11届师兄师姐王家杰版

1、TP393.05分类号密级公 开重庆邮电大学 基于矿井安全RFID 系统的汇聚节点设计与实现题目The Design and Implemenion of英文题目RFID System Based on Mine SafetyAggregation王 家 杰教授指导教师通信与信息系统学科专业提交日期 2014 年 5 月 答辩日期2014 年 5 月评阅人学院盲审员 中国电子科技公司第26代少升教授重庆邮电大学答辩2014 年 5 月 23 日独 创 性是本人在导师指导下进行的本人所呈交的工作及取得的成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，中不包含其他人已经或撰写过的成果，也不包含

2、为获得 重庆邮电大学 或其他教育机构的学位或而使用过的材料。与我一同工作的对本做的任何贡献均已在中作了明确的说明并表示谢意。作者签名：签字日期：年 月日使用书本作者完全了解重庆邮电大学有关保留、使用的规定，保留并向国家有关部门或机构送交的复印件和磁盘，允许被查阅和借阅。本人重庆邮电大学可以将的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等保存、汇编。(的在后适用本书)作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要煤炭在我国生产生活中有着重要的地位，但我国煤矿安全事故却亟待解决。为确保煤矿安全生产作业，国家多个部门先后出台文件，明确要求煤矿必须建成安全避险“六大系统”

3、，这给煤矿安全系统设备带来了巨大的市场前景。现今，我国各煤矿虽已安装煤矿设备，但在实际应用中无法实现矿井安全监测的，存在监测量单一、实时性差、系统单独运行、数据无法共享和融合性较差、监测设备性能较差、测量误差较大等问题。针对目前煤矿系统的弊端，本把声表面波射频技术（SAW和处理，集中管理”的设计RFID）应，实现通过对用到煤矿安全煤矿安全生产系统中，通过“分散的全方位、多角度、智能化、高融合的。本煤矿系统整体结构进行，分析了汇聚节点在煤矿系统中的作用，结合系统的实际需求，确定了汇聚节点的设计方案。本文的重点是煤矿系统汇聚节点的设计与实现。通过对比分析确定以S3C6410 为的硬件，以 SAW

4、RFID 技术、CAN 总线和以太网技术组成的混合组网方案，重点围绕 S3C6410 对储存器模块、CAN 模块、RS485 模块和以太网模块等硬件电路进行分析和设计，并对电源模块和底板通信模块的 PCB 设计进行和分析。根据硬件，本对Linux操作系统进行定制和移植分析，对汇聚节点中 CAN 总线和以太网通信的实现进行设计分析，本通过对数据类型、数据格式和数据存取方式进行分析，详细阐述了数据库的设计、操作系统搭建、和实现方法。在完成汇聚节点的软硬件设计基础上，对硬件数据库搭建和 CAN 总线通信进试，并对汇聚节点的稳定性和功能的实现进行测试和分析。最后，表明：本文设计的汇聚节点能够稳定、正确

5、地处理数据，各个功能模块能够正常运行，实现了最初的设计目标。：煤矿系统、汇聚节点、S3C6410、CAN 总线、AbstractCoal plays an important role in Chinas production and lives, but the ie of Chinas coalmine accidents has to be solved quickly. In order to effectively protect the safety of theproduction operations, A number ofs has been ied by the Se D

6、epartment,which demanded to must built the mines safe six systems and brought huge marketprospects for mine safety monitoring system equipment. Although monitoring equipmenthas been installed in each of coal mine, bus had many serious problems in practicelike unable to realize the full coverage of m

7、ine, monitoring the singleand thepoorer real time performance, runing separay and the lower dataegration, the poorerperformance and the larger measurement error and othroblems.For the drawbacks of the current mine monitoring system, coal mine safety monitoringimprovement measures based on surface ac

8、oustic wave radio frequency technology hasput forwardhis pr. The design philosophy of decentralized collectting andprosing, centralized managemens been used. It is a goalt builds an achieving anall-round, multi-angle,elligent, highegration of coal mine safety monitoringplatform.he light of studying

9、the overall structure of the mine monitoring system, therole of sink node has beenyzedhe coal mine monitoring system. According to theactual environment of the system, the design of the sink node has been determined.his thesis, the design and implemenion of sink node is focusedhis pr. Thehardware pl

10、atform choiS3C6410 as core prosor, the mine safety monitoring ofhybrid network consists of SAW RFID, CAN bus and Ethernet. Memory modules, CANmodule, RS485 and Ethernet modulee been designed andyzededly on theand backplanebasis of S3C6410 chip. The design Core circuit,er modulecommunications module

11、of PCB modulese been researchedandyzedimportany. According to the hardware platform, embedded Linux operating system hasbeen customized migrated, the design and realizatione beenyzed whichcommunicates Ethernet with CAN BUS in sink node. On the basis of the daype andthe data storage format, the data

12、acs mode, the design idea and realization method ofthedatabase has been expounded. To complete the design of hardware andsoftware, we are testing hardware platform, operating system, database, CAN BUScommunication and the stability and functions of sink node. Finally, the test results showt the sink

