物聯(lián)網(wǎng)在煤礦生產(chǎn)上的應用

“物聯(lián)網(wǎng)”(Internet ofThings)是指通過(guò)射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網(wǎng)絡(luò )_?！拔锫?lián)網(wǎng)”的出現，顛覆了傳統的思維模式，揭開(kāi)了新一輪信息技術(shù)革命的序幕，正推動(dòng)著(zhù)信息技術(shù)在各行各業(yè)更深入應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)架構上來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。物聯(lián)網(wǎng)應用于煤礦安全生產(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(shí)現無(wú)線(xiàn)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一分配的電子標簽卡。當員工進(jìn)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，讀卡器再將數據經(jīng)網(wǎng)絡(luò )層傳輸至上位機分析處理，實(shí)現應用層的跟蹤檢測、查詢(xún)報警等相關(guān)應用。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計，由入井員工隨身攜帶。是射頻系統真正的數據載體。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(xiàn)，負責將射頻信號轉換成DC電源的電源產(chǎn)生電路、電能存儲電路、信號調制和解調以及時(shí)鐘發(fā)生電路。采用2.4 GHz無(wú)線(xiàn)遠距離收發(fā)模塊JF24D芯片設計O控制模塊由微控制器構成，負責讀寫(xiě)控制、訪(fǎng)問(wèn)控制以及收發(fā)模塊控制，實(shí)現對解調信號譯碼，以及回送數據的編碼。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(dòng)數據載體(RFID標簽)，與其進(jìn)行數據交換來(lái)實(shí)現非接觸無(wú)線(xiàn)通信。讀卡器和電子標簽之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)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。讀卡器硬件設計與電子標簽硬件設計相似， 由發(fā)送器和接收器組成的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、電源模塊、控制單元以及與外界其他設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 )層設計

網(wǎng)絡(luò )層相當于人的神經(jīng)中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息，其基本結構主要包括3種：星形、環(huán)形和總線(xiàn)形 。本設計采用總線(xiàn)形網(wǎng)絡(luò )拓撲結構組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò )層是物聯(lián)網(wǎng)成為普遍服務(wù)的基礎設施，有待突破的方向是向下與感知層的結合，向上與應用層的結合。

礦井物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)主要有總線(xiàn)式電纜結構組網(wǎng)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)結構組、總線(xiàn)式光纖結構組網(wǎng)3種方案。由于煤礦井下巷道錯綜復雜。延伸距離較長(cháng)，對于長(cháng)距離數據傳輸，電氣網(wǎng)絡(luò )往往不能滿(mǎn)足要求，而光纖網(wǎng)絡(luò )可以滿(mǎn)足長(cháng)距離數據傳輸并且保持較高的傳輸速率，所以選擇總線(xiàn)式光纖專(zhuān)網(wǎng)組網(wǎng)結構方案。從井下到地面數據的傳輸選擇光纖網(wǎng)絡(luò )，其余網(wǎng)絡(luò )采用電纜線(xiàn)傳輸。讀卡分站相當于數據基站，讀卡器采集到的電子標簽的身份碼數據首先在讀卡分站匯總，再由讀卡分站將數據進(jìn)行誤碼檢查，確認無(wú)誤后再向上傳輸。光端機是電纜線(xiàn)路和光纖線(xiàn)路， 以及光纖線(xiàn)路與光纖線(xiàn)路的接口，通過(guò)內置的數據報文轉換協(xié)議，將讀卡分站上傳的數據最終轉發(fā)至監控室計算機，實(shí)現應用層功能。網(wǎng)絡(luò )層組網(wǎng)方案如圖3所示。