關于煤礦多功能物聯網讀寫器的設計.doc

工程師論文免費下載工程師職稱論文免費下載：關于煤礦多功能物聯網讀寫器的設計摘 要: 介紹了物聯網的概念和結構組成,分析了物聯網在煤礦中的具體應用,詳細介紹了一種具有煤礦特色的多功能物聯網讀寫器的設計與實現。該讀寫器應用在物聯網的感知層,能夠進行物體識別和各類物理信號與環(huán)境參數的傳送,為煤礦應用物聯網提供了一個很好的感知層解決方案。關鍵詞: 煤礦;物聯網;讀寫器;射頻識別; ZigBee0引言物聯網(Internet of Things)又稱傳感網,是指將各種信息傳感設備和裝置與互聯網、無線專網結合起來形成的一個巨大網絡,物聯網是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡,其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間進行信息交換和通信1。物聯網是一個比Internet更為龐大的網絡。在這個網絡中,系統可以自動地、實時地對物體進行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應事件。物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業(yè)的第三次浪潮2。其無處不在,無所不能,被稱為下一個萬億元級的產業(yè)和邁向信息社會的發(fā)動機。目前世界各國都相繼出臺了與物聯網相關的信息化政策,我國也已將物聯網列為重點培育和發(fā)展的新興產業(yè),無錫物聯網研究所與北京郵電大學聯合成立了感知中國研究中心,中國礦業(yè)大學也成立了感知煤炭研究所。本文結合物聯網在煤礦的應用情況,設計了一種能夠感知煤礦“人員、機械、環(huán)境”安全狀態(tài)信息的多功能物聯網讀寫器。1物聯網結構物聯網是在計算機互聯網的基礎上,結合已有的射頻識別技術、網絡技術、數據庫技術、中間件技術等,構筑一個由大量聯網的閱讀器和無數移動標簽組成的覆蓋世界上萬事萬物的網絡3。在這個網絡中,物品能夠彼此進行交流,而無需人的干預。物聯網實質就是利用射頻識別技術(RFID),通過計算機互聯網實現物品(商品)的自動識別和信息的互聯與共享。射頻識別技術是一種能夠讓物品“開口說話”的技術。在物聯網中,射頻識別標簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息,這些信息由無線數據通信網絡采集到中央信息系統,實現物品的識別,進而通過開放性的計算機網絡進行信息交換和共享,從而實現物品的智能管理4。物聯網工作步驟:(1)對物體屬性進行標識,物體屬性包括靜態(tài)和動態(tài)屬性,靜態(tài)屬性可以直接存儲在標簽中,動態(tài)屬性需要先由傳感器實時探測;(2)需要識別設備完成對物體屬性的讀取,并將信息轉換為適合網絡傳輸的數據格式;(3)將物體的信息通過網絡傳輸到信息處理中心(處理中心可能是分布式的,如家里的電腦或者手機,也可能是集中式的,如中國移動的IDC),由處理中心完成物體通信的相關計算。在由EOC標簽、解讀器、Savant服務器、Internet、ONS服務器、PML服務器以及眾多數據庫組成的物聯網中,解讀器讀出的EPC(ElectronicProduct Code,電子產品代碼)只是一個信息參考(指針),該信息經過網絡,傳到ONS服務器,找到該EPC對應的IP地址并獲取該地址中存放的相關的物品信息。采用分布式Savant軟件系統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到一個保存著產品文件的PML服務器查找,該文件可由Savant復制,因而文件中的產品信息就能傳到供應鏈上。物聯網分為感知層、網絡層和應用層3層,如圖1所示。