物聯網在煤礦生產上的應用

莫欽森，魏金成，溫佐云

（西華大學 電氣信息學院，四川 成都 610039）

“物聯網”（Internet of Things）是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1]。“物聯網”的出現，顛覆了傳統的思維模式，揭開了新一輪信息技術革命的序幕，正推動著信息技術在各行各業更深入應用的新一輪信息化浪潮。中國煤礦資源豐富，但是地理位置偏僻，礦井巷道縱橫交錯，井下作業人員的生命財產安全很難有所保障。物聯網技術應用于煤礦安全生產，將對礦井作業人員的生命財產安全提供重要的保障。

1 組網原理

從技術架構上來看，物聯網可分為3層：感知層、網絡層和應用層[2]。物聯網應用于煤礦安全生產，其感知層采用全球免費微波頻段2.4 GHz RFID射頻識別技術實現無線遠距離標簽識別。在礦井巷道適當位置分布式安裝讀卡器，入井員工隨身攜帶統一分配的電子標簽卡。當員工進入讀卡器的感知范圍，電子標簽將該員工的身份碼信息發送至讀卡器，讀卡器再將數據經網絡層傳輸至上位機分析處理，實現應用層的跟蹤檢測、查詢報警等相關應用。礦井物聯網的組網原理如圖1所示。

圖1 礦井物聯網組網原理圖Fig.1 Principle diagram of coal mine network

2 感知層設計

射頻識別RFID（Radio Frequency Identi6cation）技術被認為是21世紀最有發展前途的信息技術之一[3]。感知層工作頻率采用2.4 GHz ISM頻段，由標簽、讀卡器兩部分組成。員工身份碼信息經RFID標簽傳輸至讀卡器，再由讀卡器向上傳輸。

2.1 電子標簽

標簽采用2.4 GHz ISM頻段有源電子標簽設計，由入井員工隨身攜帶，是射頻系統真正的數據載體。主要由收發模塊、控制模塊以及電源模塊組成。收發模塊包括射頻收發天線，負責將射頻信號轉換成DC電源的電源產生電路、電能存儲電路、信號調制和解調以及時鐘發生電路。采用2.4 GHz無線遠距離收發模塊JF24D芯片設計。控制模塊由微控制器構成，負責讀寫控制、訪問控制以及收發模塊控制，實現對解調信號譯碼，以及回送數據的編碼。電源模塊對收發、控制模塊提供電壓。

2.2 RFID讀卡器

RFID讀卡器的基本任務是啟動數據載體 （RFID標簽），與其進行數據交換來實現非接觸無線通信。讀卡器和電子標簽之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，提供信號狀態控制、奇偶錯誤校驗與更正等功能。讀卡器硬件設計與電子標簽硬件設計相似，由發送器和接收器組成的無線收發模塊、電源模塊、控制單元以及與外界其他設備通信所需的各種標準接口模塊組成。讀卡器的基本工作流程如圖2所示。

圖2 讀卡器工作流程Fig.2 Working process of readers

3 網絡層設計

網絡層相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息，其基本結構主要包括3種：星形、環形和總線形[4]。本設計采用總線形網絡拓撲結構組網。網絡層是物聯網成為普遍服務的基礎設施，有待突破的方向是向下與感知層的結合，向上與應用層的結合[5]。

礦井物聯網的組網主要有總線式電纜結構組網、工業以太環網結構組、總線式光纖結構組網3種方案。由于煤礦井下巷道錯綜復雜，延伸距離較長，對于長距離數據傳輸，電氣網絡往往不能滿足要求，而光纖網絡可以滿足長距離數據傳輸并且保持較高的傳輸速率，所以選擇總線式光纖專網組網結構方案。從井下到地面數據的傳輸選擇光纖網絡，其余網絡采用電纜線傳輸。讀卡分站相當于數據基站，讀卡器采集到的電子標簽的身份碼數據首先在讀卡分站匯總，再由讀卡分站將數據進行誤碼檢查，確認無誤后再向上傳輸。光端機是電纜線路和光纖線路，以及光纖線路與光纖線路的接口，通過內置的數據報文轉換協議，將讀卡分站上傳的數據最終轉發至監控室計算機，實現應用層功能。網絡層組網方案如圖3所示。

圖3 網絡層組網方案Fig.3 Construction scheme of network layer

4 應用層設計

應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。采用Visual Basic 6.0以及Access數據庫進行開發應用。

4.1 功能實現

物聯網應用于煤礦安全生產，主要實現：信息查詢、人員跟蹤定位、Web遠程發布等功能。

1）信息查詢功能。員工信息查詢功能實現對每位員工信息的管理，員工信息內容包括員工姓名、員工編號、所在部門等個人信息。由于下井人員每人都攜帶有一個電子標簽，所以員工信息中包括所有員工所攜帶電子標簽的編號。考勤管理功能實現對下井員工的出勤情況的統計，對加班、請假及出差情況可以通過人工輸入的方法進行查詢和修改。方便了信息的收集，對員工的作業情況有了準確的記錄。讀卡器信息查詢功能實現對井下所布放的讀卡器進行管理。可以對讀卡器編號，讀卡器所放置的地理位置信息進行查詢、修改、添加。

