；瓦斯監測系統；上位機監控軟件
0 引言
煤礦井下環境惡劣，突發性事故多，因此煤礦安全生產一直備受國家和人民關注。傳統的瓦斯監測系統以工業總線為基礎，通過光纖或電纜來連接傳感器節點，這種有線傳輸網絡有布線復雜、勞動強度高、維護困難、容易出現盲點等缺點，因此，WSN應用于煤礦瓦斯監測系統就顯得尤為重要[1]。
本設計在前期工作的基礎上，設計瓦斯監測系統上位機軟件。在該軟件的驅動下，基于WSN的瓦斯監測系統可以實時采集監測區域的瓦斯濃度等信息，并將采集到的信息實時發送至上位機，然后上位機再進行處理，可以實現存儲、報警、顯示和打印等功能。
1 瓦斯監控系統
基于WSN的瓦斯監控系統主要由路由節點、終端節點、協調器、傳輸接口和監控中心組成[2]。其中基于ZigBee技術的WSN可以實現瓦斯監測數據無線傳輸，通過RS-485電纜實時將井下瓦斯監測數據上傳至上位機，進而由上位機實現對數據的解析、處理、存儲、查詢、統計、圖表繪制等功能。路由節點和終端節點均由固定節點和移動節點組成，而監控分站作為協調器。系統的結構圖如圖1所示。
2 上位機監控軟件設計
2.1 功能需求
根據瓦斯監測系統的特點，上位機軟件需要對接收到的數據進行處理、保存并實時顯示，在瓦斯濃度超限時報警，還要滿足用戶查詢數據及曲線、打印、向下位機發送指令的功能[3]。除此之外，還需對軟件狀態及操作等進行記錄和顯示。
2.2 開發環境
上位機以Microsoft Visual Studio 2010集成開發環境為軟件開發環境，以C#作為開發語言，采用SQL Server 2008作為軟件后臺數據庫。
2.3 軟件結構
該軟件是以數據上傳和發送控制命令為基礎實現各功能的。如圖2所示，軟件具有登錄注冊界面，而監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、數據存儲、顯示和打印。
（1）配置功能主要包括初始化、參數配置和控制命令。其中參數設置是指對系統各類參數的設置與修改。控制命令是指向下位機發送指令。
（2）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據、開關量狀態。報警信息的顯示是指當瓦斯監測值超限或者出現各種故障狀態信息時，煤礦瓦斯監控系統會產生報警信號。曲線顯示分為歷史曲線和實時曲線。曲線顯示就是將瓦斯濃度按照時間變化用曲線直觀地顯示。
（3）存儲。監控軟件的存儲部分包含多種類型的記錄信息的存儲，主要有實時數據的記錄、統計值與處理值的記錄、報警信息和故障信息的記錄[4]。
（4）打印。監控軟件的打印部分主要包含三種功能：日報表、統計值記錄查詢報表和定時打印。日報表主要包含瓦斯濃度日報表、瓦斯濃度報警日報表和監控設備故障日（班）報表。統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、持續時間，主要統計起始時間、最大值、最大值時刻、平均值、超限次數等數據。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
根據上位機需要實現的功能，將界面分為主界面、數據查詢和處理界面、瓦斯濃度超限預警界面、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、接收數據、存儲數據和發送數據等；預警界面主要在瓦斯濃度超過限定值時進行報警，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據通信
實現上位機與下位機之間的數據通信是此上位機軟件的基礎。本系統使用RS-485電纜將上位機與協調節點的串口相連，并采用Modbus RTU通信協議[5]。
相對于ASCII模式，RTU模式表達相同的信息需要較少的位數，且在相同通信速率下具有更大的數據流量，信息傳輸為異步方式，并以字節為單位。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送控制命令時，下位機需要實時向上位機發送數據，即各地點的瓦斯濃度[6]，如表1所示，地址位即為監測系統的測點號，數據內容表示上傳的瓦斯濃度的時間及濃度值，經過軟件處理接收到的數據分別保存測點號、時間和瓦斯濃度值。
當上位機有指令發送給下位機時，發送的數據中，地址位為要求下位機發送過來瓦斯濃度的測點號，數據內容表示要求發送的時間區間，如果CRC校驗無誤，則下位機中斷向上位機實時傳送數據，轉而執行上位機的指令，把執行結果返送給主機，待執行完畢后，再繼續之前的進程。
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據，且對數據進行處理，地址位為PANID，數據位共4 B，分別是日期、時間和數據（即瓦斯濃度）；也可以向下位機發送控制命令，來實現該軟件所需的功能。
4 結論
該上位機監控軟件可以實現對井下瓦斯濃度數據的實時接收、存儲和顯示；并能根據需要向下位機發送控制命令，從而更好地處理問題。采用Modbus RTU通信協議提高了串口通信的可靠性和穩定性，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、實時和歷史數據查詢、預警曲線顯示、報表打印等功能。該監控軟件可以及時發現并解決井下安全問題，為基于WSN的瓦斯監測系統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.基于無線傳感器網絡的煤礦瓦斯監測系統軟件的研究[J].煤礦機械，2012（12）：232-234.
[4] 魏寧，尹洪勝，劉秀榮，等.基于無線傳感器網絡的煤礦瓦斯監測系統的設計[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[J].甘肅科學學報，2008，20（1）：102-104.
[6] 李英奇，吳桂初.Modbus-Modbus TCP/IP的網關設計[J].微型機與應用，2013，32（10）：48-50，53.