基于煤矿安全管理的rfid中间件研究与实现

1、TP311分类号密级公开重庆邮电大学题目基于煤矿安全管理的 RFID 中间件研究与实现The Research and Implemenion of英文题目RFID Middleware based on Coal MineSafety Management姝教授指导教师通信与信息系统学科专业2013.6.62013.5.25提交日期答辩日期学校盲审评阅人学校盲审教授重庆邮电大学答辩2013 年 6 月 6 日摘 要近年来，我国煤矿安全事故频发，煤矿安全成为国家安全生产工作的重中之重。的生命安全，射频识别（RFID）为遏制煤矿恶性事故的发生和保障矿下技术与声表面波（SAW）技术、传感器技术相结

2、合的 RFID 系统逐渐应用于煤矿井下、设备和环境的实时，从而有效的提高煤矿生产的安全程度。然而煤矿 RFID 系统底层设备多样，煤矿企业上层系统需根据底层设备进行定制设计，阻碍了 RFID 系统在煤矿行业中的广泛应用。为了RFID 底层设备的多样性和复杂性，减少 RFID中间件应运而生。数据量，达到更好的为企业上层系统提供服务的需求，RFID本文在分析总结煤矿安全生产和煤矿安全管理现状基础上，通过对主流无线通信技术的分析和比较，选择了基于 RFID 技术的煤矿安全管理系统，并提出使用RFID 中间件系统RFID 硬件设备与企业应用多样性的方案。然后根据煤矿RFID 系统特点和 RFID 中间

3、件需求，提出基于 J2EE 的 RFID 中间件设计方案，并对系统开发环境、数据持久化、JMS 消息服务和管理系统开发模式等进行了分析和选择。接下来根据总体设计方案对各层进行了详细设计，其中硬件管理层的设计主要是在抽象接入机制下实现对的接入和操作，并通过中断方式实现异常和自动修复。事件数据处理层针对数据冗余和错读处理需求设计了基于时间窗和次数阀值的平滑过滤算法；针对上层不同应用需求设计了标签分组过滤机制；并根据与的位置关系，对 RFID存在事件模型、定向运动事件模型和非定向运动事件模型进行了详细的分析与设计。应用服务层重点设计了基于 JMS 的消息主动推送方案，并对 WebService 通口

4、方案进行了简要介绍。最后对基于 Struts 和 Hibernate 开发框架的 RFID 中间件管理系统进行了分析。为验证设计方案的正确性，搭建 RFID 系统测试进行相应测试与评估。测试结果表明，RFID 中间件系统能实现设备的接入、数据的过滤和事件最后对整体研的触发，并能与上层应用进行数据交互，满足预期设计目标。究工作进行了总结，并提出后续研究工作展望。： RFID 中间件，管理，数据处理，煤矿安全管理AbstractRecently, because of the frequent accidents of coal mine safety, the coal mine safety

5、became the top priority of the nations production safety work. The RFID system whichcombined RFID with SAW or sensor technology is gradually appd in real timemonitoring ofnel, environment and theotive in coal mine management, toimprove the safety degree of the coal mine production. However, the equi

6、pments oftraditional RFID systems have diversity. The upper-level system of coal mineentrises need to design according to the underlying equipment. In order to shield thediversity and complexity of the RFID underlying equipment, decrease the RFID tag data,and provide better service for upper layer s

7、ystem, the RFID middleware arises at the historic moment.Based on theysis of coal mine production safety and the present situation ofcoal mine safety management, the comparison of mainstream wireless communication technology, we choose the coal mine safety management system based on RFIDtechnology,

8、and put forward a scheme to using the RFID middleware system shieldingthe diversity of RFID hardware deviand the upper layer application.Then, accordingto characteristics of the RFID system and the RFID middleware requirements, the framework of the RFID middleware is designed based on J2EE. The syst

9、emdevelopment environment, datrsistence, JMS message service, management systemdevelopment pattern and so on areysed and choose for the implemenion ofthe.Then each layer of RFID middleware is designed. The hardware management ismainly implemenion of card reader acs and operation under the card reade

10、r errupt way to reader exception monitoringsing layer, a smoothing filter algorithm isabstract acs mechanism, and using theand automatically repair. In event data prodesigned based on time window and number of threshold for data redundancy and faultdata prosing requirements. A packet filtering mecha

11、nism is designed for differentapplication requirements. And according to theitional relation of tag and reader, theevent mof exists, orienion and disorienio areysised. The applicationservice layer implements a message initiatively push scheme based on JMS, and brieflyroduce the WebService communicat