13、 node has been able to pros data stabilized and correctly, eaodule hasbeen able to operate normally, the goal of original design has been realized.Keywords: Mine Safety Monitoring System, Sink Node, S3C6410, CAN BUS,目 录摘要IAbstractIII插图表格. IX. XI缩略语XIII第一章 绪论11.11.2背景与意义1现状与发展趋势.2课题煤矿安全系统现状2煤矿系统发展趋势2

14、1.31.4第二章2.4内容3章节安排4煤矿安全使用煤矿系统分析5系统的必要性5现有煤矿煤矿 .22.4.3系统的弊端分析6系统设计分析7系统整体构架9煤矿系统结构9系统汇聚节点的应用11系统通信方式分析122.5第三章3.1本章小结15基于SAW RFID 煤矿系统汇聚节点设计17汇聚节点设计需求分析17汇聚节点作用分析17汇聚节点设计要求分析18汇聚节点设计方案.3汇聚节点整体构架19处理器选型分析20操作系统分析223.3汇聚节点数据分析23RS485 通信数据格式24CAN 总线通信数据格式25汇聚节点相关技术分析26CAN 总线技术263.4.2 RS485/232 总线技术273.

15、4.3 以太网传输协议选择283.4.4数据库选型293.5 本章小结30第四章 汇聚节点的硬件设计与分析314.14.2硬件电路总体设计31模块电路设计与分析3.4器32时钟电路34调试与测试电路35配置和复位电路364.3数据通信模块设计与分析37CAN 总线通信模块37RS485 总线通信模块38以太网通信模块384.4 SD 卡模块394.5 电源电路设计与分析404.5.1电源电路404.5.2 底板电源电路41PCB 设计分析42本章小结43第五章 汇聚节点软件设计与分析455.15.2Linux 开发流程45Linux 系统设计47交叉开发环境的搭建47Linux 系统定制与移植

16、48设计与分析49数据库搭建49数据库设计49应用程序设计5.35.3.4 SD 卡数据读写分析54数据处理设计分析555.4CAN 总线通信分析55以太网通信分析58数据处理分析59本章小结59第六章 汇聚节点测试与验证616.1 硬件测试616.2软件环境测试626.2.1 测试的搭建62系统移植测试63CAN 总线测试646.2.4数据库检测656.36.4性能测试67本章小结67第七章 总结与展望697.1 全文总结697.2 展望69致谢71参考文献73附录A 攻读学位期间成果77附录B 硬件设计原理图和PCB 板卡79附录C 关键代码83插图第二章图 2.1 20052012 年煤

17、矿事故统计5图 2.2图 2.3图 2.4图 2.5图 2.6图 2.7某煤矿三维视图6煤矿系统分层结构8煤矿安全系统框架10汇聚节点网络目标11常用煤矿监测设备12煤矿系统通信方式13图 2.8 RFID 系统结构14第三章图 3.1 煤矿系统框图17图 3.2第四章汇聚节点总体构架19图 4.1 煤矿安全系统硬件框图31图 4.2 SDRAM 与S3C6410 连接原理图33图 4.3 NAND 与S3C6410 连接原理图34图 4.4 JTAG 原理图35图 4.5 CAN 总线原理图37图 4.6 MAX485 电路原理图38图 4.7 Ethernet 网原理图39图 4.8 SD

18、 卡连接图40图 4.9 USB 走线宽度以及间距43第五章图 5.1图 5.2图 5.3图 5.4Linux 操作系统开发流程45Linux 系统分区结构46应用程序开发流程图47交叉编译工具的安装测试48图 5.5 ARM下操作界面49图 5.6 环境参数数据库结构50图 5.7 环境参数添加和更改流程图53图 5.8 SD 卡的 DMA 读写操作流程55图 5.9 CAN 总线中断接收流程图57图 5.10 网络设备驱动程序的体系结构图58第六章图 6.1 软件开发测试环境62图 6.2 Uboot 烧写过程63图 6.3 zImage 烧写过程64图 6.4 文件系统烧写过程64图 6

19、.5 Terminal 文本操作界面64图 6.6 模拟接收扩展帧波形65图 6.7 扩展帧.65图 6.8 保存在SD 中的数据库文件66图 6.9 EquipSe.db 数据库信息66图 6.10 EnvPara.db 数据库信息66表格第三章表 3.1表 3.2表 3.3表 3.4处理器对比表20通用ARM 处理器系列性能对比21常用操作系统性能比较22令帧格式24表 3.6 CAN 总线数据帧格式25表 3.7 常用现场总线性能对比26表 3.8 RS232 与RS485 的区别28表 3.9 两种网络传输协议比较28表 3.10 常见第四章表 4.1数据库比较29器32表 4.2 启

20、动方式引脚选择36表 4.3 SD 模式引脚结构39表 4.4模块工作电压对照表41表 4.5 底板模块工作电压对照表41第五章表 5.1表 5.2表 5.3表 5.4表 5.5表 5.6常用Bootloader 对比表46网关ID 与数据表名称对应关系表50环境参数信息表51位置信息表51设备信息表52监测设备状态表52表 5.7 CAN 总线扩展帧格式56第六章表 6.1表 6.2表 6.3万能表测量的电压参数61外接晶振测试值62软件测试环境工具表63表 6.4 S3C6410 启动模式选择63缩略语缩写ARM CAN英文全称Advanced RISC Machines Controll

