关于煤矿多功能物联网读写器的设计

工程师论文免费下载工程师职称论文免费下载：关于煤矿多功能物联网读写器的设计摘 要: 介绍了物联网的概念和结构组成,分析了物联网在煤矿中的具体应用,详细介绍了一种具有煤矿特色的多功能物联网读写器的设计与实现。该读写器应用在物联网的感知层,能够进行物体识别和各类物理信号与环境参数的传送,为煤矿应用物联网提供了一个很好的感知层解决方案。关键词: 煤矿;物联网;读写器;射频识别; ZigBee0引言物联网(Internet of Things)又称传感网,是指将各种信息传感设备和装置与互联网、无线专网结合起来形成的一个巨大网络,物联网是在互联网基础上延伸和扩展的网络,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间进行信息交换和通信1。物联网是一个比Internet更为庞大的网络。在这个网络中,系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮2。其无处不在,无所不能,被称为下一个万亿元级的产业和迈向信息社会的发动机。目前世界各国都相继出台了与物联网相关的信息化政策,我国也已将物联网列为重点培育和发展的新兴产业,无锡物联网研究所与北京邮电大学联合成立了感知中国研究中心,中国矿业大学也成立了感知煤炭研究所。本文结合物联网在煤矿的应用情况,设计了一种能够感知煤矿“人员、机械、环境”安全状态信息的多功能物联网读写器。1物联网结构物联网是在计算机互联网的基础上,结合已有的射频识别技术、网络技术、数据库技术、中间件技术等,构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动标签组成的覆盖世界上万事万物的网络3。在这个网络中,物品能够彼此进行交流,而无需人的干预。物联网实质就是利用射频识别技术(RFID),通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。射频识别技术是一种能够让物品“开口说话”的技术。在物联网中,射频识别标签中存储着规范而具有互用性的信息,这些信息由无线数据通信网络采集到中央信息系统,实现物品的识别,进而通过开放性的计算机网络进行信息交换和共享,从而实现物品的智能管理4。物联网工作步骤:(1)对物体属性进行标识,物体属性包括静态和动态属性,静态属性可以直接存储在标签中,动态属性需要先由传感器实时探测;(2)需要识别设备完成对物体属性的读取,并将信息转换为适合网络传输的数据格式;(3)将物体的信息通过网络传输到信息处理中心(处理中心可能是分布式的,如家里的电脑或者手机,也可能是集中式的,如中国移动的IDC),由处理中心完成物体通信的相关计算。在由EOC标签、解读器、Savant服务器、Internet、ONS服务器、PML服务器以及众多数据库组成的物联网中,解读器读出的EPC(ElectronicProduct Code,电子产品代码)只是一个信息参考(指针),该信息经过网络,传到ONS服务器,找到该EPC对应的IP地址并获取该地址中存放的相关的物品信息。采用分布式Savant软件系统处理和管理由解读器读取的一连串EPC信息,Savant将EPC传给ONS,ONS指示Savant到一个保存着产品文件的PML服务器查找,该文件可由Savant复制,因而文件中的产品信息就能传到供应链上。物联网分为感知层、网络层和应用层3层,如图1所示。感知层包括条码识读器、RFID读写器、传感器、摄像头、传感器网络等,主要用于识别物体,采集信息;网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心等,主要用于传递和处理感知层获取的信息;应用层是物联网与各行各业专业技术的深度融合,与行业需求相结合,实现行业的智能化管理。物联网产业链可以分为标识、感知、处理和信息传送4个环节,每个环节的关键技术分别为射频识别、传感器、智能芯片和无线传输网络。在物联网中,每一个物品都被赋予一个独一无二的代码,将这个代码存储在电子标签中贴在物品上,同时将这个代码所对应的详细信息和属性存储在射频识别信息服务系统的服务器中5。当物品从生产到流通的各个环节中被识别并记录时,通过对象名解析服务可获得物品所属信息服务系统的统一资源标识,进而通过网络从射频识别信息服务器中获得其代码所对应的信息和属性,以进行物品的识别和达到对物品自动追踪管理的目的。物联网的最终目标是为每一个物品建立全球的、开放的标识标准,它的发展不仅能够实现对物品的实时跟踪,而且能够提高工作效率和信息化管理水平。2物联网在煤矿中的应用分析煤炭行业对国民经济具有重要的支撑作用,其安全生产尤为重要。物联网为煤矿安全监督管理引入了新的理念、新的技术和新的方法。把感应器嵌入到煤矿安全监控系统中,感知煤矿“人员、机械、环境”方面的各种状态信息,将现有分散、独立、单一的网络监管平台提升为系统、开放、多元的综合网络监管平台,实现人与机械、环境等物理系统的整合,物与物、人与物的互联互动,从而保证煤矿的安全生产,实现安全监督管理中“物物互联、智能感知、物物互动、智慧处置”的设想。物联网在煤矿中的具体应用主要包括以下几个方面:(1)地面生产系统。实时监控煤矿地面生产系统中胶带输送机、给煤机、振动筛、水泵等矿井地面生产主要设施的运行情况及启动、停止等控制。(2)提升系统。实时监控矿井提升设备开停及其运行位置、提升控制系统、人员等情况。(3)运输系统。