12、ionerface. Finally,ysis the RFIDmiddleware management system based on Struts and Hibernate framework.A test platform is builded to verify the correctness of the RFID middleware system.Test results showt the RFID middleware system can realize to acs of theequipments, filtering tag data, trigger event

13、s anderaction with the upper layerapplication. The RFID middleware system meets the expected design goal. Finally, theprimarys are summarized and further research work is prospected.Key Words: RFID Middleware, Reader Management, Data ProSafety Managementsing, Coal Mine目 录摘 要 AbstractII插图附表VIIIX缩略词XI

14、I第一章1.11.21.31.4第二章绪论0课题研究背景0国内外发展现状1主要研究内容2结构3煤矿安全管理系统研究与分析4煤矿安全生产现状4传统煤矿安全管理系统分析5基于无线传输技术的煤矿安全管理系统分析7基于 Wifi 的煤矿安全管理系统7基于Zigbee 的煤矿安全管理系统8基于 RFID 的煤矿安全管理系统92.3.4 三种无线系统方案比较92.4 煤矿安全管理系统中 RFID 中间件的应用112.4.1 煤矿 RFID 系统中待解决112.4.2 RFID 中间件及其在煤矿中的应用122.5 本章小结14第三章 RFID 中间件系统的总体设计163.1 RFID 中间件系统功能需求分析

15、163.2 中间件技术选择17RFID 中间件系统架构设计19硬件管理层20事件数据处理层21应用服务层22管理控制层22RFID 中间件开发方案的分析与选择23开发环境的选择23数据库与数据持久化技术选择24JMS 消息服务分析与选择25WebService 服务分析与架构选择26管理系统开发模式和架构选择27本章小结28第四章4.1RFID 中间件的详细设计与实现30数据库设计与数据持久化实现30数据库的设计30数据库的创建324.1.2 数据持久化实现32硬件管理层的设计与实现354.24.2.14.2.24.2.34.2.4抽象机制设计35连接实现36操作实现39设计404.3事件数据

16、处理层的设计与实现424.3.1 数据平滑过滤424.3.2分组过滤454.3.3 事件数据处理47应用服务层的设计与实现51JMS 消息传递方案设计51JMS 消息传递的具体实现52WebService 接口实现55管理控制层的实现57本章小结58测试及分析604.44.54.6第五章测试方案60测试环境60测试内容及结果分析61系统管理界面的测试62硬件管理功能的测试63事件数据处理功能的测试65应用服务功能的测试67系统整体应用测试68系统稳定性测试68本章小结69第六章 总结与展望706.1 全文总结706.2 展望70致 谢72参考文献74附录 A 攻读学位期间科研成果及的 78附录

17、 B代码段80插图第二章图 2. 1 20012010 年中国与煤矿人数对比图5图 2. 2图 2. 3图 2. 4图 2. 5基于工业以太网的煤矿安全管理系统结构图6基于 Wifi 的煤矿安全管理系统结构图7基于Zigbee 的煤矿安全管理系统结构图8基于 RFID 的煤矿安全管理系统结构图9图 2. 6 RFID 中间件在 RFID 系统中的位置12图 2. 7 RFID 中间件在煤矿安全管理系统中的位置13第三章图 3. 1 RFID 中间件系统架构图19图 3. 2 RFID 中间件管理系统功能结构图23图 3. 3 JMS 消息传递图25图 3. 4 Struts2 工作流程图28第

18、四章图 4. 1 Hibernate 数据持久化模型32图 4. 2 Hibernate 工作流程图33图 4. 3抽象机制35图 4. 4 设备抽象接口实现类图36图 4. 5 串口通信连接初始化流程图37图 4. 6图 4. 7图 4. 8图 4. 9图 4. 10图 4. 11图 4. 12图 4. 13图 4. 14图 4. 15图 4. 16图 4. 17工作流程图41事件数据处理层工作流程图42冗余数据过滤流程图44错读数据过滤和有效数据输出流程图44分组过滤流程图46存在事件模型47非定向运动事件模型48非定向运动事件数据缓存流程图48非定向运动事件生成流程图49定向运动事件模型

