物联网技术在采煤机设备上的应用研究①

黄成玉 邓永红 张全柱

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京东燕郊 101601)

物联网技术在采煤机设备上的应用研究①

黄成玉②邓永红 张全柱

(华北科技学院信息与控制技术研究所，北京东燕郊 101601)

研究探讨了煤矿物联网的特点和关键技术，针对采煤机设备监控方面存在的不足，为准确获取采煤机设备的运行状态参数，提出了一种采煤机物联系统的设计方案。系统的设计分为感知层、网络层和应用层三个层次，设计了相关模块。该系统实现了采煤工作面的智能化识别、远程监控和管理，为数字化矿井建设奠定了基础。

物联网;传感器网络;采煤机;AP

0 引言

物联网(The Internet of Things)概念于1999年提出，物联网也叫传感网，是将物品通过各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、基于光声电磁的传感器、3S技术、激光扫描器等各类装置与互联网结合起来，按规定的协议，通过有线或无线网络进行信息交换和通信，实现数据采集、融合、处理，并通过操作终端，实现智能化识别、监控和管理。从“智慧地球”到“感知中国”，物联网概念的提出引发了继计算机、互联网之后世界信息产业的又一次浪潮。随着煤矿行业的发展，急需提高煤矿的安全生产、监控的自动化程度，物联网技术在很多领域及煤矿行业已经有一定的使用［3］，但在工作面采煤机设备上至今还未使用。针对目前采煤机运行状态监测较难的现状，根据无线监测的优势应用物联网技术设计了采煤机设备运行状态物联系统。

1 物联网三大关键技术

1.1 射频技术—智能感知技术

射频技术(RFID)是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。它是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

RFID系统由RFID电子标签、RFID阅读器、RFID数据管理系统组成。电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签(Active tag)、无源电子标签(Passive tag)和半无源电子标签(Semi—passive tag)。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池，半无源电子标签(Semi—passive tag)部分依靠电池工作。RFID阅读器(读写器)通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。在物联网系统中，电子标签用来存储规范而具有互用性的数据信息，通过无线通信网采集这些数据，并传输到信息中心，实现对物品的识别，同时通过互联网实现信息交换和共享，实现对物品的感知。

1.2 无线传感器网路—通信传输技术

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的静止或移动的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，它的英文是Wireless Sensor Network，简称WSN。传感器网络中的所有传感器节点均具有对数据进行采集、处理、融合、转发和存储的功能。能协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并将这些信息通过网关节点经其它网络发送给了用户，实现对指定范围内的目标进行检测与跟踪。传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。传感器网络具有以下特点：大规模性、自组织性、动态可重构性、软硬件的鲁棒性和容错性。

1.3 互联网技术

互联网技术的普遍应用，是进入信息社会的标志。传感技术是人的感觉器官的延伸与拓展;通信技术人的神经系统的延伸与拓展，承担传递信息的功能;计算机技术人的大脑功能延伸与拓展，承担对信息进行处理的功能。传感器通过互联网技术实现所感知信息的传递和协同。传感器网络技术包括广域网络通信和近距离通信两类。广域网路通信是利用IP互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现信息的远程传输。近距离通信典型的技术标准有蓝牙、ZigBee、Wi－Fi等。其中以IEEE 802.15.4为代表的通信技术是目前近距离通信的主流技术，具有低功耗、低速率、短距离传输等特点，应用于支持计算和存储能力有限的简单器件。

2 煤矿物联网特点和关键技术

物联网的发展打破了之前的传统思维，全面感知、可靠传送和智能处理是物联网的三个基本特征。将物联网技术应用在煤矿上同矿井下的具体工作环境相结合即煤矿物联网。

2.1 煤矿物联系统的特点

因为煤矿生产是井下作业，针对不同的地址构造和煤层的赋存条件，必须要采用不同开采方法。开采过程中还常伴有很多自然灾害，如瓦斯、煤尘、火灾、透水等。煤矿物联网不同于应用在地面的物联网技术和设备，有其独特的地方。煤矿物联网具有的特点是：电气防爆、无线传输衰减大、GPS信号不能覆盖煤矿井下、无线发射功率小、抗干扰能力强、抗故障能力强、宜采用树形结构、传输距离远、设备体积小、电网电压波动适应能力强、不宜采用中继器、防护性能好等。

