物联网在煤矿井下的应用

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物联网在煤矿井下的应用与实现
桑媛,王博文,黄世超,姬雨初*
(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏 徐州 221008) 摘要:本文阐述了物联网技术发展现状和趋势,根据煤矿井下的环境特点和实际工作情况, 分析了煤矿井下物联网的需求,并设计了其系统结构。实际使用时,利用井下工业以太网和 WiFi-Mesh 技术实现井下物联网已知节点的组网建设,使用 WiFi 技术实现人员及设备的无 线接入,实现井下物联网的组网。 关键词:煤矿井下物联网;WiFi;定位 中图分类号:TP393.07
IOT technology applicate and realize in underground coal mine
Sang Yuan, Wang Bowen, Huang Shichao, Ji Yuchu
(China University of Mining and Technology Information and Electrical Engineering, JiangSu XuZhou 221008) Abstract: In this paper, we expounds the present situation and development trend of internet of things( IOT) technology. According to underground coal mine environmental characteristic and its working condition, this paper analyzes the demand of IOT in coal mine, and design the system structure. In practice, we use underground industrial Ethernet and WiFi-Mesh technology to achieve known nodes networking of IOT, use WiFi technology to achieve wireless access of personnel and equipment. And it realize the IOT in underground coal mine. Keywords:IOT in underground coal mine; WiFi; Determine the location
0 引言
所谓物联网,是将各种物体通过信息与通信技术,连接成为网络,以帮助我们获取这些 物体信息。物联网不同于传统意义上的互联网,互联网是将如电脑、手机、PDA 等网络设 备连接在一起的网络,而物联网是将物理实物连接在一起的网络,如汽车、火车、布置在森 林里或湖泊的传感器等。所以,从某种意义上来讲,互联网是“虚拟的”,而物联网是“真 实的”,物联网与互联网的结合,则成了互联网在物理设备上的应用。物联网很可能是“互 联网的下一站”,并将继计算机、互联网之后,成为世界信息产业的第三次浪潮[1-3]。物联 网技术也成了当前 IT 学者们的研究重点。 当前, 物联网在很多领域都得到了研究和应用, 如智能交通、 机场监控、 太湖水质监控、 森林火险监控等[4]。而在煤矿行业中,矿井环境恶劣,各种事故常有发生,因此,在煤矿井 下建设物联网系统,对矿井下环境进行实时精密监测,对人员安全与位置进行精确定位,对 于提高煤矿生产力水平,改善工作环境,有重大意义。
1 煤矿井下物联网需求及系统设备分析
1.1 煤矿井下物联网需求分析
目前多数矿井装备有安全监控系统和人员定位系统,但监测、定位范围小,精度差,无 法了解井下详细信息, 在设计煤矿井下物联网系统时, 希望煤矿井下物联网能在兼容以上两 套系统的基础上,实现如下功能:
作者简介: 桑媛, (1985-) 女, , 中国矿业大学通信由于信息系统专业 硕士, 研究方向: 嵌入式系统. E-mail: dorisbps@https://www.360docs.net/doc/508066615.html,
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矿车的位置;
