物聯網技術在采煤機設備上的應用研究①

黃成玉 鄧永紅 張全柱

(華北科技學院信息與控制技術研究所，北京東燕郊 101601)

物聯網技術在采煤機設備上的應用研究①

黃成玉②鄧永紅 張全柱

(華北科技學院信息與控制技術研究所，北京東燕郊 101601)

研究探討了煤礦物聯網的特點和關鍵技術，針對采煤機設備監控方面存在的不足，為準確獲取采煤機設備的運行狀態參數，提出了一種采煤機物聯系統的設計方案。系統的設計分為感知層、網絡層和應用層三個層次，設計了相關模塊。該系統實現了采煤工作面的智能化識別、遠程監控和管理，為數字化礦井建設奠定了基礎。

物聯網;傳感器網絡;采煤機;AP

0 引言

物聯網(The Internet of Things)概念于1999年提出，物聯網也叫傳感網，是將物品通過各種信息傳感設備，如射頻識別(RFID)裝置、基于光聲電磁的傳感器、3S技術、激光掃描器等各類裝置與互聯網結合起來，按規定的協議，通過有線或無線網絡進行信息交換和通信，實現數據采集、融合、處理，并通過操作終端，實現智能化識別、監控和管理。從“智慧地球”到“感知中國”，物聯網概念的提出引發了繼計算機、互聯網之后世界信息產業的又一次浪潮。隨著煤礦行業的發展，急需提高煤礦的安全生產、監控的自動化程度，物聯網技術在很多領域及煤礦行業已經有一定的使用［3］，但在工作面采煤機設備上至今還未使用。針對目前采煤機運行狀態監測較難的現狀，根據無線監測的優勢應用物聯網技術設計了采煤機設備運行狀態物聯系統。

1 物聯網三大關鍵技術

1.1 射頻技術—智能感知技術

射頻技術(RFID)是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。它是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)或雷達反射的傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。

RFID系統由RFID電子標簽、RFID閱讀器、RFID數據管理系統組成。電子標簽是射頻識別系統的數據載體，電子標簽由標簽天線和標簽專用芯片組成。依據電子標簽供電方式的不同，電子標簽可以分為有源電子標簽(Active tag)、無源電子標簽(Passive tag)和半無源電子標簽(Semi—passive tag)。有源電子標簽內裝有電池，無源射頻標簽沒有內裝電池，半無源電子標簽(Semi—passive tag)部分依靠電池工作。RFID閱讀器(讀寫器)通過天線與RFID電子標簽進行無線通信，可以實現對標簽識別碼和內存數據的讀出或寫入操作。典型的閱讀器包含有高頻模塊(發送器和接收器)、控制單元以及閱讀器天線。在物聯網系統中，電子標簽用來存儲規范而具有互用性的數據信息，通過無線通信網采集這些數據，并傳輸到信息中心，實現對物品的識別，同時通過互聯網實現信息交換和共享，實現對物品的感知。

1.2 無線傳感器網路—通信傳輸技術

無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的靜止或移動的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡，它的英文是Wireless Sensor Network，簡稱WSN。傳感器網絡中的所有傳感器節點均具有對數據進行采集、處理、融合、轉發和存儲的功能。能協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內感知對象的監測信息，并將這些信息通過網關節點經其它網絡發送給了用戶，實現對指定范圍內的目標進行檢測與跟蹤。傳感器網絡實現了數據采集、處理和傳輸的三種功能，而這正對應著現代信息技術的三大基礎技術，即傳感器技術、計算機技術和通信技術。傳感器網絡具有以下特點：大規模性、自組織性、動態可重構性、軟硬件的魯棒性和容錯性。

