關(guān)于煤礦多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫器的設(shè)計.doc

工程師論文免費下載工程師職稱論文免費下載：關(guān)于煤礦多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫器的設(shè)計摘 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)讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)。該讀寫器應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)的感知層,能夠進(jìn)行物體識別和各類物理信號與環(huán)境參數(shù)的傳送,為煤礦應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)提供了一個很好的感知層解決方案。關(guān)鍵詞: 煤礦;物聯(lián)網(wǎng);讀寫器;射頻識別; ZigBee0引言物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)又稱傳感網(wǎng),是指將各種信息傳感設(shè)備和裝置與互聯(lián)網(wǎng)、無線專網(wǎng)結(jié)合起來形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò),物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò),其用戶端延伸和擴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)是一個比Internet更為龐大的網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中,系統(tǒng)可以自動地、實時地對物體進(jìn)行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)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(chǎn)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(lián)網(wǎng)相關(guān)的信息化政策,我國也已將物聯(lián)網(wǎng)列為重點培育和發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè),無錫物聯(lián)網(wǎng)研究所與北京郵電大學(xué)聯(lián)合成立了感知中國研究中心,中國礦業(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(lián)網(wǎng)讀寫器。1物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合已有的射頻識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件技術(shù)等,構(gòu)筑一個由大量聯(lián)網(wǎng)的閱讀器和無數(shù)移動標(biāo)簽組成的覆蓋世界上萬事萬物的網(wǎng)絡(luò)3。在這個網(wǎng)絡(luò)中,物品能夠彼此進(jìn)行交流,而無需人的干預(yù)。物聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)就是利用射頻識別技術(shù)(RFID),通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品(商品)的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。射頻識別技術(shù)是一種能夠讓物品“開口說話”的技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)中,射頻識別標(biāo)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(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)采集到中央信息系統(tǒng),實現(xiàn)物品的識別,進(jìn)而通過開放性的計算機網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和共享,從而實現(xiàn)物品的智能管理4。物聯(lián)網(wǎng)工作步驟:(1)對物體屬性進(jìn)行標(biāo)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(biāo)簽中,動態(tài)屬性需要先由傳感器實時探測;(2)需要識別設(shè)備完成對物體屬性的讀取,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,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(guān)計算。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)只是一個信息參考(指針),該信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò),傳到ONS服務(wù)器,找到該EPC對應(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。感知層包括條碼識讀器、RFID讀寫器、傳感器、攝像頭、傳感器網(wǎng)絡(luò)等,主要用于識別物體,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)專業(yè)技術(shù)的深度融合,與行業(yè)需求相結(jié)合,實現(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、感知、處理和信息傳送4個環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)分別為射頻識別、傳感器、智能芯片和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。在物聯(lián)網(wǎng)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(biāo)簽中貼在物品上,同時將這個代碼所對應(yīng)的詳細(xì)信息和屬性存儲在射頻識別信息服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)器中5。當(dāng)物品從生產(chǎn)到流通的各個環(huán)節(jié)中被識別并記錄時,通過對象名解析服務(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,進(jìn)而通過網(wǎng)絡(luò)從射頻識別信息服務(wù)器中獲得其代碼所對應(yīng)的信息和屬性,以進(jìn)行物品的識別和達(dá)到對物品自動追蹤管理的目的。物聯(lián)網(wǎng)的最終目標(biāo)是為每一個物品建立全球的、開放的標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn),它的發(fā)展不僅能夠?qū)崿F(xiàn)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(lián)網(wǎng)在煤礦中的應(yīng)用分析煤炭行業(yè)對國民經(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、機械、環(huán)境”方面的各種狀態(tài)信息,將現(xiàn)有分散、獨立、單一的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺提升為系統(tǒng)、開放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管平臺,實現(xiàn)人與機械、環(huán)境等物理系統(tǒng)的整合,物與物、人與物的互聯(lián)互動,從而保證煤礦的安全生產(chǎn),實現(xiàn)安全監(jiān)督管理中“物物互聯(lián)、智能感知、物物互動、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方面:(1)地面生產(chǎn)系統(tǒng)。實時監(jiān)控煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)中膠帶輸送機、給煤機、振動篩、水泵等礦井地面生產(chǎn)主要設(shè)施的運行情況及啟動、停止等控制。