19、49定向运动事件生成流程图50应用服务层消息传递方案图52图 4. 18 JMS 消息处理类图53图 4. 19 JMS 启动流程图53图 4. 20 Axis2 实现 WebService 服务流程图55图 4. 21 WebService 服务设置图56图 4. 22 RFIDMiddleWareService.aar 文件图56图 4. 23 RFIDMiddleWareService.aar 文件上载图57图 4. 24 RFID 中间件 WebService 服务图57第五章图 5. 1 RFID 中间件测试环境拓扑图61图 5. 2 RFID 中间件管理系统首页测试图62基本信息显

20、示界面62基本信息测试图63连接配置测试图64连接配置信息显示界面6465图 5. 3图 5. 4图 5. 5图 5. 6图 5. 7图 5. 8图 5. 9添加添加事件数据处理规则定制66数据平滑过滤66图 5. 10 ActiveMQ 消息传输管理界面67图 5. 11图 5. 12测试图68实时和统计图68附表第二章表 2. 1 Wifi、Zigbee 和 RFID 参数比较10第三章表 3.1 三种中间件技术的比较18表 3. 2 Oracle、SQL Server 和数据库对比24表 3. 3 JMS 主要元素表25表 3. 4 ActiveMQ 和JsMQ 性能对比26表 3. 5

21、 WebService 提供的标准协议26表 3. 6 Axis2 和 CXF 的性能对比27第四章表 4. 1表 4. 2表 4. 3表 4. 4基本信息表30信息表31事件信息表31消息队列信息表31表 4. 5 HibernateSesManager 管理类主要方法34表 4. 6 java 串口开发操作类功能表37表 4. 7 RFID 中间件请求数据通信协议39表 4. 8表 4. 9第五章表 5. 1应答数据协议39基本功能分类45两种测试方案特性比较60表 5. 2 RFID 中间件测试硬件应用环境61表 5. 3 RFID 中间件测试应用环境61缩略词英文缩写 RFID SAW

22、 WIFIAPISO/IEC英文全称Radio Frequency Identification Surface Acoustic WaveWireless Fidelity中文全称 射频识别 声表面波 无线高保真点国际标准化组织/ 国际电工组件对象模型Acs Poernationalanization for Standardization/ernational Electrotechnical CommisCOMCORBAComponent Object MCommon Object Request Broker Architecture公共对象请求结构体系J2EE JMS JDBC AP

23、I XML SOAP WSDLUDDIJava 2 Platform, Entrise EditionJava企业版Java Messaging Service Java Data Base Connectivity Application ProgrammingExtensible Markup LanguageJava 消息服务 Java 数据库连接 应用程序编程接口可扩展标记语言erfaceSimple Object Acs Protocol简单对象协议Web Service Description LanguageWEB 服务描述语言通用描述、发现和集成Universalegratio

24、nDescription,DiscoveryandMVCB/S C/S JSPUIDM-View-Controller模型-视图-控制器浏览器/服务器客户端/服务器Brower/ServerCnt/ServerJava ServagesJava唯一标示符页技术Unique Identifier第一章 绪论1.1 课题研究背景煤炭是我国一次能源的主体，目前在我国能源生产和消费中，煤炭约占 73。据，到 2050 年煤炭仍会国能源消费的 50%以上，煤炭作为主要能源的地位在相当长的历史时期中将不会改变1。随着煤矿工业为我国经济发展做出巨大贡献的同时，煤矿安全成为制约煤矿工业发展的重要问题。据统计，

25、2012 年煤矿事故人数为 1300 余人，造成了极大的经济损失和恶劣的社会影响，煤矿安全事故的预防和控制已成为国家和企业需要解决的首要问题。煤矿安全是国家安全生产工作的重中之重。为了进一步遏制煤矿恶性事故的发生和提高煤矿安全生产水平，、国家安监和煤监出台了一系列的煤矿安全生产规范，要求所有煤矿和非煤矿山要制定和实施生产技术装备标准，安装监测系统、井下、紧急避险系统、压风自救系统、供水施救系统和通信联络系统等技术装备2。目前我国各煤矿的六大系统虽基本建设完毕，煤矿事故隐患评估、监测和治理等方面已有较大发展，但各煤矿企业的煤矿安全检测技术参差不齐，存在监测量单一、各系统单独运行、无法实现煤矿安全

26、检测的和安全缺失等问题，煤矿安全管理实时性、融合性和全面性与国外先进水平任有较大差距。为解决煤矿安全管理中的各种问题，近年来 RFID （ Radio FrequencyIdentification，无线射频识别）技术、SAW（Surface Acoustic Wave，声表面波）技术和传感器技术得到了各界的广泛关注。RFID 是一种利用射频信号实现对目标物体的非接触式自动识别的技术3。SAW 是物体表面的一种弹性波，其速度是电磁波的是万分之一，容易取样和处理4。传感器技术则是一种将物理量或化学量转变成便于利用的电信号的技术。由以上技术融合的 SAW RFID和 RFID传感可实现“传感”、“

