物联网系统的设计

3.2 系统的体系结构分析

3.2.1 体系结构框架设计

图系统结构框架图

总体构架有三层组成,分别为感知层、传输层、应用层。

感知层：感知层包括数据采集子层和传感器网络组网和协同信息处理子层。数据采集子层包括RFID、监控传感器、手机、控制器、传感器网络和传感器网关等设备。传感器网络组网和协同信息处理子层包括：低速及中高速近距离传输技术、自组织技术、协同信息处理技术、传感器中间件技术。本层的核心技术是无线传感网（WSN）及NFC技术。该层在“智能矿山”中的应用主要表现为信息的监测和采集。在“智能矿山”中，通过射频识别标签实现对物体静态属性的标识，可以精确定位物体；各类现场传感器可以对现场工况环境和设备进行实时监测和信息传输等。

传输层包括各种通信网络与互联网形成的融合网络。各种监测数据通过无线传感器网络形成局部区域网络，将覆盖区域的信息收集起来，然后通过传输层向处理平台传输数据。

应用层将物联网技术与煤矿行业领域相结合，实现广泛智能化应用的解决方案，利用现有的手机、个人计算机（PersonalComputer，PC）、掌上电脑（PersonalDigitalAssistant，PDA）等终端实现应用。根据物联网的概念和结构层次，该层是物联网技术具有专业应用的关键步骤，该层主要承担的任务是智能计算和分析，服务煤矿安全生产调度，然后向感知层和其他终端设备发布信息。应用层包括数据资源子层、应用平台子层、应用系统子层。应用层的展现主要是通过综合服务系统表现。

1）信息采集系统：包括现场工况环境和设备远行信息接入、视频信息接入的建设。

2）传输网络系统:包括通信传输系统、计算机网络系统、网络安全及管理系统的建设。

3）物联网管理应用系统：包括煤矿现场工况环境和设备运行状态监视与预警系统、安全生产调度管理系统的建设。

4）应用支撑平台：包括软件支撑平台和硬件支撑平台的建设。

5）物联网中心：包括安全生产调度中心、信息运行中心、生产监控中心的建设。

6）保障体系：包括制度建设、技术标准、技术保障和安全措施。

3.3 系统的主要模块和功能分析

3.3.1 主要功能

1）智能传感采集系统：其为各类传感器组件，可对瓦斯、CO、风速、水位、温度、设备开停等数据进行采集和检测。

2）数据传输系统：包括井下环网交换机、3G微蜂窝机动式基站和专用网关、Mesh自组网、3G和有线等几种数据传输手段，能够将现场监测的数据发送到数据处理平台系统。

3）数据处理平台：实现环境、生产设备、视频等信息和数据的处理功能。它接收各类上传数据同时利用相关专家系统进行分析及处理，其集成多种无线功能，作用分别是：

●井下环网交换机可以快速传输大容量信息。

●3G微蜂窝机动式基站：不仅能够传输语音、同时能够将采集到的数据

通过微蜂窝基站,经专用网关(小型核心网)发送到数据处理系统。

●MESH利用无线转发设备能自构建网络，互联互通技术为流动性大、人

员不适宜长期工作地点或灾害发生时抢险人员的语音、视频、数据的传输提供平台。

4）综合运营管理和分析处理系统：利用历史数据及专家知识库，云平台可以及时分析处理数据。提供安全报警及相应生产自动化控制。

系统组成

1）感知信息采集

项目研发过程中将采用下表传感设备，开发出带有无线功能模块的数据采集平台。

数据采集平台准备采用自研的各类适用于煤矿的传感器，该采集平台是集当代先进的大规模集成电路技术、计算机软件技术、工业监控技术和网络通信技术紧密结合的产品，是体现当代技术先进性和安全可靠性的优选产品，可实现远程和本地实时煤矿安全数据采集与监测及设备的状态监测、监控。

2）数据传输

本方案中，综合利用了以太网、Femto基站、3G、WIFI等多种通讯网络和通讯手段，实现有线和无线网络无缝融合，以实现快速、高效和高质量传输检测数据以达到煤矿安全数据采集与监测及设备的状态监测、监控的目标。

Femtocell

Femtocell 各类传感器通过WIFI、TD或有线接入Femotcell基站，手机直接通过TD方

式接入Femotcell基站，Femotcell基站通过有线或光纤接入井下交换机。井下交换机通过光纤将数据上传到地面云计算平台进行统一处理。

●Femto基站

基站通过标准的空中接口（Uu接口、Wi-Fi等）和固定接口分别与覆盖区域内的UE、Wi-Fi等终端通信。对外通过F1接口（承载在“最后一公里”传输网上，接入技术支持XDSL、XPON、Cable等）接入Femto核心网专用网关。