感知層包括條碼識讀器、RFID讀寫器、傳感器、攝像頭、傳感器網絡等,主要用于識別物體,采集信息;網絡層包括通信與互聯網的融合網絡、網絡管理中心等,主要用于傳遞和處理感知層獲取的信息;應用層是物聯網與各行各業(yè)專業(yè)技術的深度融合,與行業(yè)需求相結合,實現行業(yè)的智能化管理。物聯網產業(yè)鏈可以分為標識、感知、處理和信息傳送4個環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)的關鍵技術分別為射頻識別、傳感器、智能芯片和無線傳輸網絡。在物聯網中,每一個物品都被賦予一個獨一無二的代碼,將這個代碼存儲在電子標簽中貼在物品上,同時將這個代碼所對應的詳細信息和屬性存儲在射頻識別信息服務系統的服務器中5。當物品從生產到流通的各個環(huán)節(jié)中被識別并記錄時,通過對象名解析服務可獲得物品所屬信息服務系統的統一資源標識,進而通過網絡從射頻識別信息服務器中獲得其代碼所對應的信息和屬性,以進行物品的識別和達到對物品自動追蹤管理的目的。物聯網的最終目標是為每一個物品建立全球的、開放的標識標準,它的發(fā)展不僅能夠實現對物品的實時跟蹤,而且能夠提高工作效率和信息化管理水平。2物聯網在煤礦中的應用分析煤炭行業(yè)對國民經濟具有重要的支撐作用,其安全生產尤為重要。物聯網為煤礦安全監(jiān)督管理引入了新的理念、新的技術和新的方法。把感應器嵌入到煤礦安全監(jiān)控系統中,感知煤礦“人員、機械、環(huán)境”方面的各種狀態(tài)信息,將現有分散、獨立、單一的網絡監(jiān)管平臺提升為系統、開放、多元的綜合網絡監(jiān)管平臺,實現人與機械、環(huán)境等物理系統的整合,物與物、人與物的互聯互動,從而保證煤礦的安全生產,實現安全監(jiān)督管理中“物物互聯、智能感知、物物互動、智慧處置”的設想。物聯網在煤礦中的具體應用主要包括以下幾個方面:(1)地面生產系統。實時監(jiān)控煤礦地面生產系統中膠帶輸送機、給煤機、振動篩、水泵等礦井地面生產主要設施的運行情況及啟動、停止等控制。(2)提升系統。實時監(jiān)控礦井提升設備開停及其運行位置、提升控制系統、人員等情況。(3)運輸系統。實時監(jiān)控礦井上下運輸系統軌道、車輛、蓄電池、充電裝置等工作情況。(4)礦井安全監(jiān)控。監(jiān)測井下甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、風速、負壓、溫度、煙霧濃度、饋電狀態(tài)、風門狀態(tài)、風窗狀態(tài)、風筒狀態(tài)、局部通風機開停、主要通風機開停、工作電壓、工作電流等,實現甲烷超限聲光報警、斷電和甲烷風電閉鎖控制等。(5)礦井巷道延伸跟蹤。根據采掘進尺數據生成最新采掘圖,將采掘現狀的剖面圖與煤層分布圖疊加顯示對比分析,判斷是否有越層越界情況或趨勢。如有越層越界情況發(fā)生對所在企業(yè)發(fā)出越層越界警告7。(6)礦井安全隱患監(jiān)察。在巷道分布圖上設定隱患巡查路線、巡查手段方法,根據隱患的類型、嚴重性、分布區(qū)域進行隱患統計,提供相應的解決方案。(7)礦山搶險救護。一旦險情發(fā)生,可根據事故類型和地點選擇最佳線路,迅速調配搶險救護隊伍和設備。(8)道岔自動控制系統。通過選擇目的地,道岔自動控制系統自動調整道岔,待道岔完全調整完畢之后,車輛方可運行。(9)人員定位系統。將礦井分割成若干區(qū)域,在每個區(qū)域都安裝ID掃描傳感器,用來掃描該區(qū)域內正在活動的員工的ID,并通過數據傳輸單元向存儲單元保存相關信息。3多功能物聯網讀寫器設計根據上面的介紹可知,煤礦環(huán)境使用的物聯網讀寫器一方面要能夠識別人或物體,另一方面需采集一些物理信號和環(huán)境參數,因此,具有煤礦特色的多功能物聯網讀寫器應具有無線射頻識別和無線傳感數據傳送功能。無線射頻識別功能主要完成對人或物體的識別,它主要是對不同節(jié)點處的人或物體上的EPC信號進行識別。