21、er Area Network Carrier Sense Multiple Ac DetectionCyclic Redundancy CheckDouble Data Rate中文全称精简指令集计算机控制器局域网s/ColliCSMA/CD载波侦听多路CRC DDR DMA DSP ECC EMC EMI FPGA ICMP MCU MMU MPU PCB PLL RFID SAW SDRAM SIVFS循环冗余码校验双倍数据速率Direct Memory AcDigital Signal Prossor直接器存取数字信号处理器纠错码电磁兼容性电磁干扰现场可编程门阵列网际控制报文协议微控制

22、器内存管理单元微处理器印刷电路板锁相环 射频识别声表面波Error Correction CodeElectromagnetic CompatibilityElectromagneticerferenceField Programmable Gate Array ernet Control Messages ProtocolMicro Controller UnitMemory Management UnitMicro Prosor UnitPred Circuit boardPhase Locking LoopRadio Frequency IdentificationSurface Aco

23、ustic Wave Synchronous Dynamic Random Acs Memory同步动态随机信号完整性虚拟文件系统器SignalegrityVirtual File System第一章 绪论1.1背景与意义煤炭被称为“黑色的金子，工业的粮食”。伴随我国工业的快速发展，各种能源的需求量急速增加，其中煤炭占能源消费总量在 65%以上。在我国，发电、工业生产和生活用煤占据煤炭生产总量 80%以上的市场。就煤电来说，根据世界对美、日和四国的数据分析，中国是最依赖煤电的国家，其比例一直维持在 80%左右，煤电是绝对的主导电力1。尽管我国煤炭资源比较丰富，但大多数储煤都在，这给煤炭的开采工

24、作带来很大，并且矿井内部环境也十分恶劣2。煤矿井下生产中瓦斯、顶板、漏水、火灾和煤尘是最大的危害根源，每年瓦斯事故造成的危害最为严重。据不完全统计，仅 2013 年上半年我国煤矿事故多达 60 起，特大型煤矿事故发生十余起，频发的事故严重影响企业的生产、的生命。和形象，更加危害着工人煤炭工业是我国国民经济的重要组成部分，直接影响着我国总体工业发展水平和广大人民群众的生产生活3。近年来，煤矿事故频繁发生，如何加强安全生产的防范措施，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，如何保证抢险救灾、安全救护的高效，摆到了国家各级主管部门和的面前4-7。同时，如何

25、改变目前煤矿企业对井下设备落后的管理模式，如何实现井下现场的实时所有煤矿企业关心的问题8-10。，如何实现管理的现代化、信息化也成为煤矿安全是国家和煤炭行业稳定发展的前提保证。长期以来，煤矿安全系统对井下潜在起到预防作用，具有“煤矿安全卫士11”之称。我国从引进国外技术到研发，目前有多种煤矿系统在生产中被使用，煤矿系统极大地改善了煤矿安全生产状况。通过对井下测试数据参数的收集和分析，能够避免一些事故的发生；通过系统的、自动调节等功能，可以避免事故的扩大；在事故发生时，能够为工人提供自救路线；事故发生之后，能够为及时救援提供可靠的信息。即便如此，我国的煤矿安全系统与发达国家仍有着不小的差距，在产

26、品、灵敏性、实时性和可靠性等方面相对比较落后12。在信息化和工业控制快速发展的时代，如何把先进技术应用到煤矿安全系统这样的实际应用中，有着十分重要的意义。随着信息化、智能化和网络化的快速发展，技术由于性能优越、控制能力强、功耗比较低、实时性高和运行稳定性好，在煤矿安全发展中有着广阔的前景13。系统的1.2现状与发展趋势1.2.1 煤矿安全系统现状煤矿安全系统从数据处理和传输方式来区分可以分为四个产品阶段，其中第四代产品采用新型的计算机、大规模集成电路技术，有着很高的科技含量14。我国在上世纪 80 年始引进煤矿设备，并逐渐研发多种国产设备，同时催生和培养了一批优秀的煤矿设备生产企业，如：煤科院

27、重庆分院、天地常州自动化、江苏三恒科技。这些优秀的公司拥有比较成产品，但这些产品都属于传统型安全系统，其实现监测的功能比较有限。另外，在空间狭小的煤矿井下的环境中，易燃、易爆等可燃性气体和腐蚀性气体大，煤尘浓度、矿井湿度比较高，各种设备开关频繁，生产电压电流波动大造成监测信号传输衰减快，这些问题给传统煤矿安全矿井内部结构复杂且环境恶劣，监测系统的使用带来了严峻的考验。因子种类和数量都很繁多，文献15中讲述到我国煤矿系统存在的问题主要表现在：传感器精度不高，种类不够齐全，采用有线方式无法实现无盲区的监测；受到厂家和技术水平的制约，产品之间兼容性差，数据传输和通信线路利用率很低；监测功能简单，无法

