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4.2.2功能模块间关系

系统数据传输模块采集各种传感器上传的参数数据后，传给数据管理模块进行存储。环境预报警模块、综合查询、基本信息等都是基于数据管理模块，读取数据进行加工处理，以可视化显示、报表、SMS短信等形式呈现给用户查询结果，实现井下环境的实时监测和预警。基于物联网的煤矿井下环境监测系统的功能模块间的关系如图4-3所示：

数据上传基本信息数据传输模块命令获取数据数据管理综合信息GIS环境预报警SMS短信发送命令控制模块图4-3 功能模块间关系

4.3 关键模块

4.3.1 GIS 模块

地理信息系统 (Geographic Information System，GIS)是一项按照空间地理坐标、位置，对其进行处理的空间数据技术。地理信息系统由用户、计算机系统和地理数据组成，通过地理数据的处理与分析生成地理信息，为煤矿井下环境监测提供可视化的信息服务[54]。GIS模块作为煤矿井下环境监测系统的主要组成部分，井下环境监测区域以可视化形式呈现给用户、管理者，具有对煤矿井下环境实时查询、控制、分析，实现井下工作人员的定位、预报警等多种功能。GIS在煤矿井下环境监测中的使用，检测人员能实时掌握井下员工的位置，活动轨迹，监测区域的危险等级情况，一旦井下发生事故，可以为事故救援工作提供可靠的井下资料，为环境监测提供有效、可视化的服务。

随着GIS的不断发展，地理空间数据的需求增长迅速。随着出现了各式各样的需求，越来越多的使用基于GIS的集成二次开发，组件式GIS二次开发结合编程语言开发地理信息系统。MapInfo 公司推出的MapXtreme开发工具，基

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于Internet的应用服务器，具有强大的地图功能，实现可视化的显示。GIS具有地图显示、编辑、分析、专题地图制作、图层控制、地理编码等功能，只要进行基于MapXtreme的开发，用户就可访问地图信息。基于物联网的煤矿井下环境监测系统的GIS模块就是采用MapXtreme开发实现的，MapX、MapX Server，和MapX Broker是MapXtreme的三个主部件。每一个部件都有其对象、属性和方法。应用程序和地图引擎的沟通是通过第四个对象MapXCourier来实现。其中MapX是功能核心，是Mapinfo公司在地图方面的一个可编程的ocx控件，通过网络开发环境进行访问，可提供MapInfo 格式地图的基本操作(如显示、选择、放大和缩小等)，还能提供地图对象编辑、主题地图制作等功能，此外，还可以绑定数据源，主要有以下两种方法：自身的ODBC接口和采用编程平台提供的数据库访问机制绑定数据源；MapXServer 对象使用在所有的MapXtreme应用程序中，是 MapX OCX 的包装，由MapXBroker或者MapXCourier启动。为了访问 MapX，MapXCourier使应用程序通过MapXServer 实例来实现。MapXServer 实例的预启动使用MapXBroker，在应用范围很广的时候才需要使用MapXBroker。MapXtreme的工作机制描述如下：应用程序首先请求地图服务，地图引擎将生产一个MapX Courier 对象，接着访问MapX 对象，加载Geoset 地图集，通过刚产生的对象使用MapXServer 实例完成；然后编写实现功能的程序，根据用户的实际需求，对地图类型进行判断，对MapX对象进行编辑操作；最后MapX 对象进行空间分析处理，结果反馈到客户端。

GIS模块根据数据库中的井下环境参数和工作人员位置跟踪信息，结合井下实际的地理信息，制作和管理各类专题地图，最终实现井下地理数据与井下环境参数与位置信息的有效衔接。该模块显示井下环境监测区域的员工的位置和监测点的部署情况，并结合模糊数据聚类和评价技术，进行空间数据分析，显示划分的井下环境监测区域和危险等级区域的位置信息。井下环境监测系统GIS模块的结构图如4-4所示。