條碼識讀器分成被動型識讀器和主動型識讀器2類。被動型識讀器接入網絡后,其數據傳輸端口不會自動打開,需要從服務器獲取命令來打開端口;當被動型識讀器讀取到電子標簽數據后,將數據暫存在識讀器的臨時數據區(qū)內,等待服務器讀取數據。主動型識讀器接入網絡后,其數據傳輸端口將自動打開;當讀取到電子標簽數據后,以消息的形式向服務器傳送數據,服務器只需等待消息到來后處理數據即可。設計的物聯網讀寫器的數據傳輸口可自動打開,同時具有數據存儲功能。由于煤礦井下工作環(huán)境特殊,有大量的傳感器檢測各類信號,如瓦斯?jié)舛?、風壓、溫度等,設計的物聯網讀寫器需要考慮這些信號的傳輸和閱讀,因此,選用無線傳感器網絡來完成各種參數的傳輸功能。由傳感器采集到相應參數后,通過傳感器本身所帶的無線傳感器網絡發(fā)送各類參數,由物聯網讀寫器的無線網絡模塊進行傳輸,并存儲在相應單元中。采集到的各類參數通過讀寫器獲取后還需傳輸到互聯網上。由于煤礦井下巷道狹窄,無線網絡無法實現遠距離傳輸,采用RS485、工業(yè)以太網或現場總線等方式與物聯網中間件進行通信,并通過其傳輸到互聯網上。物聯網讀寫器結構如圖2所示。微處理器選用基于ARM9內核的S3C2440,射頻識別模塊選用RFM22,無線網絡ZigBee模塊選用CC2430。(1)微處理器S3C2440S3C2440采用CPU內核電源芯片和復位芯片來保證系統運行時的穩(wěn)定性,主頻為400 MHz,最高為533 MHz;具有SDRAM內存;具有FLASH存儲器;具有1個10 M以太網RJ?45接口,通過CS8900網絡芯片連接以太網;具有3個串行口,其中一個通過轉換實現RS485功能;同時擴展了一個CAN總線模塊實現現場總線連接功能。(2)射頻識別模塊RFM22RFM22是一款先進的低成本射頻收發(fā)模塊,可提供240930 MHz的頻率,并且擁有可調的輸出功率,最大能達+20 dBm。其主要特性:數據傳輸率為1128 kbit/s;超低能耗關機模式;喚醒無線電功能;自動頻率控制;可配置數據包結構;前同步信號檢測;64 B收發(fā)數據寄存器;溫度感應和8位模數轉換器;跳頻功能;FSK、GFSK和OOK調制模式。物聯網讀寫器將要發(fā)送的信息經編碼后加載在某一頻率的載波信號上,經天線向外發(fā)送,進入物聯網讀寫器工作區(qū)域的電子標簽接收該脈沖信號,RFM22中的有關電路對該信號進行調制、解碼、解密,然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷6。若為讀命令,控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息,經加密、編碼、調制后通過RFM22內的天線再發(fā)送給物聯網讀寫器,物聯網讀寫器對接收到的信號進行解調、解碼、解密后送至中央信息系統進行有關數據處理;若為修改信息寫命令,控制邏輯電路提供擦寫EEPROM中的內容進行改寫;若密碼和權限不正確,則返回出錯信息。(3)無線網絡ZigBee模塊CC2430采用CC2430及其相應的傳感器電路實現物聯網數據采集的無線通信功能。CC2430包含一個增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內核,運行時鐘為32 MHz。CC2430中的無線收發(fā)模塊的核心部分是CC2420射頻收發(fā)器,通過該模塊實現節(jié)點與物聯網讀寫器間的數據傳送功能。4結語通過對物聯網在煤礦的應用分析,介紹了一個具有煤礦特色的,能夠進行物體識別和各類物理信號與環(huán)境參數傳送的,應用在物聯網感知層的多功能物聯網讀寫器的設計。該讀寫器為煤礦應用物聯網提供了一個很好的感知層解決方案。參考文獻: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. Architectural Solutions for M