基于物联网的矿井安全检测系统设计.pdf

电子设计工程 Eletroni Design Engineering 第24卷 Vol24 第2期 No2 2016年1月 Jan 2016 收稿日期：2015-04-07稿件编号：201504045 基金项目：榆林市科技局科研项目（GY13-14）；陕西省教育厅项目（2013JK11151） 作者简介：李瑞华（1978），女，陕西绥德人，硕士，副教授。 研究方向：数据挖掘、物联网。 煤炭企业由于在地下作业，工作环境恶劣，工作区域狭 窄、照明差、潮湿、存在有害气体等很多不安全因素，致使煤 矿安全事故频发、伤亡严重1。 为了有效的降低煤矿事故所带 来的损失，近几年来，煤矿安全生产监控系统得到迅速发展。 虽然目前我国大多数矿井已经安装了安全监控系统，但都是 基于实时监控，数据传输大部分采用的RS485/FSK中线树架 构或者“以太网与现场总线”模式2，采用私有的通讯协议进行 信息的传输与交互，系统的数据融合主要通过上位机实现。 1传统煤矿安全监测系统分析 传统的煤矿监测系统伴随着采掘业的生产自动化与机 械化的不断推进，其生产环境和生产过程的管控模式发生重 大变化，通过对传统的煤矿安全监测系统拓朴结构如图1所 示进行分析。 主要存在如下的突出问题： 1）煤矿安全生产监测监控系统中各子系统彼此独立、自 成体系，控制系统和管理系统不能实现联动；对影响煤矿安 全的环境因素都是基于离散点的监测，覆盖面小，不够灵活， 存在着“信息孤岛”现象，信息资源难于共享。 2）不支持传感器组网、缺乏传感层面信息融合与综合分 析判定。 传统的煤矿安全监控系统的控制逻辑由分站和中心 站完成，交叉控制执行时间为系统。 基于上述分析，本文提出基于射频识别、无限传感器网 络、新型传感器等技术为一体的物联网监测系统。 2基于物联网的煤矿安全监测系统的设计 2.1基于物联网的煤矿安全监测系统架构设计 总体框架是煤矿安全监测系统的核心部分，基于物联 基于物联网的矿井安全检测系统设计 李瑞华 1，乔玉峰2，刘 峰1 （1榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林719000；2中国联通榆林分公司 陕西 榆林719000） 摘要： 为了解决目前煤矿安全监测系统存在的问题， 加强煤矿安全监测的准确性、实时性。 提出了基于物联网体系 框架的煤矿安全监测系统。该系统利用物联网感知技术对矿井下的煤矿安全生产的自然因素的指标通过无线数据通 讯的数据感知和采集， 实现矿井安全监控系统架构， 重点研究了矿井监测系统的物联网架构、各无线节点接入技术 的设计， 从而提高煤矿安全监测的实时性和准确性。 关键词： 物联网技术； 无限传感网络； 汇聚节点；ZigBee 中图分类号：TN711文献标识码：A文章编号： 1674-6236（2016）02-0135-02 Design of coal mine safety monitoring system based on the internet of things LI Rui-ua1，QIAO Yu-feng2，LIU Feng1 （1. Scholl of Information Engineering，YulinUniversity，Yulin 719000，China； 2. Yulin Branch of China Unicom，Yulin 719000，China） Abstract: In order to solve te existing probles of oal ine safety onitoring syste，enane te auray and te real- tie onitoring of oal ine safety Te network of oal ine safety onitoring syste based on te fraework of te atter is be put forward Te syste akes use of te Internet of tings sensing tenology of te ine safety prodution of te oal ine natural fator troug te wireless data ouniation data sensing and aquisition，oal ine safety onitoring syste ariteture，te design fouses on te ariteture of Internet of tings is te ine onitoring syste，te wireless nodes aess tenology，so as to iprove te real-tie perforane and auray of oal ine safety onitoring Key words: internet of tings；wireless sensor network；sink node；ZigBee 图1传统的煤矿安全监测系统拓扑结构图 Fig 1Struture of oal ine safety onitoring syste of te traditional -135- 电子设计工程2016年第2期 网的煤矿安全监测系统框架系体系如图2所示，整个框架表 示数据获取、数据传输、数据存储、数据处理、决策分析到信 息发布的流程。 1）传感层功能：完成数据采集，采用RFID电子标签、各 种传感器、视频摄像头、二维码等对矿井采掘过程中的自然 环境的各种影响因素如：温度、湿度、CO、甲烷、矿压、顶板压 力、粉尘、水位、电磁干扰、通风等进行实时采集。 2）传输层功能：实现数据传输，本架构采用有线和无线 混合组网的模式， 传感层的有线网接口只要与骨干网络、核 心节点、关键节点之间的信息传输；无限网接口主要实现传 感设备、空间有线无法实现场所间的信息传输，是对有限网 络的必要补充。 3）持久层功能：实现数据的存储，通过虚拟技术整合现 有的计算、存储、网络资源进行数据的分析计算、数据存储。 4）应用层功能：系统的监测、控制、预警功能，利用持久 层的数据分析、计算实时提供矿井的安全指标状态。 2.2基于物联网的煤矿监测系统设计 煤矿物联网安全监测系统关键技术主要有3：一是传感 曾的无线数据采集与感知；二是网络传输层远程智能化控制 对采集到的数据，并进行数据分析、安全预警。 