物联网在煤矿生产上的应用

莫钦森，魏金成，温佐云

（西华大学 电气信息学院，四川 成都 610039）

“物联网”（Internet of Things）是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。“物联网”的出现，颠覆了传统的思维模式，揭开了新一轮信息技术革命的序幕，正推动着信息技术在各行各业更深入应用的新一轮信息化浪潮。中国煤矿资源丰富，但是地理位置偏僻，矿井巷道纵横交错，井下作业人员的生命财产安全很难有所保障。物联网技术应用于煤矿安全生产，将对矿井作业人员的生命财产安全提供重要的保障。

1 组网原理

从技术架构上来看，物联网可分为3层：感知层、网络层和应用层[2]。物联网应用于煤矿安全生产，其感知层采用全球免费微波频段2.4 GHz RFID射频识别技术实现无线远距离标签识别。在矿井巷道适当位置分布式安装读卡器，入井员工随身携带统一分配的电子标签卡。当员工进入读卡器的感知范围，电子标签将该员工的身份码信息发送至读卡器，读卡器再将数据经网络层传输至上位机分析处理，实现应用层的跟踪检测、查询报警等相关应用。矿井物联网的组网原理如图1所示。

图1 矿井物联网组网原理图Fig.1 Principle diagram of coal mine network

2 感知层设计

射频识别RFID（Radio Frequency Identi6cation）技术被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一[3]。感知层工作频率采用2.4 GHz ISM频段，由标签、读卡器两部分组成。员工身份码信息经RFID标签传输至读卡器，再由读卡器向上传输。

2.1 电子标签

标签采用2.4 GHz ISM频段有源电子标签设计，由入井员工随身携带，是射频系统真正的数据载体。主要由收发模块、控制模块以及电源模块组成。收发模块包括射频收发天线，负责将射频信号转换成DC电源的电源产生电路、电能存储电路、信号调制和解调以及时钟发生电路。采用2.4 GHz无线远距离收发模块JF24D芯片设计。控制模块由微控制器构成，负责读写控制、访问控制以及收发模块控制，实现对解调信号译码，以及回送数据的编码。电源模块对收发、控制模块提供电压。

2.2 RFID读卡器

RFID读卡器的基本任务是启动数据载体 （RFID标签），与其进行数据交换来实现非接触无线通信。读卡器和电子标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，提供信号状态控制、奇偶错误校验与更正等功能。读卡器硬件设计与电子标签硬件设计相似，由发送器和接收器组成的无线收发模块、电源模块、控制单元以及与外界其他设备通信所需的各种标准接口模块组成。读卡器的基本工作流程如图2所示。

图2 读卡器工作流程Fig.2 Working process of readers

3 网络层设计

网络层相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息，其基本结构主要包括3种：星形、环形和总线形[4]。本设计采用总线形网络拓扑结构组网。网络层是物联网成为普遍服务的基础设施，有待突破的方向是向下与感知层的结合，向上与应用层的结合[5]。

矿井物联网的组网主要有总线式电缆结构组网、工业以太环网结构组、总线式光纤结构组网3种方案。由于煤矿井下巷道错综复杂，延伸距离较长，对于长距离数据传输，电气网络往往不能满足要求，而光纤网络可以满足长距离数据传输并且保持较高的传输速率，所以选择总线式光纤专网组网结构方案。从井下到地面数据的传输选择光纤网络，其余网络采用电缆线传输。读卡分站相当于数据基站，读卡器采集到的电子标签的身份码数据首先在读卡分站汇总，再由读卡分站将数据进行误码检查，确认无误后再向上传输。光端机是电缆线路和光纤线路，以及光纤线路与光纤线路的接口，通过内置的数据报文转换协议，将读卡分站上传的数据最终转发至监控室计算机，实现应用层功能。网络层组网方案如图3所示。

图3 网络层组网方案Fig.3 Construction scheme of network layer

4 应用层设计

应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。采用Visual Basic 6.0以及Access数据库进行开发应用。

4.1 功能实现

物联网应用于煤矿安全生产，主要实现：信息查询、人员跟踪定位、Web远程发布等功能。

1）信息查询功能。员工信息查询功能实现对每位员工信息的管理，员工信息内容包括员工姓名、员工编号、所在部门等个人信息。由于下井人员每人都携带有一个电子标签，所以员工信息中包括所有员工所携带电子标签的编号。考勤管理功能实现对下井员工的出勤情况的统计，对加班、请假及出差情况可以通过人工输入的方法进行查询和修改。方便了信息的收集，对员工的作业情况有了准确的记录。读卡器信息查询功能实现对井下所布放的读卡器进行管理。可以对读卡器编号，读卡器所放置的地理位置信息进行查询、修改、添加。

