2022年-2023年建筑工程管理行業(yè)文檔 齊魯斌創(chuàng)作工程師論文工程師職稱(chēng)論文：關(guān)于煤礦多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)摘 要: 介紹了物聯(lián)網(wǎng)的概念和結(jié)構(gòu)組成,分析了物聯(lián)網(wǎng)在煤礦中的具體應(yīng)用,詳細(xì)介紹了一種具有煤礦特色的多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該讀寫(xiě)器應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)的感知層,能夠進(jìn)行物體識(shí)別和各類(lèi)物理信號(hào)與環(huán)境參數(shù)的傳送,為煤礦應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)提供了一個(gè)很好的感知層解決方案。關(guān)鍵詞: 煤礦;物聯(lián)網(wǎng);讀寫(xiě)器;射頻識(shí)別; ZigBee0引言物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)又稱(chēng)傳感網(wǎng),是指將各種信息傳感設(shè)備和裝置與互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò),物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò),其用戶(hù)端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間進(jìn)行信息交換和通信1。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)比Internet更為龐大的網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,系統(tǒng)可以自動(dòng)地、實(shí)時(shí)地對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件。物聯(lián)網(wǎng)被稱(chēng)為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮2。其無(wú)處不在,無(wú)所不能,被稱(chēng)為下一個(gè)萬(wàn)億元級(jí)的產(chǎn)業(yè)和邁向信息社會(huì)的發(fā)動(dòng)機(jī)。目前世界各國(guó)都相繼出臺(tái)了與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的信息化政策,我國(guó)也已將物聯(lián)網(wǎng)列為重點(diǎn)培育和發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè),無(wú)錫物聯(lián)網(wǎng)研究所與北京郵電大學(xué)聯(lián)合成立了感知中國(guó)研究中心,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)也成立了感知煤炭研究所。本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)在煤礦的應(yīng)用情況,設(shè)計(jì)了一種能夠感知煤礦“人員、機(jī)械、環(huán)境”安全狀態(tài)信息的多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器。1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合已有的射頻識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、中間件技術(shù)等,構(gòu)筑一個(gè)由大量聯(lián)網(wǎng)的閱讀器和無(wú)數(shù)移動(dòng)標(biāo)簽組成的覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的網(wǎng)絡(luò)3。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,物品能夠彼此進(jìn)行交流,而無(wú)需人的干預(yù)。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)就是利用射頻識(shí)別技術(shù)(RFID),通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品(商品)的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。射頻識(shí)別技術(shù)是一種能夠讓物品“開(kāi)口說(shuō)話(huà)”的技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)中,射頻識(shí)別標(biāo)簽中存儲(chǔ)著規(guī)范而具有互用性的信息,這些信息由無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)采集到中央信息系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)物品的識(shí)別,進(jìn)而通過(guò)開(kāi)放性的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和共享,從而實(shí)現(xiàn)物品的智能管理4。物聯(lián)網(wǎng)工作步驟:(1)對(duì)物體屬性進(jìn)行標(biāo)識(shí),物體屬性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)屬性,靜態(tài)屬性可以直接存儲(chǔ)在標(biāo)簽中,動(dòng)態(tài)屬性需要先由傳感器實(shí)時(shí)探測(cè);(2)需要識(shí)別設(shè)備完成對(duì)物體屬性的讀取,并將信息轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式;(3)將物體的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行?處理中心可能是分布式的,如家里的電腦或者手機(jī),也可能是集中式的,如中國(guó)移動(dòng)的IDC),由處理中心完成物體通信的相關(guān)計(jì)算。在由EOC標(biāo)簽、解讀器、Savant服務(wù)器、Internet、ONS服務(wù)器、PML服務(wù)器以及眾多數(shù)據(jù)庫(kù)組成的物聯(lián)網(wǎng)中,解讀器讀出的EPC(ElectronicProduct Code,電子產(chǎn)品代碼)只是一個(gè)信息參考(指針),該信息經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò),傳到ONS服務(wù)器,找到該EPC對(duì)應(yīng)的IP地址并獲取該地址中存放的相關(guān)的物品信息。采用分布式Savant軟件系統(tǒng)處理和管理由解讀器讀取的一連串EPC信息,Savant將EPC傳給ONS,ONS指示Savant到一個(gè)保存著產(chǎn)品文件的PML服務(wù)器查找,該文件可由Savant復(fù)制,因而文件中的產(chǎn)品信息就能傳到供應(yīng)鏈上。物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3層,如圖1所示。感知層包括條碼識(shí)讀器、RFID讀寫(xiě)器、傳感器、攝像頭、傳感器網(wǎng)絡(luò)等,主要用于識(shí)別物體,采集信息;網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心等,主要用于傳遞和處理感知層獲取的信息;應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與各行各業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)的深度融合,與行業(yè)需求相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)行業(yè)的智能化管理。