(2)提升系統(tǒng)。實時監(jiān)控礦井提升設(shè)備開停及其運行位置、提升控制系統(tǒng)、人員等情況。(3)運輸系統(tǒng)。實時監(jiān)控礦井上下運輸系統(tǒng)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(fēng)速、負(fù)壓、溫度、煙霧濃度、饋電狀態(tài)、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)窗狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)、局部通風(fēng)機開停、主要通風(fēng)機開停、工作電壓、工作電流等,實現(xiàn)甲烷超限聲光報警、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(shè)定隱患巡查路線、巡查手段方法,根據(jù)隱患的類型、嚴(yán)重性、分布區(qū)域進(jìn)行隱患統(tǒng)計,提供相應(yīng)的解決方案。(7)礦山搶險救護(hù)。一旦險情發(fā)生,可根據(jù)事故類型和地點選擇最佳線路,迅速調(diào)配搶險救護(hù)隊伍和設(shè)備。(8)道岔自動控制系統(tǒng)。通過選擇目的地,道岔自動控制系統(tǒng)自動調(diào)整道岔,待道岔完全調(diào)整完畢之后,車輛方可運行。(9)人員定位系統(tǒng)。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(nèi)正在活動的員工的ID,并通過數(shù)據(jù)傳輸單元向存儲單元保存相關(guān)信息。3多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫器設(shè)計根據(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(shù),因此,具有煤礦特色的多功能物聯(lián)網(wǎng)讀寫器應(yīng)具有無線射頻識別和無線傳感數(shù)據(jù)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(jìn)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(wǎng)絡(luò)后,其數(shù)據(jù)傳輸端口不會自動打開,需要從服務(wù)器獲取命令來打開端口;當(dāng)被動型識讀器讀取到電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)暫存在識讀器的臨時數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi),等待服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)。主動型識讀器接入網(wǎng)絡(luò)后,其數(shù)據(jù)傳輸端口將自動打開;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后處理數(shù)據(jù)即可。設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸口可自動打開,同時具有數(shù)據(jù)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(fēng)壓、溫度等,設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)來完成各種參數(shù)的傳輸功能。由傳感器采集到相應(yīng)參數(shù)后,通過傳感器本身所帶的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送各類參數(shù),由物聯(lián)網(wǎng)讀寫器的無線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行傳輸,并存儲在相應(yīng)單元中。采集到的各類參數(shù)通過讀寫器獲取后還需傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上。由于煤礦井下巷道狹窄,無線網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,采用RS485、工業(yè)以太網(wǎng)或現(xiàn)場總線等方式與物聯(lián)網(wǎng)中間件進(jìn)行通信,并通過其傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上。物聯(lián)網(wǎng)讀寫器結(jié)構(gòu)如圖2所示。微處理器選用基于ARM9內(nèi)核的S3C2440,射頻識別模塊選用RFM22,無線網(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)位芯片來保證系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性,主頻為400 MHz,最高為533 MHz;具有SDRAM內(nèi)存;具有FLASH存儲器;具有1個10 M以太網(wǎng)RJ?45接口,通過CS8900網(wǎng)絡(luò)芯片連接以太網(wǎng);具有3個串行口,其中一個通過轉(zhuǎn)換實現(xiàn)RS485功能;同時擴展了一個CAN總線模塊實現(xiàn)現(xiàn)場總線連接功能。(2)射頻識別模塊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 dBm。其主要特性:數(shù)據(jù)傳輸率為1128 kbit/s;超低能耗關(guān)機模式;喚醒無線電功能;自動頻率控制;可配置數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu);前同步信號檢測;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上,經(jīng)天線向外發(fā)送,進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)讀寫器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收該脈沖信號,RFM22中的有關(guān)電路對該信號進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密,然后對命令請求、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器中讀取有關(guān)信息,經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過RFM22內(nèi)的天線再發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)讀寫器,物聯(lián)網(wǎng)讀寫器對接收到的信號進(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;若為修改信息寫命令,控制邏輯電路提供擦寫EEPROM中的內(nèi)容進(jìn)行改寫;若密碼和權(quán)限不正確,則返回出錯信息。(3)無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee模塊CC2430采用CC2430及其相應(yīng)的傳感器電路實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的無線通信功能。CC2430包含一個增強型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)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(xiàn)節(jié)點與物聯(lián)網(wǎng)讀寫器間的數(shù)據(jù)傳送功能。4結(jié)語通過對物聯(lián)網(wǎng)在煤礦的應(yīng)用分析,介紹了一個具有煤礦特色的,能夠進(jìn)行物體識別和各類物理信號與環(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)讀寫器的設(shè)計。該讀寫器為煤礦應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)提供了一個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. Architectural Solutions for M