基于物联网技术的矿山设备智能监控系统

宾海云

摘要：基于物联网的企业监控技术是目前先进制造领域研究的热点，在矿山开采方面，作为一种新型现代监控方式，它与传统的监控系统有所不同。在物联网的时代背景下，基于物联网的矿山设备智能监控系统的设计不仅可以提升企业内部生产和安全管理工作，还能起到创新和完善矿山企业监控系统，并为基于物联网技术的矿山监控系统的开发奠定坚实的基础。

关键词：物联网技术；矿山设备；智能监控系统；应用

1需求说明

传统的矿山企业现场需要大量的采矿设备、选矿设备、传输设备以及称重设备等等，各设备的运行状态、采集的数据以及现场视频都需要远程实时传输到生产及安全管理部门。矿山设备智能物联网经优化设计，共采用了5类传感器：获取影像采用高像素摄像仪，监测地表位移采用GNSS接收机，深部位移监测采用双轴测斜仪，获取设备主电机转速、功率、温度传感器，获取各类液体压强、液位、温度传感器。不同类型的传感器所需传输带宽差异较大：高像素摄像仪单台需要4Mb～8Mb带宽资源，实时传输每月约需要800G流量，多台摄像仪所需流量会成倍增加；其它4类传感器虽然需求带宽资源小，单个传感器只需要约1Kb带宽，但是监测点数量多，而且较分散。如果采用光纤传输，建设费用高，施工难度大，可能还需要征用土地。如果采用4G传输，流量费用高昂，部分区域4G信号较差，甚至没有4G信号。

2系统的总体架构

本研究的目的是实现基于物联网的智能监控系统。完成系统设计涉及两项关键技术：物联网技术和预测性预防性维护（PDM）。物联网技术计划的重点是将两项关键技术集成到系统中。此智能监控系统主要包括无线传感器网络，地下监控中心，地面监控和故障诊断中心。其中有特殊功能的无线传感器节点需要安装在采矿设备主体的指定部位和液压支架，用于收集采矿，液压支架和其他设备的一些工作信号和参数。例如监测到的切割电机的电流与温度，牵引电机电流与温度，行走的位移数以及环境中一氧化碳等气体的实时浓度。收集到的信号往往由DSP处理，然后通过无线MESH网络传输到交换机或无线AP，最后通过光纤继续将其上传到地面上的控制中心。控制中心分析和处理接收的信号。在此期间，任何参数都超过预设值，设备将发出报警信号。设备驱动程序和地面监控中心工作人员在实现后及时做出应急响应。

3系统硬件设计

3.1ZigBee设计

该系统的终端节点只能接收、发送与其本身有关的信息，它主要负责收集和传输矿山设备本身的参数和工作环境参数。每个传感器终端节点主要由传感器模块，微处理器模块，无线通信模块和电源模块组成。设备传感器模块用于信息收集，数据转换，并且转换后的数据被发送到微处理器模块。微处理器主要负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理从其他节点收集的数据和数据；ZigBee无线通信模块负责与其他传感器节点的无线通信，交换控制信息以及发送和接收数据。最终的电源模块主要为传感器节点提供所需的电源。由于每个监控节点应用于恶劣的工作环境，节点的电源电池通常不易更换。因此，需要具有大容量，长使用寿命和免维护操作的高性能电池。

3.2WiFi技术（无线保真协议）

WIFI技术是采矿中视频监控和无线通信的理想选择。通信速度一般为11Mbit/s，通信距离为50m～100m。在所研究的系统中，WIFI模块硬件MAC层使用Atheros的AR2524芯片，而物理层使用带有功率放大器的单芯片收发器UW2453芯片。WIFI技IEEE802.11X技术的调制解调采用直接序列扩频技术，抗干扰能力强，数据传输速度快，传输速率最大可达108Mbps，数据传输距离达数百米，可用来组建大型无线网络，但设备比较昂贵，技术比较复杂，其应用收到一定的限制。

3.3系统软件设计

基于物联网背景下的多设备监控系统的设计中的软件设计主要是依靠互联网技术中的软件处理技术以及计算机编程技术。该系统的软件设计主要包括控制电路初始化程序，监控程序和ZigBee无线节点程序。监控程序由JAVA开发首先，对系统中具体的各个部分进行初始化，激活每一个无线传感节点以及监控机器，收集他们工作时的状态，接着对采集到的数据进行精确化处理，采集到的数据再继续发送至ZigBee传感节点。

此时调节器节点会自动确定系统的控制状态。如果此节点处于手动的控制状态，程序将会自动结束并由实地的控制工作站执行应有控制。如果处于自动控制的状态，数据异常传感器节点可以在现场报警，并通过ZigBee网络，WIFI局域网以及光纤网络传输给地面上的控制中心，交给他们分析处理、显示并控制采矿系统的启动和停止，调整牵引时速，姿态以及实时定位。

结束语

依据市场的迫切需求，分析了矿山设备监控系统的基本功能，设计了基于物联网技术的矿山设备智能监控系统的体系结构。讨论并测试了硬件设计和软件设计。实验结果表明，该监控系统技术先进，实时可靠。与传统的安全监控系统相比，它大大提高了节能效果，为基于物联网技术的矿山监控系统的开发奠定了基础。

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（作者单位：重庆齿轮箱有限责任公司）