27、识别”和“无线传输”功能于一体，在煤矿生产中对环境、机车和设备等进行全面的检测，实现煤矿安全的全方位、多角度、智能化和高融合，极大的拓展了传统 RFID 技术在煤矿行业和其他行业的应用5。由 RFID 技术、SAW 技术和传感器技术融合的 RFID 系统在煤矿上的应用给煤矿安全带来了很多新的发展，但随之也产生了一些新的研究问题，即如何实现多家生产厂商的 RFID的有效接入和管理，如何在具有一定误差的大量 RFID 原始数据中提取出符合上层应用需求的数据，如何提供的服务接口企业上层应用的多样性等。RFID 系统中的这些研究需求正好与 RFID 中间件技术功能吻合，为了保证 RFID 系统更好的应

28、用在煤矿安全管理系统上，为其提供一种有效的 RFID 中间件系统尤为重要。1.2 国内外发展现状近年来，随着 RFID 技术的发展，RFID 系统广泛应用于制造、物流、医疗、零售、国防等行业，并逐渐与SAW 技术、传感器技术相结合应用于煤矿安全管理系统中。RFID 中间件作为 RFID 系统的中枢成为企业相互角逐的新兴市场，国内外各大高校、企业和组织都争相投入 RFID 中间件的研发当中。目前，国外 RFID 中间件的研发队伍中较有影响的有IBM、Oracle、SAP、Sun、 Microsof 等公司，并已有相关的 RFID 中间件产品和 RFID 整体解决方案出现6。 IBM、Oracle

29、、SAP 和Sun 都是基于 JAVA 开发 RFID 中间件，其中IBM 是中间件市场的龙头，其 RFID 中间件产品是在 WebSphere 基础上基于 J2EE 架构开发的，主要有 WebSphere RFID Device Infrastructure 和 WebSphere RFID Premises Server，是企业使用的整合型顶级中间件。Oracle 则是在其强大的数据库基础资源之上进行开发的，充分利用 Oracle 数据库的数据处理优势，完成对企业海量数据的分析和处理，并向客户提供简单管理界面，满足不同客户对 RFID 数据的各种需求，其主要产品有 WebLogic RFI

30、D Edge Server 和 WebLogic RFID Entrise Server。与其他企业JAVA不同，则是在微软SQL 和Windows 系统之上开发 RFID 中间件，并准备将其集成为Windows 的一部分，以 Biztalk Server 为代表，在系统级层面上对 RFID 数据进行网络优化7。此外，国外一些规模较小的公司（如 Manhattan、Asso和开发。tes、OAT System 等）也在积极进行 RFID 中间件研究国外企业因为拥有较深厚的技术储备和良好实际测试条件，RFID 中间件产品的数据处理能力、系统集成能力、稳定性等都得到了各企业的认可。但是这些企业的

31、RFID 中间件的开发大多是在自有的之上进行的，煤矿生产企业或其他应用企业要使用这些中间件产品就需要相应的套件，对于很多中小型企业来说存在原有资源整合和等限制。国内 RFID 技术的广泛应用，也带动了 RFID 中间件的发展，很多企业和研究所都开始投入和人力进行 RFID 中间件的研究和开发。而且科技部“十一五”规划和 863 计划都对 RFID 中间件的发展提供了政策支持，在国家 863“射频识别（RFID）技术与应用”课题项目公告中，交通大学、华南理工大学和同方公司等都提出可重构 RFID 中间件技术的研究和开发项目，促进了我国 RFID 中间件的发展8。除了以上机构和企业外，国内也存在一

32、些成RFID 中间件产品，的 ezONE RFID 中如青岛恒信的HIFA-RMS RFID 中间件系统、方间件、华技大学的Smarti 中间件和RFID 中间件等9。青电子工业岛RFID至恒信的 HIFA-RMS RFID 系统是基于开放式架构设计的模块化、可升级的应用级别事件处理(ALE)系统，可在用户作业现场、本地数据中心、区域甚方的 ezONE数据中心使用，以实现对数据的捕获、和传送。RFID 是基于J2EE 的中间件架构，具有硬件管理功能，可整合 RFID 和传感器数据，并进行数据处理和传输，曾应用于奥运会门票系统。华技大学的 Smarti 主要优势在于可以支持多通信。虽然国内已经存