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(1) 定位功能,井下人员和车辆向系统发送位置信息,系统上位机可以得知矿工和井下 (2) 环境参数采集功能,井下甲烷、氧气、二氧化碳、温度、湿度等环境参数,会严重 影响整个矿井的生产安全,工人工作环境,因此,需要对井下的每个巷道进行环境监测,并 把采集的数据上传至上位机分析记录; (3) 数据传输功能,若矿井有一处发生矿难,井下矿工需及时知道信息,并规划逃生路 线,同时还可与其他矿工和井上人员发送消息,相互交流; (4) 系统需要有良好的扩展性和兼容性,便于增添新功能,如网络电话、网络监控摄像 头等设备。 根据以上功能对系统的要求, 煤矿井下物联网系统需要在井下安装无线设备, 无线信号 范围覆盖井下大部分区域; 每一名矿工均需携带终端, 可以与无线设备进行通信, 接入系统; 矿车、采煤机等大型设备需要装备定位卡;还需一些环境参数采集终端,可以将采集的数据 传至系统。 与此同时,煤矿井下物联网还有其特殊的性能要求:在煤矿井下环境中,设备数量多, 人员多,通信冲突情况时有发生,井下巷道距离长,拓扑结构复杂多变,地热效果明显,温 度和湿度值较高,对网络可靠性要求高等。
1.2 煤矿井下物联网设备
根据上一节中的需求分析可知,煤矿井下物联网系统需包括以下几种基本设备: 1. 井上监控中心,位于井上监控室,可以监控井下所有物联网节点上传的信息,并对 信息进行分析、处理; 2. 人员智能终端,矿工携带智能终端,可以采集周围环境参数,并为系统提供位置信 息,与井下其他无线节点通信,传送采集、监控信息等,人员智能终端还应该有文 字显示功能,能实现与上位机和其他矿工的通信; 3. 设备定位终端,安装在井下矿车和井下设备上,为系统提供定位信息; 4. 井下无线采集分站,安装在煤矿井下巷道内,与人员智能终端和设备定位终端进行 无线通信,并将该信息经井下有线网络传至井上监控中心。 5. 井下有线传输设备,将井下无线采集分站上传的信息经中继或协议转换,实现远距 离传输。
2 煤矿井下物联网通信链路设计
煤矿井下物联网就是要井下设备、传感器“入网”,物联网系统中每两个设备之间都可 以通信。根据上一章中的讨论,可以把煤矿井下物联网设备分成两种:一种是已知节点,即 井下无线采集分站和井下有线传输设备,它们的位置是已知的,并且不常移动,彼此之间的 逻辑关系式固定的;另一种是未知节点,即人员智能终端和设备定位终端,它们的位置是不 确定的。实现物联网网络和“感知”,重点就是将这些未知节点接入已知节点,并组成一个 逻辑结构复杂、庞大的网络。 当未知节点进入井下, 由于井下巷道和工作面均布置有无线采集分站, 该未知节点会被 会被至少一个无线采集分站感知到,并建立通信关系,因为无线采集分站是已知节点,其位 置和状态是信息已知, 上位机就可通过该无线采集分站得知接入的未知节点位置、 环境信息。 这样,就实现了未知节点“入网”和通信。
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煤矿井下物联网的通信链路拓扑如图 1 所示。
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图1 煤矿井下物联网通信链路拓扑图
考虑到大多数矿井已装有工业以太网, 可以覆盖井下的主要巷道, 那么井下工业以太网 可以作为无线传感网的有线网络介质, 将无线采集分站接入该网络, 实现与井上监控中心的 通信。实际上,井下无线采集分站通常就是一个 LAN 与无线传感网协议的网关。
3 实际煤矿井下物联网设计
在笔者参与的某矿区井下物联网系统设计中,考虑到煤矿井下的实际环境和系统需求, 设计人员智能终端和设备定位终端等未知节点通过 WiFi 协议接入无线采集分站,无线采集 分站为带有以太网接口的无线网络接入点(无线 AP),无线采集分站接入井下已有的工业 以太网,实现网络连接。
3.1 煤矿井下物联网已知节点的设计
在实际设计安装已知节点过程中,井下巷道宽度约为十米,而长度则有几十千米,可以 看成是多条相互交错的隧道。因此,井下矿用交换机、无线采集分站等已知设备之间距离较 远,无法使用网线直接连接。在此,我们使用 XDSL 设备,将网络信号接入矿用 DSL 网关, 使用电话线实现长距离传输。使用该设备后,可以以 2Mbps 的速率传输 6km 的距离,解决 了以太网长距离传输的问题[5]。使用 DSL 设备延长以太网传输距离拓扑结构如图 2 所示。