28、实现有效的和应急机制；事故管安全意识淡薄，发生后，无法准确有效地提供抢险救援信息；开采和监失信行为经常发生，严重影响安全生产。性能不强，实时信息与的标准，整合难度过大文献16煤矿中存在故障误诊严重，网络实时历史信息未能达到充分分析利用，产品出自多家，没有等问题。文献17现今煤矿设备生产厂家多、种类多但兼容性差，国产传感器质量差、校验方法不合理，现场和管理等问题。文献18煤矿系统存在的技术问题有实时性差、信息集成能力不强、可靠性不易保证、系统不开放、可继承性差、可性。1.2.2 煤矿系统发展趋势今后煤矿向着矿山数字化方向发展，矿山数字化需要将煤矿生产全部过程建立在一个传输高速、数据可靠的综合性自

29、动化系统上，需要实现煤矿生产的数字化、信息化、虚拟化、智能化和集成化，依靠多种现代科学技术，实现数据信息共享和功能集成的综合系统，达到集生产、管理、安全、办公、运销等各流程为一体的矿山综合信息系统。如文献19和文献20中都提到未来煤矿系统将实现各种信息系统协调有序的运行，使矿井在“采、掘、运、电、安全”等生产环节实现信息化，并将煤炭生产、管理的各个环节机整体。在一个网络上，形成、完整的有文献21中提到制定煤矿物联网信息编码、传输、处理等标准，采用本质安全的无线通信技术，如 RFID、ZigBee 等，以便实现无盲区布置。文献22中提到设计分布式无线技术与有线技术混合网络，井下以综合分站为中心，

30、采用RFID 等无线技术建立小范围的智能网络。煤矿系统今后的发展方向是实现矿井内部数据高速的传输，海量监测数据采用数据挖掘和信息融合等技术实现大数据仓储和分析，简化管理及消息，根据不同的系数进行分类和及警提示。1.3 课题内容本文来源于重庆市科委重点攻关项目“基于声表面波技术的煤矿安全综合系统”。该项目采用一种基于声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）传感器技术与射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术的煤矿安全监测系统的开发及应用方案，使用控制器局域网（Controller Area Network，CAN）和工业以太网技

31、术进行数据传输，本人负责完成该系统中汇聚节点的与设计。本的思路为，首先，深入整个系统，熟悉汇聚节点的作用和存在意义；然后，针对设计要求进行汇聚节点的分析与设计，完善汇聚节点的设计要求；最后，对汇聚节点进试和系统整体的联调测试。针对以上的工作要求，实际研发工作有：资料收集和方案的论证、软硬件方案的设计和调试完善系统。具体括以下方面：内容包1.2.3.对目前RFID 技术和应用特点以及应用背景进行和分析；对数据汇聚技术进行分析，分析本系统中数据汇聚节点的作用；对 CAN 总线协议标准、RS485 总线协议标准、TCP/IP 协议标准、ISO/IEC18000 系列标准及数据格式的转换进行分析；4.

32、5.对汇聚数据的处理、分析和实时进行分析、设计和实现；汇聚节点设计要求，论证分析汇聚节点的设计方案，设计绘制硬件电路原理图，并完成印刷电路板（Pred circuit board，PCB）的设计；6.对Linux 系统内核驱动进行发上层应用；，裁剪订制合适的系统文件、驱动程序和开7.8.对数据库进行分析，开发合适的数据库；对数据汇聚系统方案测试分析，验证系统设计的正确性与完整性。1.4 章节安排本文主要完成基于SAW RFID 煤矿分为 7 个章节，其结构如下：系统的汇聚节点设计与实现，整体第一章为绪论部分，本章概述了煤矿安全系统背景和现状，并给出了课题的内容以及各章节安排。第二章为煤矿系统的

33、介绍，本章从煤矿系统使用的必要性切入，对现有煤矿系统存在的问题进行综合分析，在此基础上给出了改进办法并给出基于SAW RFID 技术的煤矿系统设计方案，针对系统中汇聚节点处理的数据类型和通信方式进行详细分析。第三章为系统汇聚节点的设计，通过对汇聚节点的作用进行分析给出汇聚节点的设计要求，以此为基础给出了系统中汇聚节点的设计方案，重点对汇聚节点的软硬件确定。进行详细的论证分析，并对汇聚节点需求的相关技术进行分析和第四章为汇聚节点的硬件设计，根据前面章节的分析确定汇聚节点的硬件总体构架，针对硬件整体构架进行处理模块设计分析以及扩展电路的设计分析，最后对PCB 设计相关问题进行分析说明。第五章为汇聚

34、节点的软件设计，分析操作系统的开发流程，对 Linux 嵌入式操作系统的定制、移植进行设计分析，详细分析了和应用开发，并对CAN 总线和以太网通信进行设计分析。数据库的搭建、设计第六章为汇聚节点测试与验证，首先对系统的硬件进行相关的测试，然后进行Linux 系统的定制和移植，CAN 总线通信测试和数据库信息验证，最后进行节点的性能分析。第七章为总结与展望，本章对的方向。进行简单总结，并未来需要进一步第二章 煤矿安全系统分析煤矿系统主要对矿井内部的多种数据参数进行实时监测，并对监测数据进行实时分析和处理，最后把监测结果上传到煤矿远端服务器；煤矿系统做到分散监测和处理，集中显示，能够实时了解井下的