33、在一些较成RFID 中间件产品，但是因为中间件在我国起步较晚，各种技术和都跟国外有一定差距，目前市场上采用的 RFID 中间件多是国外产品，国内厂商很难与其竞争。而且在煤矿行业之中大多还是使用定制软件的开发方式，开发效率低，和扩展成本高。RFID 中间件的应用可有效的解决现在煤矿行业RFID 设备部署、数据处理、上层应用开发和等多方面的问题。总体上，国内的 RFID 中间件研究和开发还处于初级阶段，需要支持，要赶上国外先进水平还需要各企业和机构不断的努力。的技术1.3主要研究内容本课题选题主要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”，该项目由重庆邮电大学和重庆共同，形

34、合作承担，项目研究内容是开发出基于 SAW 的无源和SAW RFID成模块，构建完整的RFID 煤矿综合系统方案。本文意在解决和改进煤矿 RFID 系统中存在的各种问题，研究设计出一种RFID 中间件，实现 RFID 煤矿安全管理系统中 RFID 硬件设备和企业应用软件的解耦和衔接，并完成对 RFID 原始数据的处理、容包括以下几个方面：和转发。本文具体工作内 根据煤矿安全生产现状和传统统煤矿安全管理系统中采用有线方式存在的缺陷，对基于 Wifi、Zigbee 和RFID 三种无线传输技术的煤矿安全管理系统进行比较分析。 详细分析基于 RFID 的煤矿安全管理系统，着重研究 RFID 系统运行

35、中需要解决，并根据实际需求给出RFID 中间件设计方案。 研究煤矿应用中各种 RFID设备的接入，并实现对接入的设备的通信方式和通信协议，兼容多种设备的。 根据煤矿安全管理系统中 RFID 数据特点，对 RFID 原始数据进行过滤、分组和，减少从传递给企业上层应用的原始数据，生成包含一定语义的事件数据。 根据企业上层应用的需求，设计多种 RFID 中间件向上层传递数据的方式，实现上层应用对RFID 事件数据的实时和异步获取。 完成RFID 中间件系统的测试和验证工作。1.4结构本文主要是在大力建设煤矿安全管理系统的背景下完成煤矿安全管理系统中RFID 中间件的设计与实现。整个主要分为以下几个章

36、节：第一章：绪论。介绍了煤矿安全管理的背景和 RFID 中间件的研究、发展现状，并课题来源以及本人所要完成的工作。第二章：煤矿安全管理系统研究与分析。在分析现有煤矿安全生产现状和煤矿安全管理系统的基础上，对基于无线传输技术的煤矿安全管理系统进行分析比较，同时对煤矿RFID 系统应用、存在绍。以及RFID 中间件的应用做了详细介第三章：煤矿安全管理系统中RFID 中间件的架构设计。根据煤矿RFID 系统特点，对 RFID 中间件进行了功能需求分析。在 J2EE 技术基础上提出 RFID中间件系统架构方案，阐述了各层详细功能，并对 RFID 中间件开发环境、数据库、消息服务和管理系统开发模式等进行

37、了分析和选择。第四章：RFID 中间件的详细设计与实现。首先根据RFID 中间件需求对数据库进行设计和创建，并使用 Hibernate 架构进行数据持久化处理。然后按 RFID中间件分层结构，对各层进行详细的设计，包括硬件管理层中 RFID抽象机制设计和连接的实现，事件数据处理层的数据平滑过滤、分组过滤和事件处理的实现，应用服务层 JMS 消息传递机制和 WebService 服务接口的设计与实现，以及管理控制层系统管理界面的实现。第五章：测试及分析。对 RFID 中间件进行了测试分析，包括工作的稳定性、正确性，硬件接入、数据过滤和试。、上层应用接入等各基本功能的测第六章：总结与展望。对本文所

38、做的工作进行了总结与归纳，并对 RFID 中间件的发展方向和下一步工作进行了展望。第二章 煤矿安全管理系统研究与分析我国煤炭资源丰富，劳动力廉价，在国际市场竞争中本应占有优势，但由于我国煤炭条件复杂，煤矿自动化水平低，井下用人多，生产安全系统采用的技术与国外相比较，煤矿井下安全事故时有发生，矿下安全管理形势不容乐观。随着国家和企业对矿山安全重视程度的不断加强，如何有效提高煤矿安全监测水平成为当前研究的重点。2.1 煤矿安全生产现状近几年为了改善煤矿安全生产状况，我国不断完善煤矿安全监察机制和煤矿安全、瓦斯治理推进安全综合治理。在，加大了对煤矿的治理和整合力度，并依靠科技进步煤炭产量连年较大幅度