2）人员跟踪定位功能。可以实时查询井下作业人员的位置信息，实现对井下人员的实时定位。当煤矿事故发生时，能迅速展开援救工作，提高煤矿安全性能和生产效率。

3）Web发布功能。该功能实现将应用层的检测图表及数据通过Internet远程发布，便于集团公司或者上级主管部门了解煤矿生产状况，包括矿井基本信息查询，报警情况查询和地图浏览等功能。集团公司或上级主管部门在浏览器页面输入权限密码，即可获取该煤矿检测资料，大大方便了煤矿企业的管理。

4.2 数据库设计

数据库是以一定方式组织、存储及处理相互关联的数据的集合，它以一定的数据结构和一定的文件组织方式存储数据，并允许用户访问。由统一的软件系统管理和控制数据的增加、删除、修改和检索。本设计采用Access数据库进行开发应用，Access数据库的理论基础是关系代数和关系模型，这种关系模型就是二维表形式。表是数据库中最重要、最基本的对象，是实际存储数据的地方。对数据库的各种管理和操作，实际上就是对数据中表的管理和操作。建立Access数据库有两种方法：

1）在Microsoft Access中建立数据库。

2）利用Visual Basic 6.0提供可视化数据管理器（Visual Data Manager）创建数据库。

根据煤矿安全生产的功能需求，需构建标签信息表，员工信息表，读卡器信息表，定位信息表，考勤信息表数据等。

4.3 Visual Basic 6.0 开发设计

Visual Basic 6.0是基于对象的可视化程序设计语言，也是所有程序设计语言中最容易掌握、使用人数最多的语言，它能够快捷、简易地建立Windows应用程序[6]。提供了面向对象的可视化开发界面，应用程序集成开发环境和大量的控件。支持多种数据库系统的访问，支持开发Internet程序以及完善的在线帮助系统，应用广泛。

本设计使用数据控件（Data控件）访问更新数据库，Data控件是Visual Basic中最常见的控件。在Visual Basic中，数据控件本身不能直接显示表中的数据，必须通过绑定控件来实现。绑定控件是指能够配合Data控件（或其他控件），操作数据库中数据的控件。常用的绑定控件有文本框、列表框、组合框等。读卡器上传的数据最终通过串口串行通信传输至地面监控室计算机，Visual Basic对串口进行初始化，监测是否有上传数据，若有则记录并更新数据库，分析判断上传数据的读卡器的位置，在事先绘制的矿井剖面图上完成监测定位、信息查询等功能。界面设计采用下拉式菜单设计，每项菜单下设子菜单，点击调用相应窗口，执行对应功能程序，如图4所示。

图4 应用系统界面Fig.4 Application system interface

5 结束语

物联网作为一种跨学科的新兴产业已经越来越多地融入我们的生活，给我们的生产、生活方式带来了一系列深刻的变革，已被正式列为围家重点发展的五大战略性新兴产业之一[7]。本系统以RFID射频识别技术为基础实现数据采集并将数据由网络层传输至上位机，以Visual Basic 6.0和Access数据库为开发环境进行数据分析处理，实现了物联网在煤矿生产上的应用，为煤矿的安全生产提供了及时有效的信息查询、定位和监控等功能，以信息化手段提高了煤矿的安全生产能力。随着物联网技术标准的逐渐统一和技术的逐步成熟，矿井物联网将对煤矿的安全生产提供更加可靠的保障和服务。

[1]李杰.物联网中无线传感器节点和RFID数据融合的方法[J].电子设计工程，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，赵春晖.基于PML及Hedge的物联网异构信息集成处理模型[J].东南大学学报：自然科学版，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]张才.井下人员定位系统软件研究与开发[D].湖北:湖北工业大学，2007.

[5]岳莹昭，杨钰.物联网体系结构的研究[R].福州:中国科协，2010.

[6]易卫，杨谊，李光明.Visual Basic 6.0实用基础教程[M].北京:地震出版社，2002.

[7]蔡日梅.物联网概述[J].电子产品可靠性与环境试验，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.