35、环境情况，并能对大量数据进行自动化、智能化分析和，以便有效地防范事故发生。2.1 使用煤矿系统的必要性煤炭工业承载着我国经济发展、社会进步和民族振兴的历史重任23。随着国家经济的发展，煤炭的需求量也在逐年递增。与其他国家相比，我国的煤矿开采工作主要在，并且中、高瓦斯矿井占很大比例，是煤矿事故发生的重要之一；另外顶板事故和事故也占较重比例，这些事故占据煤矿整体事故的 80%以上比例；在煤矿生产作业中，水灾、粉尘、2.1 图 2.1 是我国 20052012 年煤矿事故窒息、触电等事故也时常发生。图人数统计图。图 2.1 20052012 年煤矿事故统计我国每年煤炭开采量一直保持世界第一，由上图得

36、知我国煤矿开采中伤亡人数逐年下降，百万吨伤亡系数也同步逐渐降低，但与欧美西方发达国家每年百人以下的伤亡数字相比，我国煤矿伤亡人数依然十分庞大。如何有效地控制、管理煤矿安全生产是每一届国家都在思考的问题。对此，国家多个部门先后出台文件明确：到 2013 年所有煤矿和非煤矿山要完成安装监测、井下定位、紧急避险、压风自救、供水施救和通信联络等安全避险“六大系统”24-25。由此可以看出煤矿系统对煤矿安全生产的重要性。煤矿系统能够对矿井内部环境、位置和分散情况、开采设备工作状态，能够为煤矿的安全生产保驾护航，和设备工作状态等进行有效地、管理和调度帮助26。煤矿安全为煤矿企业提供高效地系统的功能主要体现

37、在“测”和“控”两个方面。一方面，必须能够对矿井内部环境参数、设备状态参数和过程控制参数等进行稳定实时有效地监测；另一方面，对监测参数提供及时的反馈信息，如：提供监测参数，及时的声光机制，以及的提醒措施等。能够提供实时的数据是煤矿安全系统最基本的作用。系统的作用还表现在其它两个方面：一方面，的数据能够合理长期，有利于分析井下现场各点的参数走势，起到一定的防范作用；另一方面，在出现矿井事故之后，通过之前的实时信息，能够为灾后和的抢救提供有效的信息支持。2.2 现有系统的弊端分析矿井中煤层在不同的区域和不同的深度，煤炭的分散使矿井内部结构十分复杂，图 2.2 是某煤矿的三维视图，从图中可以看到，煤

38、矿内部有着众多的开采工作面，新巷道的开拓以及老旧巷道的废弃导致矿井巷道变化较大，井内设备样十分繁多，工作地点很分散，另外井内的环境十分恶劣，开采、供电设备等众多复杂条件同时并存，这些都对系统的建设带来很大，如何合理有效地建设矿井内部的安全系统是个很大的难题。来进行分析处理。煤矿安全系统这种单一化、低水平的现状，存在诸多不足之处，其主要体现在矿井监测无法实现无盲区覆盖，实时性价差，兼容性和可差几个方面。1) 矿井监测无法实现无盲区覆盖目前系统中大部分采用有线通信方式固定安装传感器节点，在成本性和布线难度等限制下，无法做到矿井内部所有地点都安装传感器，只能实现特定区域的重点监测，这样必然会存在监测

39、盲区。同时随着开采的进行，井内结构变化较快，固定传感器监测方式需要耗费大量人力、物力进行移动安装，但仍然无法满足矿井的要求。2) 实时性较差且监测量单一现有监测系统中大多采用老旧现场总线技术，数据的传输速率低且传输距离近。传感器传感器的数据在长距离传输中受到外界噪声的干扰有用信号容易被噪声淹没；的模拟信号需要上传到远端系统总站才能进行有效处理，数据处理节点容易出现瘫痪，严重影响实时性传输。另外部分矿井尽管采用移动监测设备、定位等系统，但只能实现单一的监测量。移动监测设备成本很高，配备数量有限，受数目和巡更监测路线以及检测目标的限制，无法实现井下。移动监测设备的数据只能在及时有效处理数据，对升井

40、之后存入计算机进行分析，但由于实时性差，不能情况的帮助作用十分微弱。3) 各系立运行、兼容性低现今矿井中所使用的各种监测系统最普遍现象是单独运行，安全保障有限。并且由于生产商之间的竞争，监测系统之间很难相互兼容。例如，目前的安全监控系统、无线通信系统、系统、语音广播系统、紧急避灾系统等，都只能是简单的环境监测，实时定位和人数统计，语音固定等，无法实现对全矿井的以人、设备、环境三个重要监测对象为的联动和融合，自动化程度较低。4)功能有待加强、系统的可性低现场设备故障功能不强，现场设备的参数设定，影响系统的可性。矿井出现事故很容易造成系统损坏，不能为灾后救援抢险提供有效的帮助。2.3 煤矿系统设计

