物联网井下矿车追踪定位系统及应用

2017-01-18韩凯军唐志章刘劲松李强

综合智慧能源 2017年11期

关键词：客户机矿车分站

韩凯军，唐志章，刘劲松，李强

(山西石泉煤业有限责任公司，山西襄垣 046200)

物联网井下矿车追踪定位系统及应用

韩凯军，唐志章，刘劲松，李强

(山西石泉煤业有限责任公司，山西襄垣 046200)

随着煤矿开采深度的不断增加，矿井运输压力越来越大，巷道布置复杂、运输距离长、环节多，使矿车的供求矛盾日益紧张。针对现有井下矿车监测系统布线困难、信息化和可视化水平低等问题,研究并设计了一种物联网井下矿车追踪定位系统。该系统弥补了现有矿井监测系统的不足，可有效提高生产效率、降低事故率、减少现场操作人员、提高经济效益。

煤矿；矿车；追踪定位系统；物联网；减员；增效

0 引言

我国煤矿矿产资源丰富,矿车是矿山生产的重要纽带运输装备,主要用于运输、提升或装载矿石、材料与人员。随着煤矿开采深度的不断增加，矿井运输的压力越来越大，巷道布置复杂、运输距离长、环节多，直至造成矿车周转不畅[1]。针对现有井下矿车监测系统布线困难、信息化和可视化水平低等问题,研究并设计了一种基于物联网(zigbee)技术平台的井下矿车追踪定位系统，系统融合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术、无线通信技术、网络安全技术等一系列先进技术[2]。具有自组织、自恢复机制的传感网技术和无线定位技术应用于智慧矿山系统，为矿山企业的安全生产和人员管理提供了全新的技术手段。KJ760矿山物联网井下矿车追踪定位系统弥补了现有金属矿井监测系统的不足,具有较高实用价值和创新性。

1 系统拓扑结构及组成

系统由地面设备和井下设备两部分组成：地面设备为一般性通用计算机设备和电源设备，包含计算机、服务器、防爆交换机等[3]；井下设备有KJ760网关、KJ760无线接入分站、KJ760标识卡，其核心为组网部分的电子电路设计。这些设备均采用TI公司的CC系列无线通信核心芯片，以此为基础完成设备之间的组网。

(1)KJ760-D网关:井下网络的中继节点，负责管理平台与无线分站以及无线移动终端的双向通信，集中发送和管理信息。

(2)KJ760-F分站：通过2.4 GHz射频组成一个全区域覆盖的无线网络，将收集到的无线移动终端发送的信息转发给网关。

(3)KJ760-K标识卡：矿井矿车随身携带的信息终端。

(4)KJ760管理平台：矿上管理人员使用，通过全球广域网(web)方式展示矿下矿车及设备状态，管理人员可以通过平台实时监督设备、管理矿车、管理环境状态、实时发布预警信息。

2 主要设备及参数

2.1 KJ760-F网关

网关设备一般部署于井下关键位置，其接口全面丰富，包含该系统建立无线网络的2.4 GHz网络部分和通用型的各类接口部分，可完成该层面所有“分站数据”的汇总和向上层的传输。全面丰富的接口可适应各种不同的矿下要求，通过不同方式传输数据。

该网关主芯片功能强大，组网部分支持无线更新，设备可在线即时升级，无需拆卸，方便易用，维护简单。技术指标：最大位移速度不小于5 m/s,并发识别数量不小于80个,无线传输距离不小于10 m，漏读率不大于10-4，防爆类型为矿用本质安全型，供电电压为 DC 12 V。

2.2 KJ760-D无线接入分站

分站一般部署于井下巷道顶端，用于相互通信，组成井下无线网络。部署时，点与点的距离为50～80 m，分站通信距离gt;200 m，故分站可与周围若干分站始终通信，在任一分站故障情况下，网络性能不受影响。分站内建无线网络的2.4 GHz部分，保留若干数据接口，可用于传感数据探测等方面的扩展应用。分站组网部分支持无线更新，设备可在线即时升级，方便易用，维护简单。

技术指标:最大位移速度不小于5 m/s，并发识别数量不小于80个，无线传输距离不小于10 m，漏读率不大于10-4，防爆类型为矿用本质安全型，供电电压为DC 12 V。