2.2 煤矿物联网的关键技术

因为煤矿井下工作环境的特殊性，将物联网技术顺利应用在煤矿井下亟切解决的关键性技术是：矿用重大关键设备生产、运输、仓储、使用、维护等全过程管控;瓦斯检查员、安全检查员、电钳工、放炮工、绞车司机、采煤机司机、水泵操作工等及其操作设备、作业环境人机环闭锁控制;煤矿井下人员精确定位、自动识别与培训监管;煤炭产、运、销、用全程管控;无人工作面地面遥控;矿用安全标志准用产品生产、运输、仓储、使用、维护等全过程管控;应急救援装备与救护队等管理;矿用安全炸药生产、运输、储存、领退、使用等全过程管控;煤矿物联网信息编码、传输、处理等标准;煤炭地质勘探、设计、建井施工、安全生产、经营管理等。

3 采煤机物联系统设计

3.1 采煤机状态参数

采煤机是煤矿井下的重要设备之一，运行在矿井最深处的综采面上，是采煤系统的机头部分，它的运行状况正常与否直接影响着整个煤矿的安全、经济效益。因此要求采煤机不但要有很好的工作性能，使其高效运行，还要具有很高的可靠性和较长的使用寿命。这就需使用先进的测控手段和管理方法，使采煤机经常处于最佳运行状态。采煤机运行状态参数如表1所示，及时准确的采集这些参数才能实现采煤机自动控制。

表1 采煤机物联系统监测参数

3.2 采煤机物联系统设计架构

结合目前物联网技术发展状况和采煤机设备工况监控系统研究现状，设计了基于物联网的采煤机物联系统，在采煤机各个部分部署无线传感器节点，采用信息融合技术进行数据采集、处理，改变由单一传感器受信息量局限引起的误报错报的现状，降低了冗余信息，节约大量的通信带宽和宝贵的能量资源，实现信息互补和协同感知，提高信息的收集效率和系统的容错能力。

本文所设计的采煤机物联系统为一个由感知层、网络层和应用层组成的3层体系，如图1所示。感知层由大量可感知采煤机状态参数、环境参数、人员等信息的传感器构成，这些传感器组成一个庞大的传感网，为全面感知工作面信息提供了保障。网络层由地面和井下的光纤环网、路由器、防火墙、服务器和无线局域网等组成，这些也构成了整个矿区的数据网络，用于数据传输。应用层是矿区综合信息平台，它包括煤矿综合自动化系统、人员管理系统、视频监控系统、应急指挥系统等，能对煤矿工作面的安全信息、生产数据等进行分析，并可对采煤机设备进行智能化监控与管理。该系统能与工业电视监控系统协作，在地面信息中心可对采煤机设备信息及工作状态、生产环境、井下人员分布等全面感知，同时可将信息通过网络传送给煤矿领导，使矿领导在办公室计算机上就可随时了解工作面设备、人员等各种信息，实现统一调度和管理。

图1 采煤机物联系统体系结构

3.3 采煤机物联系统工作原理

在采煤机设备的指定位置安装具有特定功能的传感器节点，用于采集采煤机的工作状态信号及环境参数，采集的信号经调理电路处理后，送给A/ D转换器，转换为数字信号，再经过微处理器对该数字信号进行处理，并存入输出数据缓存区。输出数据缓存区中的数据通过无线收发模块传至AP，再通过有线光纤传送到信息控制中心，信息控制中心对接收到的数据保存并进行分析，分析结果以数据表格或函数曲线的形式在屏幕上显示。如果数据异常或者超过预设的门限值就进行报警和应急处理。采煤机工作状态信号传递流程如图2所示。