GIS模块监测点显示井下员工位置监测区域划分监测点预报警地图操作

图4-4 GIS模块结构

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GIS的显示界面上，井下环境监测点和井下工作人员位置的显示，获取监测点和矿工的数据信息，通常用不同的标记来标识井下区域环境监测点和井下工作人员的位置，例如，不同颜色的图形标识不同的监测点。监测点信息主要有：监测节点ID，区域、位置坐标等，井下工作人员的信息包括：姓名、部门、工种、地址值(矿工唯一标识)、权限(员工对数据库的操作权限)等。通过ADO的数据访问方式访问数据库，并将获得的记录集与煤矿井下地图进行绑定，使用Datasets.Add方法添加数据集，并利用BindLayer对象作为Datasets.Add方法的一个参数，形成新的图层，显示煤矿井下区域监测点坐标的位置。煤矿井下区域监测点的可视化显示，用户或者煤矿企业管理者就可以看到井下区域的监测点的分布情况，还可以实时查看监测点是否出现异常，避免对环境参数的监测产生影响。

煤矿井下工作人员的可视化显示与环境监测点在煤矿井下的分布原理相同，井下员工位置在煤矿井下地图上以二维坐标值(x,y)表示，通过设置参考点(0,0)即煤矿井下地图的中心位置,然后按照相应的比例将井下员工所处的位置信息通过传感网网络传递存储在监控系统的数据库中。井下工作人员的定位的实现，通过将矿井工人的坐标信息绑定在矿井地图上,显示每个矿井工人的位置信息。井下工作人员位置更新操作是采用程序中计时器功能，根据获取最近时间值作为查询数据库的限定条件，获得最新时间的位置信息，并删除上一时间点的定位图层，更新井下工作人员的位置，管理人员通过员工的ID实时查询该员工井下的位置。随着井下个人的移动，地图实时进行更新，进而对井下工作人员进行有效的监控。

以上给出了煤矿井下员工的定位及实现过程，矿工在井下开采过程中，位置一直是变化的。管理人员可以选择起始时间点，以某一时间段查看员工的位置信息，并在可视化界面上显示员工的位置轨迹信息。井下员工位置轨迹的显示通过时间间隔内的历史位置信息组与井下区域地图进行绑定，建立井下人员运动轨迹的图层，利用MapX添加线图元的方式，实现位置点的连线过程，再设定画线速率，就可显示井下员工在该时间段的运动轨迹。一旦遇到煤矿事故，通过通过查看井下员工的运动轨迹，就可初步判断事故发生时员工所处的位置，为救援工作带来很大的方便。

4.3.2 SMS短信息

SMS(Short Message Service)短信，是一种存储和转发服务，利用SMS短

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消息将井下环境监测区域监测点的工作信息、是否出现异常监测参数值等发送给监测人员或者煤矿企业的管理者，实现检测人员和管理者在任何地点都能及时掌握井下环境参数信息。SMS技术应用到井下环境监测中，为实时监测环境参数提供新的监测手段，能够对煤矿井下突发事件的发生进行有效、及时的处理。

SMS能够在短消息服务中心和移动台之间传递，服务中心是通过GSM网络与称为SMS- GMSC的特定MSC进行联系，通过SMS中心进行消息转发。SMS已经在多个行业得到广泛应用，如零售业、电力、银行、物流业短信服务等。SMS管理的相关协议如图4-5所示。

图4-5 SMS管理协议

图4-5给出涉及SMS的管理协议，其中短消息实体(Short Messaging Entity，SME)位于移动基站或其他服务中心内，可以接受消息；短消息服务中心(Short Message Service Center，SMSC)负责短消息实体和基站间转发、存储、或者中继消息，移动台到短消息服务中心的短消息传输协议(Short Message Transmission Protocol ，SMTP)能传输来自移动台的消息；SMS网关即SMCGWMS，接受SMSC发送的消息，并向归属位置寄存器(Home Location Register，HLR)查询路由信息，然后再发送给目的交换中心，其中，HLR由SMSC产生，用来永久存储服务和用户记录的数据库；移动交换中心(Mobile Switching

Center，MSC)负责控制发向或来自其数据系统的拨叫和管理系统的切换；访问位置寄存器(Visitor Location Register，VLR)，当交换中心访问用户时需要使用的用户临时信息数据库。

SMS短信息的工作机制：首先SME接受用户的短信，然后转发给SMSC，SMS网关接受SMSC发送的短信，同时根据HLR查询路由信息将短信发送给目的交换中心，最后，MSC发送的信息被基站子系统接受，并发送给目标用户。