2.3 KJ760标识卡

标识卡集成主处理器、新型板载天线设计、有机发光二极管(OLED)高亮屏、蜂鸣器、加速度传感器、实时时钟、标准充电接口等。符合矿用本质安全认证，内建无线组网模块，在井下可与一定区域内的分站通信，利用专门距离算法可随时区域定位该终端位置。KJ760标识卡性能参数为：额定电压，3.6 V；额定电流，150 mA；额定功率，500 mW；休眠电流，1 mA；休眠功率，4 mW；充电电压，5 V；充电电流，1 A；屏幕，38.1 mm的OLED屏；分辨率，128×128；防护等级，IP65；工作温度，-40～70 ℃；贮存温度，-40～80 ℃。

该终端功能如下。

(1)具有电池欠压指示功能。

(2)不可更换电池的识别卡的电池寿命不小于2 a；可更换电池的识别卡的电池寿命不小于6个月；采用可充电电池的识别卡，每次充电保证识别卡连续工作时间不小于7 d。

(3)在矿车底部焊接一个金属外壳用于固定定位卡，防止损坏及脱落。

2.4 系统功能及特点

系统功能：全矿移动矿车的井上、井下通信；井下固定设备或移动设备的标识；实时定位；精确定位及管理；历史数据查询；报表打印；设备管理等。

特点：实时即时定位，真正实现矿车随时随地定位；快速无线自组网，数据收发采用无线多跳自组网络，部署迅速，成本低廉；定位精度高，采用该系统可以实现矿车在任意位置的即时定位。

3 系统软件设计

为提供强大的功能和稳定可靠的性能，软件设计采用基于浏览器/服务器(B/S)的多层应用体系结构。基于B/S的多层应用体系结构以浏览器为客户端展示的工具，基本为零客户端部署；增加了应用服务层，以达到数据、业务功能和控制三者的分离；客户机进行界面控制、数据显示、响应用户操作；应用服务器接收客户机的请求，执行业务处理逻辑，然后访问数据库服务器保存操作结果；数据库服务器保存业务数据，并且只与应用服务器交互，大大降低了并发的用户访问数，提高了系统的处理能力；应用服务器与数据服务器之间使用标准结构化查询语言(SQL)接口，客户机与应用服务器之间则采用专有协议通信。

基于B/S的多层应用体系结构具有如下优点。

(1)用户使用方便。用户端无需任何安装配置，只要有网络和浏览器就可以访问平台网站，安全快捷地使用系统提供的功能。

(2)轻量用户交互(UI)层。加入应用服务层后，将业务逻辑定位在应用服务层，由应用服务层来进行复杂的数据处理，客户层只关心业务问题。这样，UI层的负担大大减轻，系统效率提高，同时可以更好地展示业务功能，提供更人性化的用户操作感受。

(3)增强系统的安全性。加入应用服务层后，业务处理逻辑存放的应用服务器层不会暴露给所有的终端客户，防止非法破解及不正确使用。在客户机与应用服务器之间采用专有协议通信，并且在应用服务器上采取安全管理措施，可以有效防止外界非法服务访问、非法获取系统信息、非法窃听和恶意篡改。

(4)提高系统的扩展性。采用多层结构，界面层与业务逻辑层分离，业务处理与数据访问层隔离，系统的模块化程度得到提高，模块的功能划分更明确单一，便于实现组件式的开发，模块的组装更加容易。系统能够针对业务和界面层的各种要求灵活地进行模块的配置和组装，大大提高了系统的扩展性。

(5)提高系统的并发处理能力。如果让每个客户机都直接访问数据库，当大量客户机并发访问时，数据库系统的压力很大，服务器大量的时间用于管理用户的进程和请求队列，运行效率低。使用应用服务器后，应用服务器将客户机发来的操作请求进行排队处理，并通过数据库连接池高效地执行数据库操作，大量的并发访问被均匀分担，数据库服务器可以平稳工作，从而大大提高系统的并发处理能力。

(6)降低成本。基于B/S的多层应用架构可以有效减少客户端的部署工作，系统部署或升级只需要部署或更新应用服务器和数据库服务器，无需改动就可以使用最新的应用系统，避免客户端的安装、升级，有效降低了系统的运维成本。

加入应用服务层后，系统对数据库服务器的用户数量要求大为降低，数据库服务器的硬件有效减少，降低了系统成本。