摘 要： 开发了一种基于WSN（无线传感器网络）的煤矿瓦斯监测系统上位机软件。该软件采用Visual C#和数据库技术进行软件设计，具有实时接收和发送数据、保存数据、历史数据查询统计、预警曲线显示、数据报表打印等功能。测试结果表明，该瓦斯监控软件具有界面友好、功能完善、精度高、成本低及操作简单等优点，能够实时监控煤矿井下瓦斯浓度和减少事故发生率。
关键词： WSN；瓦斯监测系统；上位机监控软件
0 引言
煤矿井下环境恶劣，突发性事故多，因此煤矿安全生产一直备受国家和人民关注。传统的瓦斯监测系统以工业总线为基础，通过光纤或电缆来连接传感器节点，这种有线传输网络有布线复杂、劳动强度高、维护困难、容易出现盲点等缺点，因此，WSN应用于煤矿瓦斯监测系统就显得尤为重要[1]。
本设计在前期工作的基础上，设计瓦斯监测系统上位机软件。在该软件的驱动下，基于WSN的瓦斯监测系统可以实时采集监测区域的瓦斯浓度等信息，并将采集到的信息实时发送至上位机，然后上位机再进行处理，可以实现存储、报警、显示和打印等功能。
1 瓦斯监控系统
基于WSN的瓦斯监控系统主要由路由节点、终端节点、协调器、传输接口和监控中心组成[2]。其中基于ZigBee技术的WSN可以实现瓦斯监测数据无线传输，通过RS-485电缆实时将井下瓦斯监测数据上传至上位机，进而由上位机实现对数据的解析、处理、存储、查询、统计、图表绘制等功能。路由节点和终端节点均由固定节点和移动节点组成，而监控分站作为协调器。系统的结构图如图1所示。
2 上位机监控软件设计
2.1 功能需求
根据瓦斯监测系统的特点，上位机软件需要对接收到的数据进行处理、保存并实时显示，在瓦斯浓度超限时报警，还要满足用户查询数据及曲线、打印、向下位机发送指令的功能[3]。除此之外，还需对软件状态及操作等进行记录和显示。
2.2 开发环境
上位机以Microsoft Visual Studio 2010集成开发环境为软件开发环境，以C#作为开发语言，采用SQL Server 2008作为软件后台数据库。
2.3 软件结构
该软件是以数据上传和发送控制命令为基础实现各功能的。如图2所示，软件具有登录注册界面，而监控软件主界面上分为菜单栏和串口通信模块，串口通信模块可以实现与下位机的通信。菜单栏的功能模块主要分为四类，分别是配置、数据存储、显示和打印。
（1）配置功能主要包括初始化、参数配置和控制命令。其中参数设置是指对系统各类参数的设置与修改。控制命令是指向下位机发送指令。
（2）显示功能主要分为列表显示与曲线显示。列表显示主要包括模拟量数据、开关量状态。报警信息的显示是指当瓦斯监测值超限或者出现各种故障状态信息时，煤矿瓦斯监控系统会产生报警信号。曲线显示分为历史曲线和实时曲线。曲线显示就是将瓦斯浓度按照时间变化用曲线直观地显示。
（3）存储。监控软件的存储部分包含多种类型的记录信息的存储，主要有实时数据的记录、统计值与处理值的记录、报警信息和故障信息的记录[4]。
（4）打印。监控软件的打印部分主要包含三种功能：日报表、统计值记录查询报表和定时打印。日报表主要包含瓦斯浓度日报表、瓦斯浓度报警日报表和监控设备故障日（班）报表。统计值记录查询报表是设置查询条件生成的报表信息。查询条件主要包括查询起止时间、持续时间，主要统计起始时间、最大值、最大值时刻、平均值、超限次数等数据。定时打印是指按照设定好的时间范围对所选择的报表信息进行自动打印。
2.4 界面设计
根据上位机需要实现的功能，将界面分为主界面、数据查询和处理界面、瓦斯浓度超限预警界面、曲线显示界面、报表打印界面和用户管理界面等。主界面用于配置串口、接收数据、存储数据和发送数据等；预警界面主要在瓦斯浓度超过限定值时进行报警，并显示出预警曲线；曲线显示用于显示历史浓度曲线和实时浓度曲线；报表打印即生成指定报表进行打印；用户管理界面可以对用户进行添加、修改、删除、权限设置操作。图3所示为本软件的主界面。
2.5 上位机与下位机之间的数据通信
实现上位机与下位机之间的数据通信是此上位机软件的基础。本系统使用RS-485电缆将上位机与协调节点的串口相连，并采用Modbus RTU通信协议[5]。
相对于ASCII模式，RTU模式表达相同的信息需要较少的位数，且在相同通信速率下具有更大的数据流量，信息传输为异步方式，并以字节为单位。在上位机与下位机之间传递的通信报文的信息帧格式如表1所示。
当上位机没有向下位机发送控制命令时，下位机需要实时向上位机发送数据，即各地点的瓦斯浓度[6]，如表1所示，地址位即为监测系统的测点号，数据内容表示上传的瓦斯浓度的时间及浓度值，经过软件处理接收到的数据分别保存测点号、时间和瓦斯浓度值。
当上位机有指令发送给下位机时，发送的数据中，地址位为要求下位机发送过来瓦斯浓度的测点号，数据内容表示要求发送的时间区间，如果CRC校验无误，则下位机中断向上位机实时传送数据，转而执行上位机的指令，把执行结果返送给主机，待执行完毕后，再继续之前的进程。
3 测试结果
以串口通信为例，如图4所示，软件可以实时地接收数据，且对数据进行处理，地址位为PANID，数据位共4 B，分别是日期、时间和数据（即瓦斯浓度）；也可以向下位机发送控制命令，来实现该软件所需的功能。
4 结论
该上位机监控软件可以实现对井下瓦斯浓度数据的实时接收、存储和显示；并能根据需要向下位机发送控制命令，从而更好地处理问题。采用Modbus RTU通信协议提高了串口通信的可靠性和稳定性，克服了抗干扰性差的的缺点。同时该软件具有实时曲线显示、历史曲线显示、实时和历史数据查询、预警曲线显示、报表打印等功能。该监控软件可以及时发现并解决井下安全问题，为基于WSN的瓦斯监测系统提供了可靠的技术方案。
参考文献
[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] 王清华，王振翀，张冰.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统软件的研究[J].煤矿机械，2012（12）：232-234.
[4] 魏宁，尹洪胜，刘秀荣，等.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统的设计[J].工矿自动化，2010（1）：70-73.
[5] 郭永吉，王兴贵.Modbus RTU模式下工控机与智能仪表的通讯实现[J].甘肃科学学报，2008，20（1）：102-104.
[6] 李英奇，吴桂初.Modbus-Modbus TCP/IP的网关设计[J].微型机与应用，2013，32（10）：48-50，53.