1.3 互聯網技術

互聯網技術的普遍應用，是進入信息社會的標志。傳感技術是人的感覺器官的延伸與拓展;通信技術人的神經系統的延伸與拓展，承擔傳遞信息的功能;計算機技術人的大腦功能延伸與拓展，承擔對信息進行處理的功能。傳感器通過互聯網技術實現所感知信息的傳遞和協同。傳感器網絡技術包括廣域網絡通信和近距離通信兩類。廣域網路通信是利用IP互聯網、2G/3G移動通信、衛星通信技術等實現信息的遠程傳輸。近距離通信典型的技術標準有藍牙、ZigBee、Wi－Fi等。其中以IEEE 802.15.4為代表的通信技術是目前近距離通信的主流技術，具有低功耗、低速率、短距離傳輸等特點，應用于支持計算和存儲能力有限的簡單器件。

2 煤礦物聯網特點和關鍵技術

物聯網的發展打破了之前的傳統思維，全面感知、可靠傳送和智能處理是物聯網的三個基本特征。將物聯網技術應用在煤礦上同礦井下的具體工作環境相結合即煤礦物聯網。

2.1 煤礦物聯系統的特點

因為煤礦生產是井下作業，針對不同的地址構造和煤層的賦存條件，必須要采用不同開采方法。開采過程中還常伴有很多自然災害，如瓦斯、煤塵、火災、透水等。煤礦物聯網不同于應用在地面的物聯網技術和設備，有其獨特的地方。煤礦物聯網具有的特點是：電氣防爆、無線傳輸衰減大、GPS信號不能覆蓋煤礦井下、無線發射功率小、抗干擾能力強、抗故障能力強、宜采用樹形結構、傳輸距離遠、設備體積小、電網電壓波動適應能力強、不宜采用中繼器、防護性能好等。

2.2 煤礦物聯網的關鍵技術

因為煤礦井下工作環境的特殊性，將物聯網技術順利應用在煤礦井下亟切解決的關鍵性技術是：礦用重大關鍵設備生產、運輸、倉儲、使用、維護等全過程管控;瓦斯檢查員、安全檢查員、電鉗工、放炮工、絞車司機、采煤機司機、水泵操作工等及其操作設備、作業環境人機環閉鎖控制;煤礦井下人員精確定位、自動識別與培訓監管;煤炭產、運、銷、用全程管控;無人工作面地面遙控;礦用安全標志準用產品生產、運輸、倉儲、使用、維護等全過程管控;應急救援裝備與救護隊等管理;礦用安全炸藥生產、運輸、儲存、領退、使用等全過程管控;煤礦物聯網信息編碼、傳輸、處理等標準;煤炭地質勘探、設計、建井施工、安全生產、經營管理等。

3 采煤機物聯系統設計

3.1 采煤機狀態參數

采煤機是煤礦井下的重要設備之一，運行在礦井最深處的綜采面上，是采煤系統的機頭部分，它的運行狀況正常與否直接影響著整個煤礦的安全、經濟效益。因此要求采煤機不但要有很好的工作性能，使其高效運行，還要具有很高的可靠性和較長的使用壽命。這就需使用先進的測控手段和管理方法，使采煤機經常處于最佳運行狀態。采煤機運行狀態參數如表1所示，及時準確的采集這些參數才能實現采煤機自動控制。

表1 采煤機物聯系統監測參數

3.2 采煤機物聯系統設計架構

結合目前物聯網技術發展狀況和采煤機設備工況監控系統研究現狀，設計了基于物聯網的采煤機物聯系統，在采煤機各個部分部署無線傳感器節點，采用信息融合技術進行數據采集、處理，改變由單一傳感器受信息量局限引起的誤報錯報的現狀，降低了冗余信息，節約大量的通信帶寬和寶貴的能量資源，實現信息互補和協同感知，提高信息的收集效率和系統的容錯能力。