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈可以分為標(biāo)識(shí)、感知、處理和信息傳送4個(gè)環(huán)節(jié),每個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)分別為射頻識(shí)別、傳感器、智能芯片和無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)中,每一個(gè)物品都被賦予一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的代碼,將這個(gè)代碼存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中貼在物品上,同時(shí)將這個(gè)代碼所對(duì)應(yīng)的詳細(xì)信息和屬性存儲(chǔ)在射頻識(shí)別信息服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)器中5。當(dāng)物品從生產(chǎn)到流通的各個(gè)環(huán)節(jié)中被識(shí)別并記錄時(shí),通過(guò)對(duì)象名解析服務(wù)可獲得物品所屬信息服務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí),進(jìn)而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從射頻識(shí)別信息服務(wù)器中獲得其代碼所對(duì)應(yīng)的信息和屬性,以進(jìn)行物品的識(shí)別和達(dá)到對(duì)物品自動(dòng)追蹤管理的目的。物聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)是為每一個(gè)物品建立全球的、開(kāi)放的標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn),它的發(fā)展不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物品的實(shí)時(shí)跟蹤,而且能夠提高工作效率和信息化管理水平。2物聯(lián)網(wǎng)在煤礦中的應(yīng)用分析煤炭行業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要的支撐作用,其安全生產(chǎn)尤為重要。物聯(lián)網(wǎng)為煤礦安全監(jiān)督管理引入了新的理念、新的技術(shù)和新的方法。把感應(yīng)器嵌入到煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中,感知煤礦“人員、機(jī)械、環(huán)境”方面的各種狀態(tài)信息,將現(xiàn)有分散、獨(dú)立、單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺(tái)提升為系統(tǒng)、開(kāi)放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺(tái),實(shí)現(xiàn)人與機(jī)械、環(huán)境等物理系統(tǒng)的整合,物與物、人與物的互聯(lián)互動(dòng),從而保證煤礦的安全生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)督管理中“物物互聯(lián)、智能感知、物物互動(dòng)、智慧處置”的設(shè)想。物聯(lián)網(wǎng)在煤礦中的具體應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面:(1)地面生產(chǎn)系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)中膠帶輸送機(jī)、給煤機(jī)、振動(dòng)篩、水泵等礦井地面生產(chǎn)主要設(shè)施的運(yùn)行情況及啟動(dòng)、停止等控制。(2)提升系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井提升設(shè)備開(kāi)停及其運(yùn)行位置、提升控制系統(tǒng)、人員等情況。(3)運(yùn)輸系統(tǒng)。實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井上下運(yùn)輸系統(tǒng)軌道、車(chē)輛、蓄電池、充電裝置等工作情況。(4)礦井安全監(jiān)控。監(jiān)測(cè)井下甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度、煙霧濃度、饋電狀態(tài)、風(fēng)門(mén)狀態(tài)、風(fēng)窗狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、局部通風(fēng)機(jī)開(kāi)停、主要通風(fēng)機(jī)開(kāi)停、工作電壓、工作電流等,實(shí)現(xiàn)甲烷超限聲光報(bào)警、斷電和甲烷風(fēng)電閉鎖控制等。(5)礦井巷道延伸跟蹤。根據(jù)采掘進(jìn)尺數(shù)據(jù)生成最新采掘圖,將采掘現(xiàn)狀的剖面圖與煤層分布圖疊加顯示對(duì)比分析,判斷是否有越層越界情況或趨勢(shì)。如有越層越界情況發(fā)生對(duì)所在企業(yè)發(fā)出越層越界警告7。(6)礦井安全隱患監(jiān)察。在巷道分布圖上設(shè)定隱患巡查路線(xiàn)、巡查手段方法,根據(jù)隱患的類(lèi)型、嚴(yán)重性、分布區(qū)域進(jìn)行隱患統(tǒng)計(jì),提供相應(yīng)的解決方案。(7)礦山搶險(xiǎn)救護(hù)。一旦險(xiǎn)情發(fā)生,可根據(jù)事故類(lèi)型和地點(diǎn)選擇最佳線(xiàn)路,迅速調(diào)配搶險(xiǎn)救護(hù)隊(duì)伍和設(shè)備。(8)道岔自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)選擇目的地,道岔自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整道岔,待道岔完全調(diào)整完畢之后,車(chē)輛方可運(yùn)行。(9)人員定位系統(tǒng)。將礦井分割成若干區(qū)域,在每個(gè)區(qū)域都安裝ID掃描傳感器,用來(lái)掃描該區(qū)域內(nèi)正在活動(dòng)的員工的ID,并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸單元向存儲(chǔ)單元保存相關(guān)信息。3多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)根據(jù)上面的介紹可知,煤礦環(huán)境使用的物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器一方面要能夠識(shí)別人或物體,另一方面需采集一些物理信號(hào)和環(huán)境參數(shù),因此,具有煤礦特色的多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器應(yīng)具有無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別和無(wú)線(xiàn)傳感數(shù)據(jù)傳送功能。無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別功能主要完成對(duì)人或物體的識(shí)別,它主要是對(duì)不同節(jié)點(diǎn)處的人或物體上的EPC信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。條碼識(shí)讀器分成被動(dòng)型識(shí)讀器和主動(dòng)型識(shí)讀器2類(lèi)。被動(dòng)型識(shí)讀器接入網(wǎng)絡(luò)后,其數(shù)據(jù)傳輸端口不會(huì)自動(dòng)打開(kāi),需要從服務(wù)器獲取命令來(lái)打開(kāi)端口;當(dāng)被動(dòng)型識(shí)讀器讀取到電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)暫存在識(shí)讀器的臨時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi),等待服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。