41、分析对于煤矿煤矿安全生产、系统存在的问题，如何进行升级改造，让煤矿系统有效保障安全和安全成为一个新的问题。对此本文采用“分散和分散处理，集中管理”的煤矿安全系统设计，目的是使煤矿系统真正成为“煤矿安全卫士”，能够实现煤矿安全的全方位、多角度、智能化、高融合，能有效解决目前煤矿安全存在的问题；能够实现实时有效的析，能够为灾后提供帮助。，能够分为打造高实时性、高度信息化、智能化的综合自动化矿井系统，本文根据各种设备的用途把煤矿系统分为信息层、控制层和设备层，如图 2.3 所示。设备层由矿井内部各种终端和传输、控制设备组成，用来实现井下环境、和参数的实时、传输和处理；控制层把数据进行处理和归类；信息

42、层是通过Ethernet 网的接入实现或部门管理，完成管理、控制和整体调度任务。下面从进行改进。方式、数据传输方式、数据节点和数据处理等方面对矿井系统环境的快速变化，多功能 SAW能够及时进行安装布置。另外对井内装备相关实现的定位，并通过一定携带的相关环境参数实时监测所处环境参数。2) 增强分站、总站处理能力和可扩展性现有系统中，分站和总站节点大多采用单片机进行数据转换或者简单处理，各种节点大多实现单一的监测目的。为了增加系统整体的融合能力，分站、总站节点需要增强自身的数据处理能力，不仅能对环境参数进行监测处理，还能够兼容设备控制和监测、控制和监测以及矿井通信等多种系统的数据处理。另外需要能够

43、对传统系统节点进行兼容，做到多种系统能够挂载到一个分站，进行的传输，减少多系统多网络造成的成本压力、压力和管理压力。3)层数据相互融合采用中间件、云计算、数据挖掘和大型数据库系统等技术，融合各种系统、条中的相关数据信息，进行、集中的处理、分析和管理。能够有效地实时分析矿井内部各个地点的各种实际情况（位置、附近环境、设备状态和件等）；同时结合煤矿的等级和规则，综合分析后直接控制相关系统的关联设备，完成各系统之间的参数监测联动和安全联动，达到整个矿井综合管理、集中控制、调度的目的。4) 多种数据传输方式相结合现今煤矿中数据的传输大多采用有线传输方式，无法实现煤矿内部快速的变化。并且现今的传输技术数

44、据传输速度相对较慢，无法满足数据的实时性和真实性。数据的使用无线技术能够有效降低矿井内部监测盲区问题，能够实现重点区域、新增区域及时准确地。在主矿道中采用光纤进行高速有线传输，能够保证大数据量、高质量数据的传输。另外，有线传输方式抗电磁干扰能力强、频带较宽、本质安全，无中继能够远距离传输，这些优势适合矿井内部恶劣的环境。2.4 煤矿系统整体构架2.4.1 煤矿系统结构通过对现有煤矿统的改进思路，结合煤矿系统存在问题的分析，前面小节讲述了对现有煤矿系系统的三层结构，本采用基于SAW RFID 的煤矿安全器，系统，数据通过无线和有线传输相结合的方式上传到远端中间件服务系统框架如图 2.4 所示。设

45、备层由节点、分站网关节点和总站汇聚节点三部分组成，这些设备工作在矿井内部；层和管理层工作于煤矿中心，完成数据的分析处理、并对矿井内部进行有效地管控、运维和调度。系统。下面从节点、分站、总站和控制中心来分析整个图 2.4 煤矿安全系统框架1)节点节点具有运算、处理、和无线通信功能，能够实现对指定区域的持续监测，能够环境参数、机电设备参数、位置信息、开采信息等。节点按照移动性分为两类：一类是固定安装在矿井巷道上的节点，实现对附近目标参数的监测；另一类是通过携带或移动设备上携带的节点，能够实现标记、位置确定和相关目标参数的移动搜集。2) 分站网关节点系统分站也称为网关节点，能够直接对数据进行，通过有

46、线或无线传输方式收集附近巷道内部节点的数据，并对数据进行处理和的编码。另关节点作为中继器以便增加通信距离和扩充节点数量。3) 总站汇聚节点系统总站也叫汇聚节点，它有很强的数据处理能力和控制能力，有丰富的通信接口，通过有线传输方式连接矿井内部各类网关节点，甚至采用无线或有线传输直接连接节点，汇聚节点能够去除冗余数据并进行有效地工作。汇聚节点采用冗余环网结构与层进行连接通信，网络传输具有高可靠性且成本也比较低。4) 远端综合控制中心远端控制中心处于井上，是整个系统的，包括层和管理层。远端控制中心主要包括远端数据设备、远端客户端、web 服务器等，能够对整个系统设备的监测数据进行管理、配置、实时、分

47、析处理、统计、实时显示和调度等工作。远端控制中心实现多种系统的数据融合与联动，增强整体的实时性和时效性，以便实现综合管理、调度、集中控制的目的。2.4.2系统汇聚节点的应用汇集节点在整个煤矿系统中用来汇聚接收、处理、上传数据，并同时能够下发服务器送出的控制命令和信息。如图 2.5 所示，汇聚节点处在矿井内部的设备层中的最，汇聚节点连接下层各类网关节点，并完成数据格式的转化和上传，汇聚节点是实现煤矿控制系统集中、高速传输的基础，它的运行稳定可靠、结构比较简单、便于和扩展性强等技术特点，能够合理地将生产子系统集成到一个的传输，有利于各种数据的集中控制和管理。汇聚节点在数据处理中主要体现在数据流量大