本文所設計的采煤機物聯系統為一個由感知層、網絡層和應用層組成的3層體系，如圖1所示。感知層由大量可感知采煤機狀態參數、環境參數、人員等信息的傳感器構成，這些傳感器組成一個龐大的傳感網，為全面感知工作面信息提供了保障。網絡層由地面和井下的光纖環網、路由器、防火墻、服務器和無線局域網等組成，這些也構成了整個礦區的數據網絡，用于數據傳輸。應用層是礦區綜合信息平臺，它包括煤礦綜合自動化系統、人員管理系統、視頻監控系統、應急指揮系統等，能對煤礦工作面的安全信息、生產數據等進行分析，并可對采煤機設備進行智能化監控與管理。該系統能與工業電視監控系統協作，在地面信息中心可對采煤機設備信息及工作狀態、生產環境、井下人員分布等全面感知，同時可將信息通過網絡傳送給煤礦領導，使礦領導在辦公室計算機上就可隨時了解工作面設備、人員等各種信息，實現統一調度和管理。

圖1 采煤機物聯系統體系結構

3.3 采煤機物聯系統工作原理

在采煤機設備的指定位置安裝具有特定功能的傳感器節點，用于采集采煤機的工作狀態信號及環境參數，采集的信號經調理電路處理后，送給A/ D轉換器，轉換為數字信號，再經過微處理器對該數字信號進行處理，并存入輸出數據緩存區。輸出數據緩存區中的數據通過無線收發模塊傳至AP，再通過有線光纖傳送到信息控制中心，信息控制中心對接收到的數據保存并進行分析，分析結果以數據表格或函數曲線的形式在屏幕上顯示。如果數據異常或者超過預設的門限值就進行報警和應急處理。采煤機工作狀態信號傳遞流程如圖2所示。

圖2 采煤機工作狀態信號傳遞流程

感知層由大量能對采煤機設備、工作面環境和人員感知的傳感器構成。如電流、電壓、溫度、風速、壓力、CO、甲烷、采煤機切割速度、行走位移和視頻傳感器、RFID標簽等，這些傳感器部署到工作面和所有采煤機設備上，每一個傳感器為一無線收發節點，構成規模龐大的傳感網，全面感知采煤機設備和工作面環境。各個傳感器節點以自組織的形式構成網絡，通過多跳中繼方式將監測數據傳到ZigBee網絡中的匯聚節點，最終借助有線網絡將整個區域內的數據傳送到地面信息控制中心進行集中控制。網絡層包括數據從網關到應用服務器的整個過程，其主要設備由無線覆蓋網絡、路由器、交換機和光纖環網等組成。網絡層實現了數據可靠傳輸。應用層主要完成數據統計分析、智能處理和保存，并通過綜合信息平臺實現對采煤機的智能化控制、健康診斷、預警預報和應急處理。該系統的工作過程是首先通過傳感器節點等前端設備采集工作面現場數據，如果數據超限或異常，系統就會產生聲光報警信號，并啟動現場自動控制裝置進行處理，同時報警信號通過無線網絡傳送給網關，并逐級上傳送至信息控制中心，并在工業大屏幕上顯示。與此同時，向遠程無線終端發布告警信息，向上級領導匯報，啟動遠程指揮模塊，進行應急救援，其工作原理如圖3所示。

圖3 采煤機物聯系統工作原理框圖

3.4 采煤機物聯系統工作模塊設計

本系統根據采煤工作面實際管理需要設計了有毒可燃氣體檢測、采煤機行走速度檢測、人員監控模塊等。

1)采煤機溫度檢測模塊采煤機長期運行及電纜觸頭的接觸不良等因素使得采煤機溫度升高，影響礦井安全生產。將測溫節點固定在采煤機上，由DS18B20采集溫度后利用低功耗單片機ATMEGA88讀取數據，在利用nRF24L01的多對一的通信技術和匯聚節點進行通信，鄰近節點根據路由協議通過多跳方式將信息送至匯聚節點，最終通過有線網絡將溫度數據送至地面信息控制中心。