2.2.1系统硬件设计 传感与控制模块设计：数据采集与感知，主要通过温度、 湿度、甲烷、CO、通分、顶板压力等传感器实时感知获取的数 据传送到ZigBee协调节点。 无限节点模块设计：系统中各分层节点中通信模块软件 设计包括ZigBee网络通信和串口通信两部分4，其中ZigBee 扩展协议主要针对低成本、低功耗的射频应用部分的网管协调。 电源板：主要对无限节点与传感控制等模块连接，并实 现系统供电。 矿井物联网监控系统的硬件设计如图3所示，其中MUC 为主控系统，电池模块实现系统的供电与连接，传感器主要 实现监测点的感知数据的采集与获取，数据通过ZigBee网络 进行上下双向传送，PC实现持久层存储的远程数据分析，从 而实现远程控制、安全预警。 2.2.2系统软件设计 该系统的软件设计主要包括：汇聚节点通讯模块设计如 图4所示，汇聚节点属于网络管理者负责构建网络分配通信 地址完成ZigBee组网的角色，在组网过程中需要处理PanID 冲突和信道冲突完成组网的功能5。 ZigBee传感器、路由通讯程序设计如图5所示ZigBee网络 通信的软件设计用于驱动CC2530硬件组建网络，协调器设 备（汇聚设备节点）分配给组网内部目标设备通信地址，路由 设备路由附近传感器节点到协调器实现数据链路，传感器加 入ZigBee网络通过无线网络通信传输采集数据6。 图3基于物联网的煤矿安全监测系统硬件设计 Fig 3Te ardware design of oal ine safety onitoring syste based on Internet of tings 图5路由和传感器通信模块软件设计 Fig 5Tedesign of Software aboutrouting and sensor ouniation odule 图4汇聚节点通讯模块设计流程 Fig 4Te design of sink node ouniation odule 图2基于物联网的煤矿安全监测系统体系架构图 Fig 2Blok diagra of oal ine safety onitoring syste based on te Internet of tings tenology （下转第139页） -136- 3结束语 基于物联网的煤矿安全监测系统研究旨在矿井的生产 过程中提高矿井的自动化、智能化，从而实现矿井生产的安 全监测、行业的远程监控、故障专家系统的识别、诊断与分 析，实现安全预警。 参考文献: 1张雪平，杨兴全基于物联网的煤矿安全监测系统研究J 电子测试，2014（22）:40-43 2许金基于物联网的煤矿安全监控系统体系架构研究J 工矿自动化，2013，39（12）:97-100 3 QI Qing-ong Strategi tinking of te internet of tings and M2M SeviesJ International Journal of Online Engineering， 2013（993）:77-81 4韩伟聪，俞新武，李忠成基于CC2530及ZigBee协议栈设计 无限网络传感器节点J计算机应用，2011，20（7）:184-187 5马小平，胡延军，缪燕子物联网、大数据及云计算技术在煤 矿安全生产中的应用研究J工矿自动化，2014，40（4）:5-9 6齐立磊， 王超基于ZigBee的矿井无限传感器网络检测系 统设计J煤矿机械，2013，34（9）:252-254 4.4系统软件开发环境 该系统的开发分为两个部分， 服务器端， 采用windows server 2003作为服务器端操作系统，以SQL Server 2008作为 数据库管理系统；语言开发方面则以VS2010作为开发工具， 以ASP作为开发语言，软件所有体系采用net体系，以此增 强系统的耦合性。 硬件方面则为酷睿i5及其以上，内存为2 G， 双核，硬盘大小为500 G及其以上。 在客户端方面，为XP及 其以上的系统即可访问，并且IE版本在70以上。 4.5系统访问实现 在用户对页面进行访问的时候， 通过嵌入脚本式的语 言，从而实现对应用服务器的访问，而服务器则直接通过其 逻辑处理的能力，将用户的请求分配给相应的应用程序，ASP 则通过数据层中的JDBC接口，实现对数据库的访问。而其关 键的脚本语言代码则为： 通过开发工具，其主要的登陆界面则如图4所示。 通过在医院应用该系统，提升医院项目信息管理效率，可 以达到206%，同时，也可以缩短医院建设工程10%的工期 时间，较传统医院信息管理发挥应用价值。 同时，在系统设计 实现中，考虑到该系统维护很可能为一些非专业的计算机人 员，因此在开发的初期，则需要采用比较容易维护的方式，以 此方便医院管理人员对该系统进行数据的更新和维护。 5结束语 针对当前计算机技术的不断革新， 也使得信息化成为当前 主流的发展趋势，故此需要逐步改变着传统的管理方式，可以应 用现代化信息技术， 构建实现在信息化技术条件下的项目统一 管理。 本文以现代企业管理作为主线，通过以医院下属的全资建 设工程子公司为例， 构架了可专门应用与医院的建设项目的信 息管理系统，从而实现了对医院信息化的信息化的补充。 参考文献： 1李艳丽构建基于ASP与ADO的Web数据库动态连接J 硅谷，2008（17）:39-40 2李倩，王艳玲社区医院管理系统的研究与实现J计算 机光盘软件与应用，2014（21）:31-32 3胡方禄基于医院信息化现状的发展趋势分析研究J数 字化用户，2013（7）:59 4刘长生，胡波，施伟，等软件和管理相结合堵塞医院私收 费J电脑编程技巧与维护，2014（2）:24-26 5变异DDOS攻击方式的攻击防范探析J计算机与网络， 2012（23）:46-48 6王芸基于MDA的医院管理系统的研究与设计J计算机 时代，2011（1）:25-27 7葛长青，宁荣丽，张曦，等医院质量安全管理考核软件开发 的可行性与安全性J计算机光盘软件与应用，2013（17）: 263-263，265 8卢成均基于ASPNET技术的学生评教系统的开发J重 庆师范大学学报：自然科学版，2005（4）:29-32 图4系统主界面登陆系统 Fig 4Syste ain interfae login syste （上接第136页） ! 申文彬医院信息管理系统设计与实现 -139- 基于物联网的矿井安全检测系统设计基于物联网的矿井