Femto基站使用IP协议，通过用户已有的ADSL、LAN等宽带电路连接，远端由专用网关实现从IP网到移动网的连接。它的大小与ADSL调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动网规、即插即用的特点。与运营商的其它移动基站同制式、同频段，因此手机等移动终端可以通用。

Femto基站具有1个载波，发射功率为20mW，覆盖半径为100～300m，支持4～6个活动用户，允许的最大用户运动速度为70km/h。

●专用网关

专用网关可以在煤矿内部快速建立企业级专网，大幅降低了系统建设成本、维护成本，增强了系统的可复用性。

专用网关能够接入多个Femtocell基站设备，并能完成PS业务和网内CS业务。Femtocell网关系统支持终端网络间的移动性、支持网络和用户鉴权、安全加密、支持用户和FemtocellAP的配置管理。Femtocell网关系统本期完成目标为实现PS业务和网内移动性，用户数据和FemtocellAP的配置管理。Femtocell 专用网关通过Iuh接口与Femtocell相连。Femtocell专用网关不但具有网关的功能，还要具有简易核心网的功能。

.3 面向智能矿山自动化系统的云计算平台

图：面向矿山的云计算平台架构

面向矿山的云计算平台服务模型包括“断”“管”“云”三个层面，在系统模型中，云“端”是指可开展矿山安全生产所需业务的云服务终端，主要功能为实现业务显示。终端设备包括台式机、笔记本电脑、手机或其他可完成信息交互处理的终端。在面向智能矿山的物联网的云计算框架，云终端往往包括能够进行传感信息搜集处理的传感器节点，具体包括温度传感信息处理及管理、甲烷信息搜集管理、供电信息搜集管理等。

云计算服务中的管是指信息传输的通道，对于由公共云提供服务的模式，该管道往往是由电信运营商提供的通信网络，包括无线接入网络，传输网络等。而对于私有云而言，则是内部的通信网络，或者基于公网的虚拟专用网络。本项目提供的面向矿山的通信传输管道初步设计为私有云，因此主要通信管道由现有的基础通信网络提供，即千兆环网系统和光纤通信系统。此外，为了满足无线通信的需求，为传感节点提供无线接入，云计算平台的管道还包括基于TD-SCDMA的3G无线网络传输。

云计算的核心是指能够提供ICT资源或服务的寄出信息设施，是能够开

展分布式计算的平台及应用。云计算平台包含三个层面：基础设施部分包含各种应用服务器、数据库、存储设备等，基于该基础设施可以开展分布式运算，该平台基于项目联合单位提供的曙光超级计算平台，存储系统则为面向煤矿安全生产定制的海量存储系统。在云计算平台的管理层，需要实现云平台管理、支撑、开发，因此，本项目将提供云计算的管理、支撑及开发系统。

面向煤矿安全生产的第三个层次是指依附于云平台的软件、数据及各种信息。

本项目需要针对智能矿山发展需求提供包括物流监控、污染控制、智能检索、生产调度、无线通信、通风压风等在内的多个系统控制管理。

5）智慧矿山业务系统

●应急决策支持指挥功能

当煤矿发生井下灾害时，可以利用MESH系统快速进行布网，将井下事故现场的各种情况，通过语音、视频、数据方式快速上传到指挥中心，指挥人员可以有身临其境的感觉,为决策处理提供依据，将损失降到最低。

1)应急抢险功能

应急抢险系统需要以下功能。

●查询功能：查询现场情况。查询抢险预案。查询物资仓库的位置分布、

物资种类、数量等相关信息。查询抢险队伍的分布、组成和责任制。

●险情信息：在电子地图上标志险情发生的具体位置，并实时提供险情信

息。

2)险情灾情分析功能

展示当前的险情、灾情分布情况，包括分布图与分布表，抢险方案分析。

实时险情分析：能够显示包括文字、图像、表格、视音频的险情信息，并能按时间、电子地图上的位置、名称等方式进行查询，进行电子地图定位还显示其它相关信息。

实时灾情分析：能够显示在请统计表、图，并能按时间、电子地图上的位置、名称等方式进行查询，进行电子地图定位还显示其它相关信息，并能进行相关的统计功能。

3)人力布置与调度

可提供实时的人力、兵力、抢险组织的分布情况。对当前各级领导及主要抢

险人员所在的具体位置及其行动路线的查询以及抢险专家及相关人员责任分工等信息的查询，通过此部份可为各相关人员的任务落实、组织、安排提供依据。实现抢险队伍的组织与调度，及时、有效的掌握队伍组织情况，得到最新的队伍信息，提高抢险工作效率和队伍的快速反应能力。人员分布可显示目前人员的分布情况。

优化调度利用GIS的网络分析功能，可为决策者对受灾人员救助安排提供合理的、科学的依据和人员疏散路线分析，最佳避难和迁移方案。