2)CO檢測模塊本模塊傳感器節點采用ZigBee組網方式，網關通過Wi－Fi與服務器通信。采用CO傳感器實時檢測現場CO濃度，并通過無線傳感網和有線光纖環網將數據傳送給信息控制中心。當CO超標時，現場CO傳感器及其監控設備發出聲光報警信號，提醒工作面的人員撤離現場，起動排風機，當CO的濃度降到安全值的時，排風機自動關閉。信息控制中心接到報警信號后，立即啟動應急救援方案，礦區領導通過移動終端發送指令指揮救援。

3)瓦斯檢測模塊采用瓦斯傳感器實時檢測現場瓦斯濃度，并通過無線傳感網和光纖環網將信息上傳至信息控制中心。當瓦斯濃度達到預設值的時候，報警裝置立即發出聲光報警信號，風機自動開啟。地面信息控制中心收到報警信息后，大屏幕自動切換顯示報警點監控畫面，礦區領導通過移動終端收到報警信號后，立即指揮救援。

4)人員監控模塊給在工作面值守的工作人員每人都攜帶上RFID標簽，標簽里記錄著姓名、年齡、工作部門、下井時間等信息。在礦井出入口、主要巷道等位置設置的讀卡器可讀取相關信息，經處理后將數據傳送到信息控制中心，實時監控井下人員的狀態、位置等。

4 結語

結合目前采煤機設備工況監控系統研究現狀［4］［5］，借鑒國內外相關研究成果的基礎上，將物聯網技術引入采煤機遠程監控系統中，提出了采煤機物聯系統的設計方案。該采煤機物聯系統通過部署在采煤機機身上的無線傳感器節點來采集狀態信號，所采集信號用單片機等處理后通過無線網絡傳輸到AP，再通過光纖環網傳輸到信息控制中心，然后根據預先設定的門限值進行報警或其它處理。同時，向遠程無線終端發布告警信息，向上級領導匯報，啟動遠程指揮模塊，進行應急救援。該系統能真正實現工作面生產和管理過程的自動化、智能化和信息化，應用前景廣闊。隨著物聯網技術的發展該系統功能將進一步完善，更好的為煤礦安全生產服務。

［1］王軍號，孟祥瑞.物聯網感知技術在煤礦瓦斯監測系統中的應用［J］.煤炭科學技術.2011，39(7)：64－68

［2］趙文濤，董軍.物聯網技術在煤礦中的應用［J］.微計算機信息.2011，27(2)：121－122

［3］林曙光等.物聯網在煤礦安全生產中的應用［J］.移動通信.2010，7(24)：46－50

［4］宋宏志等.開關磁阻電動機牽引采煤機控制系統［J］.煤礦機械.2009，30(10)：120－122

［5］譚超等.基于有限狀態機的采煤機變頻牽引控制系統的研究［J］.煤礦機械.2009，30 (12)：224－226

Application study of the Internet of Things technologies in coal mining machine equipment

HUANG Chengyu，DENG Yonghong，ZHANG Quanzhu

(North China Institute of Science and Technology Information and Control Technology Research Institute，Yanjiao Beijing－East101601)

This article introduces the concept of the Internet of things and the related basic knowledge.Aiming at the shortages of coal－mine machine equipment monitoring，put forward design scheme of the coal mine machine EPC System to gain the operation state parameter.The design of this system is divided into three levels：the perception layer，the network layer and the application layer.The system realize the intelligent recognition of coal－mining working surface and the remote monitoring and management，as a consequence of that，it lay a foundation for the digital mine construction.

The Internet of things;Sensor network;coal－mining machine;AP

TP391

A

1672－7169(2012)01－0074－04

2012－01－11。項目基金：本論文獲中央高校基本科研業務費資助，編號：DX1201B

黃成玉(1977－)，男，內蒙古通遼人，碩士，華北科技學院電子信息工程學院副教授，研究方向：電子信息技術、智能信息處理、計算機測控技術等。