实时监控矿井上下运输系统轨道、车辆、蓄电池、充电装置等工作情况。(4)矿井安全监控。监测井下甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、风速、负压、温度、烟雾浓度、馈电状态、风门状态、风窗状态、风筒状态、局部通风机开停、主要通风机开停、工作电压、工作电流等,实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。(5)矿井巷道延伸跟踪。根据采掘进尺数据生成最新采掘图,将采掘现状的剖面图与煤层分布图叠加显示对比分析,判断是否有越层越界情况或趋势。如有越层越界情况发生对所在企业发出越层越界警告7。(6)矿井安全隐患监察。在巷道分布图上设定隐患巡查路线、巡查手段方法,根据隐患的类型、严重性、分布区域进行隐患统计,提供相应的解决方案。(7)矿山抢险救护。一旦险情发生,可根据事故类型和地点选择最佳线路,迅速调配抢险救护队伍和设备。(8)道岔自动控制系统。通过选择目的地,道岔自动控制系统自动调整道岔,待道岔完全调整完毕之后,车辆方可运行。(9)人员定位系统。将矿井分割成若干区域,在每个区域都安装ID扫描传感器,用来扫描该区域内正在活动的员工的ID,并通过数据传输单元向存储单元保存相关信息。3多功能物联网读写器设计根据上面的介绍可知,煤矿环境使用的物联网读写器一方面要能够识别人或物体,另一方面需采集一些物理信号和环境参数,因此,具有煤矿特色的多功能物联网读写器应具有无线射频识别和无线传感数据传送功能。无线射频识别功能主要完成对人或物体的识别,它主要是对不同节点处的人或物体上的EPC信号进行识别。条码识读器分成被动型识读器和主动型识读器2类。被动型识读器接入网络后,其数据传输端口不会自动打开,需要从服务器获取命令来打开端口;当被动型识读器读取到电子标签数据后,将数据暂存在识读器的临时数据区内,等待服务器读取数据。主动型识读器接入网络后,其数据传输端口将自动打开;当读取到电子标签数据后,以消息的形式向服务器传送数据,服务器只需等待消息到来后处理数据即可。设计的物联网读写器的数据传输口可自动打开,同时具有数据存储功能。由于煤矿井下工作环境特殊,有大量的传感器检测各类信号,如瓦斯浓度、风压、温度等,设计的物联网读写器需要考虑这些信号的传输和阅读,因此,选用无线传感器网络来完成各种参数的传输功能。由传感器采集到相应参数后,通过传感器本身所带的无线传感器网络发送各类参数,由物联网读写器的无线网络模块进行传输,并存储在相应单元中。采集到的各类参数通过读写器获取后还需传输到互联网上。由于煤矿井下巷道狭窄,无线网络无法实现远距离传输,采用RS485、工业以太网或现场总线等方式与物联网中间件进行通信,并通过其传输到互联网上。物联网读写器结构如图2所示。微处理器选用基于ARM9内核的S3C2440,射频识别模块选用RFM22,无线网络ZigBee模块选用CC2430。(1)微处理器S3C2440S3C2440采用CPU内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性,主频为400 MHz,最高为533 MHz;具有SDRAM内存;具有FLASH存储器;具有1个10 M以太网RJ?45接口,通过CS8900网络芯片连接以太网;具有3个串行口,其中一个通过转换实现RS485功能;同时扩展了一个CAN总线模块实现现场总线连接功能。(2)射频识别模块RFM22RFM22是一款先进的低成本射频收发模块,可提供240930 MHz的频率,并且拥有可调的输出功率,最大能达+20 dBm。其主要特性:数据传输率为1128 kbit/s;超低能耗关机模式;唤醒无线电功能;自动频率控制;可配置数据包结构;前同步信号检测;64 B收发数据寄存器;温度感应和8位模数转换器;跳频功能;FSK、GFSK和OOK调制模式。物联网读写器将要发送的信息经编码后加载在某一频率的载波信号上,经天线向外发送,进入物联网读写器工作区域的电子标签接收该脉冲信号,RFM22中的有关电路对该信号进行调制、解码、解密,然后对命令请求、密码、权限等进行判断6。若为读命令,控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息,经加密、编码、调制后通过RFM22内的天线再发送给物联网读写器,物联网读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理;若为修改信息写命令,控制逻辑电路提供擦写EEPROM中的内容进行改写;若密码和权限不正确,则返回出错信息。(3)无线网络ZigBee模块CC2430采用CC2430及其相应的传感器电路实现物联网数据采集的无线通信功能。CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核,运行时钟为32 MHz。CC2430中的无线收发模块的核心部分是CC2420射频收发器,通过该模块实现节点与物联网读写器间的数据传送功能。4结语通过对物联网在煤矿的应用分析,介绍了一个具有煤矿特色的,能够进行物体识别和各类物理信号与环境参数传送的,应用在物联网感知层的多功能物联网读写器的设计。该读写器为煤矿应用物联网提供了一个很好的感知层解决方案。参考文献: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 MobileRFID Services for the Internet of Thi