2）人員跟蹤定位功能。可以實時查詢井下作業人員的位置信息，實現對井下人員的實時定位。當煤礦事故發生時，能迅速展開援救工作，提高煤礦安全性能和生產效率。

3）Web發布功能。該功能實現將應用層的檢測圖表及數據通過Internet遠程發布，便于集團公司或者上級主管部門了解煤礦生產狀況，包括礦井基本信息查詢，報警情況查詢和地圖瀏覽等功能。集團公司或上級主管部門在瀏覽器頁面輸入權限密碼，即可獲取該煤礦檢測資料，大大方便了煤礦企業的管理。

4.2 數據庫設計

數據庫是以一定方式組織、存儲及處理相互關聯的數據的集合，它以一定的數據結構和一定的文件組織方式存儲數據，并允許用戶訪問。由統一的軟件系統管理和控制數據的增加、刪除、修改和檢索。本設計采用Access數據庫進行開發應用，Access數據庫的理論基礎是關系代數和關系模型，這種關系模型就是二維表形式。表是數據庫中最重要、最基本的對象，是實際存儲數據的地方。對數據庫的各種管理和操作，實際上就是對數據中表的管理和操作。建立Access數據庫有兩種方法：

1）在Microsoft Access中建立數據庫。

2）利用Visual Basic 6.0提供可視化數據管理器（Visual Data Manager）創建數據庫。

根據煤礦安全生產的功能需求，需構建標簽信息表，員工信息表，讀卡器信息表，定位信息表，考勤信息表數據等。

4.3 Visual Basic 6.0 開發設計

Visual Basic 6.0是基于對象的可視化程序設計語言，也是所有程序設計語言中最容易掌握、使用人數最多的語言，它能夠快捷、簡易地建立Windows應用程序[6]。提供了面向對象的可視化開發界面，應用程序集成開發環境和大量的控件。支持多種數據庫系統的訪問，支持開發Internet程序以及完善的在線幫助系統，應用廣泛。

本設計使用數據控件（Data控件）訪問更新數據庫，Data控件是Visual Basic中最常見的控件。在Visual Basic中，數據控件本身不能直接顯示表中的數據，必須通過綁定控件來實現。綁定控件是指能夠配合Data控件（或其他控件），操作數據庫中數據的控件。常用的綁定控件有文本框、列表框、組合框等。讀卡器上傳的數據最終通過串口串行通信傳輸至地面監控室計算機，Visual Basic對串口進行初始化，監測是否有上傳數據，若有則記錄并更新數據庫，分析判斷上傳數據的讀卡器的位置，在事先繪制的礦井剖面圖上完成監測定位、信息查詢等功能。界面設計采用下拉式菜單設計，每項菜單下設子菜單，點擊調用相應窗口，執行對應功能程序，如圖4所示。

圖4 應用系統界面Fig.4 Application system interface

5 結束語

物聯網作為一種跨學科的新興產業已經越來越多地融入我們的生活，給我們的生產、生活方式帶來了一系列深刻的變革，已被正式列為圍家重點發展的五大戰略性新興產業之一[7]。本系統以RFID射頻識別技術為基礎實現數據采集并將數據由網絡層傳輸至上位機，以Visual Basic 6.0和Access數據庫為開發環境進行數據分析處理，實現了物聯網在煤礦生產上的應用，為煤礦的安全生產提供了及時有效的信息查詢、定位和監控等功能，以信息化手段提高了煤礦的安全生產能力。隨著物聯網技術標準的逐漸統一和技術的逐步成熟，礦井物聯網將對煤礦的安全生產提供更加可靠的保障和服務。

[1]李杰.物聯網中無線傳感器節點和RFID數據融合的方法[J].電子設計工程，2011，19（7）:103-106.LI Jie.Research method on data integration of wireless sensor node and RFID in IOT[J].Electronic Design Engineering.2011，19（7）:103-106.

[2]王桐，趙春暉.基于PML及Hedge的物聯網異構信息集成處理模型[J].東南大學學報：自然科學版，2011，41（2）:301-304.WANG Tong，ZHAO Chun-hui.Hetrogeneous information integrations from internet of things based on PML and Hedge automata[J].Journal of Southeast University:Natural Science Edition,2011，41（2）:301-304.

[3]Finkenzeller K.RFID handbook:fundamentals and applications in contactless smart cards and identification [M].2nd ed.England:Carl Hanser Verlag.Munich/FRG，2003.

[4]張才.井下人員定位系統軟件研究與開發[D].湖北:湖北工業大學，2007.

[5]岳瑩昭，楊鈺.物聯網體系結構的研究[R].福州:中國科協，2010.

[6]易衛，楊誼，李光明.Visual Basic 6.0實用基礎教程[M].北京:地震出版社，2002.

[7]蔡日梅.物聯網概述[J].電子產品可靠性與環境試驗，2011，29（1）:59-63.CAI Ri-mei.Overview of the internet of things[J].Electronic Product Reliabilty And Environmental Testing，2011，29（1）:59-63.