基于物联网的尾矿库安全监测系统建设新模式

袁本胜，杨小聪，张 达，袁子清，王治宇

（1.北京矿冶研究总院，北京100160；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

基于物联网的尾矿库安全监测系统建设新模式

袁本胜1，2，杨小聪1，2，张 达1，2，袁子清1，2，王治宇1，2

（1.北京矿冶研究总院，北京100160；2.金属矿山智能开采技术北京市重点实验室，北京102628）

提出了一种基于物联网的尾矿库安全监测系统建设新模式，它可以解决目前尾矿库安全监测系统建设研发成本高、业主投入高、维护成本高、重复建设、资源利用率低等缺点。新模式抛弃了传统的“传感器＋数据采集基站＋服务器”的建设模式，结合最新的云服务技术，提出了“物联网传感器＋云服务＋终端”的建设理念，并通过实例验证了可行性。

尾矿库监测；物联网传感器；云服务

尾矿库是矿山的重要生产设施，它的运行状况好坏直接关系到矿山生产和人民财产的安全［1］。尾矿库安全在线监测系统是指在尾矿库建立一整套远程自动化安全监测分析评价预报系统，包括利用传感器对尾矿库的实时安全监测、尾矿库与企业办公楼监控中心之间的通信子系统、监控中心计算机系统和数据采集、网络发布、查询报表等软件系统，对尾矿库的安全状态进行实时的监测、分析与预报，确保尾矿库的安全。

1 尾矿库安全在线监测系统建设的传统模式

目前尾矿库安全在线监测系统的常见建设模式是“传感器＋数据采集基站＋服务器”。首先在坝体表面或内部安装各种传感器，监测库水位、坝体表面位移、内部位移、浸润线、渗流量等数据。接着将这些传感器的数据接入数据采集基站，将各种传感器信号转化成以太网信号，然后通过光缆传入监控中心的服务器。在服务器上安装及部署数据采集、分析、网络发布软件。矿山管理人员和安监部门可以使用电脑打开WEB浏览器，登陆尾矿库安全在线监测网络发布系统查看监测数据。

在该模式下，对于施工方来说，需要软件等技术人员花费较长时间开发或调试尾矿库安全在线监测系统的数据采集软件、网络发布软件。对于建设方来说，需要投入资金的方面包括：1）传感器采购、土建及安装费用；2）数据采集基站设备采购及土建安装费用；3）线材采购和线缆敷设、挖沟、埋设、架空等土建费用，甚至征地费用；4）监控中心房屋建设费用；5）监控中心计算机、大屏幕、工作台、UPS等设备费用；6）服务器上安装的操作系统、数据库、数据采集与分析软件、网络发布软件的购买或使用费用。在这种模式下，建设一个尾矿库安全在线监测系统的费用动辄上百万，且因通信距离长和设备多，每年还需投入几十万的线路与设备维护费用，投入巨大，这给矿山带来很大的经济负担。也迫使部分矿山和建设方为了降低投入而使用盗版软件，如WINDOWS操作系统、SQL SERVER数据库软件等，给软件知识产权侵权方面留下巨大隐患。对于使用者来说，大部分只能通过计算机登陆网络发布系统查看监测数据，而没有充分利用现有的手机、平板电脑、微信等终端，使用场所狭窄，不能实现随时随地的数据查看，也不利于安监部门的监控及统一管理。此外，各矿山建设各自的尾矿库安全在线监测系统，各系统的软硬件资源不能互相利用，资源浪费极为严重。综上所述，现有的尾矿库安全在线监测系统的建设模式具有研发成本高、建设投入高、使用受限、资源利用率低等缺点。

2 尾矿库安全在线监测系统建设的新模式［2－7］

近些年来，物联网技术与云计算技术越来越成熟，在很多行业成功应用。本文将其引入至矿山安全监测领域，提出了基于“物联网传感器＋云服务＋终端”的尾矿库安全在线监测系统建设模式。该模式的主要核心是将监测数据上传至云服务器进行存储与分析，然后通过各种终端访问云服务器读取数据。

物联网传感器通俗地讲就是将传感器与互联网连接在一起。它区别于普通传感器的地方是它具有网络输出接口，可以将物理量输出到互联网。在矿山尾矿库安全监测方面，需要对现有传感器进行改进，使现有的RS485、ZIGBEE、CAN、RS232等协议符合Sensor ML及IEEE1451协议，成为智能物联网传感器［2－7］。

“物联网传感器＋云服务＋终端”的尾矿库安全在线监测系统建设模式抛弃了传统的数据采集基站及监控中心，只包含现场物联网传感器，所以它为施工方节省掉包括数据采集软件与网络发布软件在内的软件开发费用，缩短现场施工时间，以及减少系统维护工作量。从表1很明显可以看出，新模式为建设方省略了表中（7）、（8）、（9）、（10）项中的大量费用，而增加的费用主要是（11），与原系统建设费用相比差别巨大，粗略估算至少可以为建设方节省二分之一的建设资金投入。此外，该模式可以让多个矿山使用同一个云服务平台，终端软件的重复利用率也非常高，所以可以解决多个矿山重复建设尾矿库安全在线监测系统导致的资源利用率低的问题，这也符合建设节能环保型社会的国家战略。

图1 基于“物联网传感器＋云服务＋终端”的尾矿库安全在线监测系统Fig.1 The new model of online safety monitoring system of tailings dam based on"internet of things sensor＋cloud service＋terminal"

3 “物联网传感器＋云服务＋终端”模式的实例测试

笔者通过一个温度测量来验证“物联网传感器＋云服务＋终端”的尾矿库安全在线监测系统建设模式的可行性。在监测其它如库水位、浸润线等项目时，根据相同的原理更换成相应的传感器即可。