图2 采煤机工作状态信号传递流程

感知层由大量能对采煤机设备、工作面环境和人员感知的传感器构成。如电流、电压、温度、风速、压力、CO、甲烷、采煤机切割速度、行走位移和视频传感器、RFID标签等，这些传感器部署到工作面和所有采煤机设备上，每一个传感器为一无线收发节点，构成规模庞大的传感网，全面感知采煤机设备和工作面环境。各个传感器节点以自组织的形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到ZigBee网络中的汇聚节点，最终借助有线网络将整个区域内的数据传送到地面信息控制中心进行集中控制。网络层包括数据从网关到应用服务器的整个过程，其主要设备由无线覆盖网络、路由器、交换机和光纤环网等组成。网络层实现了数据可靠传输。应用层主要完成数据统计分析、智能处理和保存，并通过综合信息平台实现对采煤机的智能化控制、健康诊断、预警预报和应急处理。该系统的工作过程是首先通过传感器节点等前端设备采集工作面现场数据，如果数据超限或异常，系统就会产生声光报警信号，并启动现场自动控制装置进行处理，同时报警信号通过无线网络传送给网关，并逐级上传送至信息控制中心，并在工业大屏幕上显示。与此同时，向远程无线终端发布告警信息，向上级领导汇报，启动远程指挥模块，进行应急救援，其工作原理如图3所示。

图3 采煤机物联系统工作原理框图

3.4 采煤机物联系统工作模块设计

本系统根据采煤工作面实际管理需要设计了有毒可燃气体检测、采煤机行走速度检测、人员监控模块等。

1)采煤机温度检测模块采煤机长期运行及电缆触头的接触不良等因素使得采煤机温度升高，影响矿井安全生产。将测温节点固定在采煤机上，由DS18B20采集温度后利用低功耗单片机ATMEGA88读取数据，在利用nRF24L01的多对一的通信技术和汇聚节点进行通信，邻近节点根据路由协议通过多跳方式将信息送至汇聚节点，最终通过有线网络将温度数据送至地面信息控制中心。

2)CO检测模块本模块传感器节点采用ZigBee组网方式，网关通过Wi－Fi与服务器通信。采用CO传感器实时检测现场CO浓度，并通过无线传感网和有线光纤环网将数据传送给信息控制中心。当CO超标时，现场CO传感器及其监控设备发出声光报警信号，提醒工作面的人员撤离现场，起动排风机，当CO的浓度降到安全值的时，排风机自动关闭。信息控制中心接到报警信号后，立即启动应急救援方案，矿区领导通过移动终端发送指令指挥救援。

3)瓦斯检测模块采用瓦斯传感器实时检测现场瓦斯浓度，并通过无线传感网和光纤环网将信息上传至信息控制中心。当瓦斯浓度达到预设值的时候，报警装置立即发出声光报警信号，风机自动开启。地面信息控制中心收到报警信息后，大屏幕自动切换显示报警点监控画面，矿区领导通过移动终端收到报警信号后，立即指挥救援。

4)人员监控模块给在工作面值守的工作人员每人都携带上RFID标签，标签里记录着姓名、年龄、工作部门、下井时间等信息。在矿井出入口、主要巷道等位置设置的读卡器可读取相关信息，经处理后将数据传送到信息控制中心，实时监控井下人员的状态、位置等。

4 结语

结合目前采煤机设备工况监控系统研究现状［4］［5］，借鉴国内外相关研究成果的基础上，将物联网技术引入采煤机远程监控系统中，提出了采煤机物联系统的设计方案。该采煤机物联系统通过部署在采煤机机身上的无线传感器节点来采集状态信号，所采集信号用单片机等处理后通过无线网络传输到AP，再通过光纤环网传输到信息控制中心，然后根据预先设定的门限值进行报警或其它处理。同时，向远程无线终端发布告警信息，向上级领导汇报，启动远程指挥模块，进行应急救援。该系统能真正实现工作面生产和管理过程的自动化、智能化和信息化，应用前景广阔。随着物联网技术的发展该系统功能将进一步完善，更好的为煤矿安全生产服务。

［1］王军号，孟祥瑞.物联网感知技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用［J］.煤炭科学技术.2011，39(7)：64－68

［2］赵文涛，董军.物联网技术在煤矿中的应用［J］.微计算机信息.2011，27(2)：121－122

［3］林曙光等.物联网在煤矿安全生产中的应用［J］.移动通信.2010，7(24)：46－50

［4］宋宏志等.开关磁阻电动机牵引采煤机控制系统［J］.煤矿机械.2009，30(10)：120－122

［5］谭超等.基于有限状态机的采煤机变频牵引控制系统的研究［J］.煤矿机械.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。项目基金：本论文获中央高校基本科研业务费资助，编号：DX1201B

黄成玉(1977－)，男，内蒙古通辽人，硕士，华北科技学院电子信息工程学院副教授，研究方向：电子信息技术、智能信息处理、计算机测控技术等。