48、和数据种类多两个方面。命令数据和控制信息，每天总数据量将会达到 6 亿条以上。这么大容量的数据需要汇聚节点有足够的空间，并且能实现对数据的去除冗余和差错的控制；对数据进行周期性计算取值的预处理，以便减少远端服务器数据处理的压力。2) 数据种类繁多煤矿安全系般包括：环境监测子系统、定位子系统、生产子系统、电力系统子系统和矿用语音通信系统等，汇聚节点需要实现对以上各种系统中多种数据参数的处理。汇聚节点处理的数据种类如下：环境参数（甲烷、一氧化碳、风速、温度、水位和水压、烟雾粉尘等）、设备类（作面采煤设备、移动变电站、支架设施、井下通风机、排水机、锅炉等）的工作状态和功率、移动目标（井下、工具和移动

49、检测设备）的位置确定、通信系统（井下固定、移动对讲设备、广播设备）的控制。上述不同类型数据都需要经过汇聚节点进行数据上传或命令下发的工作，其中井下通信中同在一个分站附近的通信设备连接由网关节点控制完成，跨网关的通信通过汇聚节点寻找网关。多种数据类型需要多种设备，图 2.6 中给出部分监测设备。图 2.6 常用煤矿监测设备2.4.3系统通信方式分析煤矿系统设计分析中提到本采用 SAW RFID进行无线，并通过有线方式对数据进行长距离传输，但现今煤矿系统中仍然采用有线的传输方式，系统必须能够实现对有线传感器设备传输的兼容，系统网关节点和汇聚节点需要有相关的兼容接口，如 RS485 总线接口。对网络

50、传输方式的分析能够掌握汇聚节点需要处理的数据格式。图 2.7 中展示了煤矿系统中通信的方式，包括 SAWRFID 无线传输、CAN 总线传输、RS485 总线传输和以太网传输。ISO/IEC18000 标准规定了物品管理的识别技术，该标准分为 7 个部分，第 6 部分规定在 860MHz960MHz 的频段工作27。射频系般由和两部分组成，如图 2.8 所示所示，SAW 器件一般工作在射频波段，无源且抗电磁干扰能力强。采用 SAW具有 ID 识别和传感器的功能，能在识别 ID 的同时获取目标的各种物理指标，如温度、湿度、压力及气体浓度等。SAW RFID 技术具有以下特点：干扰性能。但在矿井内

51、部环境中同轴电缆信号衰减会更快，能力无法与另外两种相比，因此不适合煤矿的实际需要。双绞线是现今市场使用最多的传输介质，采用外加的双绞线进行数据的传输，能够有效减少矿井内部噪声波的干扰，能够保证 RS485 或 CAN 总线数据低速率下传输 2 千米的距离，这样的距离能够保证传感器数据与网关节点的通信。在井下网络中，网关节点与汇聚节点之间的通信距离能达到十几公里，CAN 总线能够完成十几千米的低速传输，但传输介质需要根据实际情况进行选择。长距离传输中双绞线会出现信号衰减严重，甚至容易被噪声淹没，而光纤传输在抗电磁干扰、频带宽度、无中继传输距离上有着明显的优势，更加适合矿井内部恶劣的环境。2.5

52、本章小结本章着重从我国煤矿安全生产现状入手阐述煤矿系统的重要性，通过对现有系统弊端的分析给出了改进的方法；本章根据改进的思路给出了基于 SAWRFID 的煤矿系统整体框架，并重点对煤矿方式进行分析。系统中汇聚节点的作用和通信第三章 基于 SAW RFID 煤矿系统汇聚节点设计3.1 汇聚节点设计需求分析3.1.1 汇聚节点作用分析如图 3.1 所示，在整个网络中，汇聚节点负责下层节点数据通过物理或逻辑网络进行汇聚、疏导工作，并能够实现下层接入点与上层服务器之间进行数据交互，同时汇聚节点能够下发来自服务器令、控制等信息。汇聚节点以合理的接入层网络拓扑（如：环形、网状、星形、链形等）收容网关节点，

53、对数据进行快速的分析、整理，并对处理后的数据进行暂存和上传。3.1.2 汇聚节点设计要求分析前面小节讲述了煤矿系统中汇聚节点的作用，汇聚节点主要用来接收矿井内部各类节点传来的大量数据，并对的数据进行有效去除冗余和去除错误处理，然后对数据进行本地和上传到管理服务器，同时下发来自服务器的控制命令，从而实现对整个煤矿传感网络的监测管理任务。根据上述汇聚节点的作用分析，汇聚节点设计要从数据处理能力、数据力等方面进行分析。1) 具有很强的控制能力和处理能力能力、实时性和稳定性以及通信能在矿井内部，传统传感器、SAW传感器以及移动监测设备组成整个庞大的网络，整个网络的节点数目繁多且分散度高，汇聚节点需要实