39、增长的情况下，煤矿安全生产形势总体稳定，并不断趋向好转。但是由于我国煤矿地质构造复杂，煤层稳定性较差，地质类型多，企业安全生产意识薄弱和安全等问题的存在，与国际安全水平相比，我国的煤矿安全生产形式仍然非常严峻。我国煤炭产量占全球三分之一，煤矿事故人数却约占全球的 80%。据统计，2011 年生产煤炭 35 亿吨，发生煤矿事故 1201 起，人数 1973 人。2012 年生产煤炭 36.5 亿吨，1300 余人，同比减少 600 余人，首次降到了 1500 人以下，百万吨率为 0.374，同比下降 33.7%10。虽然随着国家对安全生产和管理的重视程度提高，以及对安全投入的加大，我国煤矿生产安

40、全状况已有明显的改善，但是每年仍有上数最高的行业。死于，煤矿生产行业仍然是生产行业中事故人我国中小型煤矿数量多，科技装备水平和安全管理水平相对较低，并存在隐患排查不细致，煤矿瓦斯治理，水害防治措施不，现场管理等问题，各类事故接连发生。2011 年我国煤矿事故小型煤矿事故发生 833 起，1391 人，占煤矿事故起数和人数的 69.4%和 70.5%。与国外先进水平相比，我国煤矿安全管理还存在相当大的差距。在等发达人 人数对国家，煤矿生产是生产行业中安全管理做得最好的行业，2009 年数仅为 18 人，2010 年为 44 人11。2001 年到 2010 年我国与煤矿煤矿比如图 2.1 所示。

41、从图中可知，虽然近年来，我国煤矿安全管理已有了较大的提高，但是与相比，还有相当大的差距，煤矿安全而道远。2.3 基于无线传输技术的煤矿安全管理系统分析为了解决传统煤矿安全管理系统采用有线网络存在的缺陷，近年来无线传输技术被引进到煤矿安全中，目前具有代表性的无线网络传输技术主要有：Wifi 技术、ZigBee 技术和 RFID 技术。采用无线入相比其特点和优势主要体现在以下几点：建设方便，不受布线条件的限制，当系统底层技术方式与有线接点增多时，只需要增加无线终端，无需重新布线，运行简单。布线简单，减少了因电缆漏电而引起瓦斯。在煤矿开采这种环境相对较差、效的完成自动化、大范围的环境检测。不易到达和

42、供电难的情况下，可有整个井下无线传感器，可形成无线传感器网络，对瓦斯、温度、湿度等多种环境参数和、机车进行综合监测。在整个煤矿安全管理系统中，在此主要关注设备层中部分的区别，以下介绍时将主要介绍井下环境、线煤矿安全管理系统作简要分析和比较。和设备部分，并对这几种无2.3.1 基于 Wifi 的煤矿安全管理系统Wifi（Wireless Fidelity，无保真技术）是基于IEEE 802.11 系列协议的无线局域网技术。在基于 Wifi 的煤矿安全管理系统中，层主要由带有 Wifi模块的环境检测节点、定位、PDA 等终端和 AP（Acs Po，点）组成 14。基于 Wifi 的煤矿安全管理系统

43、结构如图 2.3 所示。在基于 Wifi 的煤矿安全管理系统中，AP 在通电情况下，会向周围发射信号，用以信号覆盖范围内带有 Wifi 模块的设备，接收到信号的终端设备通过 Wifi无线传输技术将环境数据、信息或其他设备信息汇聚到 AP，然后由 AP 通过环网将底层数据传送给上层应用，企业应用根据各自的需求，对井下环境和进行调度等。2.3.2 基于 Zigbee 的煤矿安全管理系统ZigBee 技术是一种高可靠的双向无线通信技术，具有组网灵活、稳定性强和功耗特点，主要应用于短距离、网络节点多、传输数据量不大和低功耗等环境中，实现设备间的无线数据传输。基于Zigbee 的煤矿安全管理系统采用Zi