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图2 使用DSL设备延长以太网传输距离
若在上述结构中采用带有交换功能的 DSL 设备,还可以实现 DSL 设备的级联,构成链 状网络,其拓扑图如图 3 所示。
DSL DSL
DSL
DSL
短距离 网线
DSL DSL
图3 DSL设备的级联
煤矿井下环境恶劣,有些地方如工作面和掘进面环境无法布网线和 DSL 线缆,并且掘 进面每天的巷道结构都不一样,无线采集分站位置常常需要移动。对于这种情况,可以使用 WiFi-Mesh 技术将数个无线 AP 节点连接在一起[6]。 通过以太网线连接在井下有线网络上的无线采集分站为根 AP,普通 AP 通过无线连接 在根 AP 上,其数据经根 AP 接力传输至井下有线网络,普通 AP 和根 AP 之间的通信协议 使用 WiFi-Mesh 协议。此结构可级联[7],其拓扑如图 4 所示。
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Wifi-mesh
Wifi-mesh
Wifi-mesh
Wifi-mesh
根AP AP AP AP AP
图4 WiFi-Mesh拓扑结构图
通过以上几种方法,可将无线采集分站,即无线 AP 合理的布置到井下大部分巷道,实 现井下无线网络的覆盖。
3.2 煤矿井下物联网未知节点的设计
在笔者参与的项目中, 煤矿井下人员智能终端和设备定位终端的核心处理芯片采用带有 WiFi 模块的 ARM7 处理芯片 GS1011。设计设备定位终端时,将定位引擎移植至 GS1011 芯 片,同时井下无线采集分站也安装定位引擎,通过无线采集分站扑捉到的 RSSI 值,来判断 该设备的位置。设计人员智能终端时,在设备定位终端的基础上,硬件上加入多种传感器、 物理按键、液晶屏,软件上编写参数采集程序、通信程序、和显示程序,来实现一个集环境 参数采集和上传、人员定位、收发短消息、报警功能于一体的矿用手持设备。 由于 WiFi 设备较耗能,普通的 WiFi 收发芯片工作电流至少为 100 毫安[8],再加上各种 传感器的能量损耗, 人员智能终端的工作电流大约在 150 毫安, 而设备定位终端的工作电流 大约为 100 毫安。因此,由于矿工随身携带的矿灯电池容量较大,可以考虑将人员定位终端 和矿灯做成一体,使用矿灯电池为其供电;设备定位终端使用大容量电池为其供电,并定期 充电来解决电源问题。
4 结论
本文根据物联网技术的发展现状, 并针对煤矿井下的特殊环境, 具体分析了煤矿井下物 联网系统需求,并设计一实际煤矿井下物联网系统。随着物联网技术的日趋成熟,其在煤矿 井下的应用也会更加广泛, 煤矿井下物联网系统也会逐步取代煤矿井下人员定位系统和安全 监控系统。 煤矿井下物联网系统也将成为继矿山自动化建设和矿山信息化建设之后新的里程 碑。
[参考文献] (References)
[1] [2] [3] [4] [5] [6] 孔晓波. 物联网概念和演进路线[J]. 电信工程技术与标准化,2009:12-14 高嵩,马斌,孙伟松. 物联网在特种设备检验中应用分析[J]. 现代商贸工业,2010,(3):288-289 杨震. 物联网发展研究[J]. 南京邮电大学学报,2010,(6):1-10 霍梅梅,郑增威,周晓伟. 车辆自组织网仿真研究[J]. 计算机应用研究,2010,(5):1614-1620 谢晓川,王钢,贾世楼. EDSL 技术及其应用[J]. 通信技术,2003(11):233-238 陈杰. WiFi Mesh 大都市环境下的组网性能研究[J]. 移动通信,2010 34(6):1103-1110 -5-

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[7] 陈文周. WiFi 技术研究及应用[J]. 数据通信,2008(2):157-160 [8] 雷远,熊建设,赵晓慧. 基于 WiFi 的无线传感器网络设计与研究[J]. 现代电子技术,2009(18):512-518
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