物聯(lián)網(wǎng)在煤礦生產(chǎn)上的應(yīng)用

“物聯(lián)網(wǎng)”(Internet ofThings)是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)_?！拔锫?lián)網(wǎng)”的出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)的思維模式，揭開了新一輪信息技術(shù)革命的序幕，正推動著信息技術(shù)在各行各業(yè)更深入應(yīng)用的新一輪信息化浪潮。中國煤礦資源豐富，但是地理位置偏僻，礦井巷道縱橫交錯，井下作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全很難有所保障。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)，將對礦井作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全提供重要的保障。

1 組網(wǎng)原理

從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)，其感知層采用全球免費微波頻段2.4 GHz RFID射頻識別技術(shù)實現(xiàn)無線遠距離標簽識別。在礦井巷道適當位置分布式安裝讀卡器，入井員工隨身攜帶統(tǒng)一分配的電子標簽卡。當員工進入讀卡器的感知范圍，電子標簽將該員工的身份碼信息發(fā)送至讀卡器，讀卡器再將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層傳輸至上位機分析處理，實現(xiàn)應(yīng)用層的跟蹤檢測、查詢報警等相關(guān)應(yīng)用。礦井物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)原理如圖1所示。

圖1 礦井物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)原理圖

2 感知層設(shè)計

射頻識別RFID(Radio Frequency Identi6cation)技術(shù)被認為是21世紀最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一口1。感知層工作頻率采用2．4 GHz ISM頻段，由標簽、讀卡器兩部分組成。員工身份碼信息經(jīng)RFID標簽傳輸至讀卡器。再由讀卡器向上傳輸。

2．1 電子標簽

標簽采用2．4 GHz ISM頻段有源電子標簽設(shè)計，由入井員工隨身攜帶。是射頻系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。主要由收發(fā)模塊、控制模塊以及電源模塊組成。收發(fā)模塊包括射頻收發(fā)天線，負責(zé)將射頻信號轉(zhuǎn)換成DC電源的電源產(chǎn)生電路、電能存儲電路、信號調(diào)制和解調(diào)以及時鐘發(fā)生電路。采用2.4 GHz無線遠距離收發(fā)模塊JF24D芯片設(shè)計O控制模塊由微控制器構(gòu)成，負責(zé)讀寫控制、訪問控制以及收發(fā)模塊控制，實現(xiàn)對解調(diào)信號譯碼，以及回送數(shù)據(jù)的編碼。電源模塊對收發(fā)、控制模塊提供電壓。

2．2 RFID讀卡器

RFID讀卡器的基本任務(wù)是啟動數(shù)據(jù)載體(RFID標簽)，與其進行數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)非接觸無線通信。讀卡器和電子標簽之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，提供信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正等功能。讀卡器硬件設(shè)計與電子標簽硬件設(shè)計相似， 由發(fā)送器和接收器組成的無線收發(fā)模塊、電源模塊、控制單元以及與外界其他設(shè)備通信所需的各種標準接口模塊組成。讀卡器的基本工作流程如圖2所示。

圖2 讀卡器工作流程

3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，其基本結(jié)構(gòu)主要包括3種：星形、環(huán)形和總線形 。本設(shè)計采用總線形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)成為普遍服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，有待突破的方向是向下與感知層的結(jié)合，向上與應(yīng)用層的結(jié)合。

礦井物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)主要有總線式電纜結(jié)構(gòu)組網(wǎng)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)組、總線式光纖結(jié)構(gòu)組網(wǎng)3種方案。由于煤礦井下巷道錯綜復(fù)雜。延伸距離較長，對于長距離數(shù)據(jù)傳輸，電氣網(wǎng)絡(luò)往往不能滿足要求，而光纖網(wǎng)絡(luò)可以滿足長距離數(shù)據(jù)傳輸并且保持較高的傳輸速率，所以選擇總線式光纖專網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案。從井下到地面數(shù)據(jù)的傳輸選擇光纖網(wǎng)絡(luò)，其余網(wǎng)絡(luò)采用電纜線傳輸。讀卡分站相當于數(shù)據(jù)基站，讀卡器采集到的電子標簽的身份碼數(shù)據(jù)首先在讀卡分站匯總，再由讀卡分站將數(shù)據(jù)進行誤碼檢查，確認無誤后再向上傳輸。光端機是電纜線路和光纖線路， 以及光纖線路與光纖線路的接口，通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)換協(xié)議，將讀卡分站上傳的數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控室計算機，實現(xiàn)應(yīng)用層功能。網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)方案如圖3所示。