1）物联网传感器

本文通过Arduino＋DS18B20搭建一个硬件平台作为物联网传感器。Arduino是目前物联网应用最为广泛的一个开源硬件，具有低功耗、低成本的特点。DS18B20是一款常用的单总线温度测量芯片。将DS18B20接入Arduino电路板某一I/O口后即完成硬件连接。然后使用Arduino IDE编译环境编写数据采集程序。试验平台及软件编译程序截图如图2、3所示。

本文采用物联网开放平台。在试验之前先注册用户，在平台上添加设备及传感器。然后根据USERKEY、传感器标识符等信息修改Arduino程序，使Arduino程序里每个设备和传感器或控制器与物联网API握手成功。编译成功后将程序上传到电路板。

表1 尾矿库安全在线监测系统模式比较Table 1 The comparison between traditional and new model for online safety monitoring system of tailings dam

图2 物联网测试平台Fig.2The test platform of internet of things

2）上传数据至物联网云服务平台

将数据与物联网云服务平台建立链接有两种途径：一种是直接通过互联网上传。此时需要增加一块W5100网络模块；第二种是增加一个串口转3G/GPRS模块，将串口信号转换成3G/GPRS信号进入移动通信网，再接入互联网。

3）云服务平台

物联网开放平台提供了一个云端管理系统，可以完成数据显示、存储、分析、报警、分享等功能：可以使用户通过任何可以上网的终端（PC、Pad、手机）实时观察传感器设备；通过历史曲线、柱状图等功能，可以完成对数据的基本分析；每个传感器数据超出正常值范围或者掉线都可以通过短信或邮件的方式进行报警。图4为笔者通过测试平台获取的温度历史趋势曲线图。

图3 Arduino软件编译界面Fig.3 Arduino software compiler interface

4）终端访问

数据上传至物联网云服务平台后，可以在IOS手机、Android手机、平板电脑等终端上通过WEB浏览器和微信等APP访问设备及传感器，查看设备的运行状态、监测数值、历史数据，并可导出数据。图5为笔者通过手机终端上安装的APP和微信访问监测数据的截图。

图4 物联网云服务平台监测数据历史趋势图Fig.4 The historical trend diagram of monitoring data in cloud service platform of internet of things

图5 物联网终端展示界面Fig.5 Terminal display interface of internet of things

4 结论

目前尾矿库安全在线监测系统建设采用“传感器＋数据采集基站＋服务器”模式，具有研发成本高、维护成本高、建设投入高、使用受限、资源利用率低等缺点。

本文将物联网技术和云计算技术引入至矿山安全监测领域，提出了基于“物联网传感器＋云服务＋终端”的尾矿库安全在线监测系统建设新模式。该模式的主要核心是将监测数据上传至云服务器进行存储与分析，然后通过各种终端访问云服务器读取数据。该模式可以大幅降低矿山在尾矿库安全在线监测系统方面的建设投入，还可以解决多个矿山重复建设尾矿库安全在线监测系统导致的资源利用率低的问题。

通过Arduino＋DS18B20＋W5100搭建一个硬件试验平台，并将测试结果实时上传至物联网云服务平台，然后用多个终端进行访问，试验结果证实了基于“物联网传感器＋云服务＋终端”的尾矿库安全在线监测系统建设模式的可行性。

最后，建议安监部门或行业协会统一建设一个矿山物联网云服务平台，将各矿山的尾矿库安全监测数据、井下地压监测数据、“六大系统”监测数据汇聚在一起，用于实时检查与安全管理。

［1］中国安全生产科学研究院.矿山企业安全生产条件［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［2］吴立新，汪云甲，丁恩杰，等.三论数字矿山——借力物联网保障矿山安全与智能采矿［J］.煤炭学报，2012，37（3）：357－365.

［3］张 申，丁恩杰，徐 钊，等.三论数字矿山——感知矿山与数字矿山、矿山综合自动化［J］.工矿自动化，2010（11）：129－132.

［4］张 申，丁恩杰，徐 钊，等.物联网与感知矿山专题讲座之三——感知矿山物联网的特征与关键技术［J］.工矿自动化，2010（12）：117－121.

［5］张申，丁恩杰，赵小虎，等.数字矿山及其两大基础平台建设［J］.煤炭学报，2007，32（9）：997－1001.

［6］吴立新，殷作如，钟亚平.再论数字矿山：特征、框架与关键技术［J］.煤炭学报，2003，28（1）：1－7.

［7］赵小虎，张申，谭得健.基于矿山综合自动化的网络结构分析［J］.煤炭科学技术，2004，32（8）：15－18.

A new mode for online safety monitoring system construction of tailings dam based on internet of things

YUAN Bensheng1，2，YANG Xiaocong1，2，ZHANG Da1，2，YUAN Ziqing1，2，WANG Zhiyu1，2
（1.Beijing General Research Institute of Mining ＆Metallurgy，Beijing 100160，China；2.Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China）

This paper proposes a new mode of online safety monitoring system construction of tailings dam based on the internet of things，which can solve the problem of current mode，such as high investment，high cost of maintenance shortcomings，redundant construction，low utilization rate of resources.It has abandoned the traditional"sensor＋data acquisition station＋server"construction mode.Combined with the cloud service technology，the"internet of things sensor＋cloud service＋terminal"construction concept is put forward，and its feasibility is verified by an example.

monitoring of tailings dam；internet of things sensor；cloud service

TD76

Α

1671－4172（2015）05－0001－04

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2011AA060406））；北京矿冶研究总院科研基金项目（YJZ－2014－02，YJ－2015－08）

袁本胜（1982－），男，工程师，硕士，检测技术与自动化装置专业，主要从事矿山安全监测研究与工程化应用。

10.3969/j.issn.1671－4172.2015.05.001