54、现对下层多种类多地点的数据进行汇聚处理，因此汇聚节点必须能够有很强的控制能力和数据的处理能力。2) 具有强大数据功能前面章节估算过汇聚节点每天处理上百万条数据，每个周期汇聚节点处理数据量也很庞大，处理器无法的数据管理方式进行数据的暂时对数据全部进行处理，因此需要采用科学。另外，大量数据全部上传会造成管理服务器的压力，因此汇聚节点有去除冗余数据的方法，对等级较低的数据进行多周期求均值后进行上传，多个周期的数据需要同时在汇聚节点进行暂时，汇聚节点必须有 8 小时以上的的设备。能力，这需要汇聚节点有强大、合理的数据方法和大容量3) 强大的数据通信能力和丰富的通信方式矿井内部有传统传感器、无线和新型固

55、定传感器等，汇聚节点需要完成矿井内部所有数据的传输工作，因此要求汇聚节点拥有多种通口（如：RS485 总线、CAN 总线、以太网等），以便完成多种传输方式的数据汇聚；另外由于需要处理上传的数据较多，为保证数据的实时性，数据不能在汇聚节点长时间存储，因此需要选择通信能力稳定和通信频带较宽的通信传输方式。4) 系统稳定性极高煤矿系统需要全天候不间断地进行监测工作，因此要求设备能够在井下复杂环境中稳定地工作。汇聚节点是整个系统中极为重要的通信节点，向下连接所有监测节点，同时把数据给上层多个终端，汇聚节点的稳定性决定着整个系统运行的稳定性，因此在汇聚节点设计中选用开发简单、运行稳定的实现。系统来3.2

56、 汇聚节点设计方案3.2.1 汇聚节点整体构架前面章节对汇聚节点的作用进行分析，并讲述了煤矿安全中汇聚节点的设计要求，针对煤矿特殊环境，汇聚节点需要有强大的处理能力、控制能力和丰富通口，选用系统比较合适，如图 3.2 所示。采用基于精简指令集计算机（Advanced RISC Machines，ARM）的力和成本等方面有着明显的优势；系统在控制能力、功耗、数据处理能Linux 操作系统内核较小、性很强，并且 Linux 系统本身对通信能力要求比较强，运行消耗系统资源比较少且比较稳。系统的这些特点能够满足煤矿系统汇聚节点的设计需求。3.通信模块：通信模块包括以太网通信、CAN 总线通信和 RS4

57、85 通信，是汇聚节点与外界进行数据交互的重要接口；电路：包括 SD 接口电路、USB 接口电路、通用串口电路等，能够辅助完成汇聚节点正常运行；电源模块：提供整个汇聚节点的工作电源，包括外接电源和备用本质安全 UPS 电源，正常情况采用外接电源进行供电，出现紧急状况时将切换到备用UPS 电源，能够提供两小上以上节点的正常运行时间；操作系统：可选类型有 Linux、Android、Windows CE 等，根据设计4.5.6.的实际需要，本选用 Linux 操作系统；7.数据库系统：汇聚节点数据流量较大，为缓解处理器的数据处理压力，对数据的处理需要暂时、有效、合理地管理。3.2.2处理器选型分析

58、汇聚节点是一个件方面根据自身需要进行系统，系统是性很强的计算机系统，在软硬的裁剪，在功耗、成本等方面有着严格的要求。通过本章前面小节中对汇聚节点设计需求的分析，汇聚节点设计中要求数据处理能力和控制能力都比较高、同时通口丰富、系统运行稳定、功耗和成本也是必要的考虑，另外还要根据系统的开发难度来综合考虑，下面对的处理器选型进行详细的分析。系统没有科学的定义，但从应用角度给出的解释系统是为了实现要考虑功耗、成本、特定应用功能的计算机系统，在系统开发中，体积等，严格按照自身的需求来进行定制。硬件处理器的选择是系统的开发最为重要的，通过对处理器的选择完成相关硬件的选型和操作系统的选择。系统中常用处理器类

59、型有微控制器（Micro Controller Unit，MCU）、微处理器（Micro Prosor Unit，MPU）、DSP 处理器（Digital SignalProsor，DSP）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），表3.1 给出几类处理器的性能比较。表 3.1处理器对比表处理器类型控制能力处理能力集成度外设端口成本MCU弱弱低较少低廉MPU强强较高丰富较低DSP一般强较高一般高FPGA强较强高丰富高MCU 在成本、开发难度等方面的确优势明显，但控制能力和数据处理能力相对很弱，且一般不能外接大容量设备，汇聚节点的控制能力和数据处理能力等要求。DSP 的大数据处理能力的确十分优秀，但控制能力相对较弱，并且 DSP 的开发难度相对较大，因此也不适于汇聚节点的设计。FPGA 通过硬件体系具有很强的控制能力，但其开发难度和成本并无优势，不适合汇聚节点的设计。以 ARM为代表的 MPU 市场的占有率逐渐升高，且 ARM 自身有控制能力强、数据处理能力优势，因此本采用ARM 作为强和功耗低以及开发难度较处理。ARM 是采用 RISC 指令集的一类处理器构架，从 ARM9 以后都采用哈佛结构，从而在数据处理速度方面有很大的，并增加了内存管理单元（ MemoryManagement Unit，MMU），能够实现操作系统的运行，A