44、gbee 无线网络技术进行井下定位、环境监测等。实际应用中，为了提高系统的可靠性和稳定性，同时降低系统功耗，将Zigbee 网络灵活组网，形成 Zigbee 星状网、树状网或网状网等网络拓扑结构15。基于Zigbee 的煤矿安全管理系统结构如图 2.4 所示。在基于 Zigbee 的煤矿安全管理系统中，Zigbee 无线网络位于系统的部分。Zigbee 网络由 Zigbee 协调器、路由节点和终端节点组成，协调器建立和维护整个Zigbee 网络，根据组网方式的不同选择性的使用Zigbee 路由节点，并通过Zigbee 终端节点自动煤矿生产过程境、设备、等数据，通过无线信道把数据发送给路由节点，

45、然后由路由节点将数据传递给协调器，整个过程实现煤矿井下各种信息的数字化，并经由工业光纤环网将井下数据传送到上层。2.3.3 基于 RFID 的煤矿安全管理系统RFID 是一种利用射频信号进行非接触式识别的技术，可对人或物体进行快速、实时、准确的识别，并获取相应的数据16。RFID 技术作为物联网感知层的关键技术之一，其射频识别过程不需要人工干预，操作简单实用，具有通讯速率高、保密性好、远距离和高速移动物体识别等技术优势17。基于 RFID 的煤矿安全管理系统的分层结构与传统有线系统类似，但是其设备层的模块与传统系统不同，主要由和 RFID组成，其系统结构如图 2.5 所示。信技术的飞速发展，无

46、线监测技术逐渐应用于煤矿井下环境、和设备的管理。以上介绍的基于 Wifi、Zigbee 和 RFID 的三种无线技术具体参数如表 2.1。表 2. 1 Wifi、Zigbee 和 RFID 参数比较WifiZigbeeRFID无线传输技术成本高较高低有源电池有效距离/米几天0-100几年0-75几年0-1002.45 微波扩频通信方式2Mbps 433MHZ915MHZ2.45GHZ传输速率5.5/11Mbps20/40/250kbps868MHz915MHz2.4GHz通信频道2.4GHz技术标准802.1lb802.15.4ISO18000结合表 2.1 及前文中对各种煤矿安全管理系统的阐

47、述，总结出三种无线数据采集方案的优缺点如下：基于 Wifi 的煤矿安全管理系统具有传输距离远、覆盖范围广、传输速度快、工作效率高等优点。但是 Wifi 的功耗在三种无线传输技术中是最高的，一次充电只能使用几天，终端设备使用几天就需要集中充电，十分不方便，成本较高，不能满足煤矿井下设备低功耗的要求，而且 Wifi 终端不能应用于干扰很强的环境，数据安全性差，通信质量不高19。基于 Zigbee 的煤矿安全管理系统具有传输可靠、能高、网络容量大等优势，是近年来才发展起来的一种能力强、数据安全性和实时系统。但是Zigbee 网络中网络协议相对复杂，传输速率低，基于Zigbee 的制单元和传感器模块价

48、格较高，在现有的煤矿生产中使用较少。系统的控基于 RFID 的煤矿安全管理系统具有操作方便、工作距离长、可进行无接触移动识别、低功耗、使用长、能力强等优势，而且 RFID 设备的价格相比Zigbee 和 Wifi 要低很多。虽然 RFID 设备之间可能产生电磁干扰，但是通过有效的防碰撞机制，已能很好的解决干扰问题，并对无线传输的数据进行随机序列加密，保证数据的安全性能。RFID 技术已广泛应用于煤矿且在监测环境变量等方面取得了一定成绩。定位和机车，并本文通过信号传输效果、传输距离、电池和建设成本等的综合考虑，采用基于 RFID 无线传输技术的煤矿安全管理系统。2.4 煤矿安全管理系统中 RFI

49、D 中间件的应用经过分析比较，本文采用了基于 RFID 的煤矿安全管理系统。在实际的应用中，如何体现 RFID 系统自身的业务优势和系统性能，如何与现有上层系统实现无缝，这对 RFID 系统提出了更高的要求。而且在 RFID 系统中，数据量大，数据随机性强，冗余信息多，上层应用要使用这些随机动态的数据则需要良好的整合，数据处理就成了 RFID 系统中的问题。2.4.1 煤矿 RFID 系统中待解决本文选择的基于 RFID 的煤矿安全管理系统可有效改进传统有线监测网络的，完成对井下、重要设备和井下开采环境的全方位监测，使煤矿井下安全更加的完善和准确。虽然 RFID 技术的应用，可为煤矿井下带来很