主動(dòng)型識(shí)讀器接入網(wǎng)絡(luò)后,其數(shù)據(jù)傳輸端口將自動(dòng)打開(kāi);當(dāng)讀取到電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)后,以消息的形式向服務(wù)器傳送數(shù)據(jù),服務(wù)器只需等待消息到來(lái)后處理數(shù)據(jù)即可。設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)傳輸口可自動(dòng)打開(kāi),同時(shí)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。由于煤礦井下工作環(huán)境特殊,有大量的傳感器檢測(cè)各類(lèi)信號(hào),如瓦斯?jié)舛?、風(fēng)壓、溫度等,設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器需要考慮這些信號(hào)的傳輸和閱讀,因此,選用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成各種參數(shù)的傳輸功能。由傳感器采集到相應(yīng)參數(shù)后,通過(guò)傳感器本身所帶的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送各類(lèi)參數(shù),由物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行傳輸,并存儲(chǔ)在相應(yīng)單元中。采集到的各類(lèi)參數(shù)通過(guò)讀寫(xiě)器獲取后還需傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上。由于煤礦井下巷道狹窄,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,采用RS485、工業(yè)以太網(wǎng)或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等方式與物聯(lián)網(wǎng)中間件進(jìn)行通信,并通過(guò)其傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上。物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。微處理器選用基于ARM9內(nèi)核的S3C2440,射頻識(shí)別模塊選用RFM22,無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)ZigBee模塊選用CC2430。(1)微處理器S3C2440S3C2440采用CPU內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來(lái)保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性,主頻為400 MHz,最高為533 MHz;具有SDRAM內(nèi)存;具有FLASH存儲(chǔ)器;具有1個(gè)10 M以太網(wǎng)RJ?45接口,通過(guò)CS8900網(wǎng)絡(luò)芯片連接以太網(wǎng);具有3個(gè)串行口,其中一個(gè)通過(guò)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)RS485功能;同時(shí)擴(kuò)展了一個(gè)CAN總線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接功能。(2)射頻識(shí)別模塊RFM22RFM22是一款先進(jìn)的低成本射頻收發(fā)模塊,可提供240930 MHz的頻率,并且擁有可調(diào)的輸出功率,最大能達(dá)+20 dB·m。其主要特性:數(shù)據(jù)傳輸率為1128 kbit/s;超低能耗關(guān)機(jī)模式;喚醒無(wú)線(xiàn)電功能;自動(dòng)頻率控制;可配置數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu);前同步信號(hào)檢測(cè);64 B收發(fā)數(shù)據(jù)寄存器;溫度感應(yīng)和8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器;跳頻功能;FSK、GFSK和OOK調(diào)制模式。物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器將要發(fā)送的信息經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號(hào)上,經(jīng)天線(xiàn)向外發(fā)送,進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收該脈沖信號(hào),RFM22中的有關(guān)電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密,然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷6。若為讀命令,控制邏輯電路則從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息,經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過(guò)RFM22內(nèi)的天線(xiàn)再發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器,物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理;若為修改信息寫(xiě)命令,控制邏輯電路提供擦寫(xiě)EEPROM中的內(nèi)容進(jìn)行改寫(xiě);若密碼和權(quán)限不正確,則返回出錯(cuò)信息。(3)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)ZigBee模塊CC2430采用CC2430及其相應(yīng)的傳感器電路實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的無(wú)線(xiàn)通信功能。CC2430包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核,運(yùn)行時(shí)鐘為32 MHz。CC2430中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的核心部分是CC2420射頻收發(fā)器,通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器間的數(shù)據(jù)傳送功能。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)在煤礦的應(yīng)用分析,介紹了一個(gè)具有煤礦特色的,能夠進(jìn)行物體識(shí)別和各類(lèi)物理信號(hào)與環(huán)境參數(shù)傳送的,應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)感知層的多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)。該讀寫(xiě)器為煤礦應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)提供了一個(gè)很好的感知層解決方案。參考文獻(xiàn):1GONZALEZ G R.Early Infrastructure of an Internetof Things in Spaces for Learning C/IEEEInternational Conference on Advance LearningTechnologies,2008.2MICHAEL K,CATHIE L M.The Pros.and Cons.ofRFID in Supply Chain Management C/TheInternational Conference on Mobile Business,2005.3MICHAEL M P. 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