50、多便利，但随之也产生了一些新的研究问题，主要体现为以下几点：在煤矿应用中，无源 SAW RFID的传输距离相对较短，而具有较长传输距离的有源何在保证有源则需要电池供电。如何传输距离的前提下，降低SAW RFID功耗，延长有效传输距离；如使用，成为之一20。煤矿 RFID 系统应用需要研究 煤矿井下RFID 系统所产生的数据量巨大。以一个中型煤矿为例，整个 RFID 系统可能同时产生数千数据，每天的监测数据量有上千万条，在这些数据中数据冗余大，含有真正有用信息的数据很少，这就要求 RFID 系统提供对 RFID数据的较强处理能力。现行煤矿中使用的 RFID 标准为 ISO/IEC 18000 标

51、准，但是各 RFID 生产商所设计实现的数据格式、通信协议和通信方式等都有所不同。煤矿企业在建设、和更新安全管理系统时，可能使用不同的和设备，这就需要 RFID 系统提供对不同底层设备的兼容能力。 煤矿安全管理系统上层应用具有多样性，如局域网内的管理系统、环境系统、设备监测系统和管理层安全系统等，这些系统的开发、语言和数据需求都各不相同。RFID 系统要能为这些上层应用提供相应的需求服务。目前的 RFID 系统位置泄密或实时、RFID数据被串改和伪造 RFIDRFID使或物品成为合法对象等安全隐患，如何加强之一21。数据的安全和可靠性成为 RFID 系统需解决针对以上问题，本文主要进行 RFI

52、D 底层设备接入的兼容、应用数据交互的分析和研究。数据的处理和2.4.2 RFID 中间件及其在煤矿中的应用上一节中阐述的 RFID 系统中存在的 RFID 设备无缝接入、数据处理和上层应用数据交互问题，与中间件对设备接入、数据处理和应用整合的功能不谋而合，促使了 RFID 中间件的形成。RFID 中间件是一种面向消息的中间件，位于 RFID和上层之间，以数据通信为基础，在与无关的情况下，利用可靠高效的消息传递机制完成分布式系统间的数据交互，实现了多标准的 RFID 设备的兼容和多样化的上层系统的连接，并解决了RFID 系统中数据处理的问题22-23。RFID 中间件在RFID系统中的位置如图

53、 2.6 所示。2.5 本章小结本文首先对我国煤矿安全生产现在进行了分析，提出使用煤矿安全管理系统的必要性。然后对传统煤矿安全管理系统结构和功能进行了简要介绍，分析传统煤矿安全管理系统的缺陷，并采用无线传输技术对传统有线系统进行缺陷弥补。然后对基于无线传输技术的三种煤矿安全管理系统进行阐述，经过方案比较，选择基于 RFID 的煤矿安全管理系统。并分析 RFID 系统中待解决，使用 RFID中间件技术对 RFID 系统中进行有效解决。第三章 RFID 中间件系统的总体设计本章主要针对煤矿 RFID 系统中存在，提出 RFID 中间件的系统功能需求，并在选择的中间件技术基础上完成RFID 中间件系

54、统架构设计和各模块功能的设计，最后对RFID 中间件开发中的相关技术方案进行了分析和选择。3.1 RFID 中间件系统功能需求分析根据第二章对煤矿安全管理系统中RFID 系统与RFID 中间件的分析，RFID 中间件位于RFID 硬件设备和企业应用之间，是 RFID 数据接入和传递的中介系统。RFID 中间件主要用于解决RFID 系统中不同底层硬件设备的接入、RFID 数据处理和为企业上层应用提供服务接口等问题，以加快 RFID 系统在煤矿中的应用部署，从整体上降低RFID 系统部署、运行和的成本。基于RFID 的煤矿安全管理系统中RFID 中间件应满足的具体功能如下：1)2)1)适配兼容多种

55、矿用；接入接口，提供的管理底层硬件接入差异。配置串通信方式和参数，如网口通信的 IP 地址和端、波特率和数据位等参数；，串口通信的2)3)1)2)3)4)5)1)2)3)1)启动和关闭；状态，当出现故障时，能发现故障并上报故障。数据处理接收各种通口的实时数据；对到的原始数据进行有效性验证；具有数据缓存能力；具有数据分析能力，提供多种数据过滤方式；有根据应用需求对基本数据进行业务数据库管理的能力；支持数据库，如 Oracle、Sql server 2000 和支持数据库基本操作，包括增、删、改、查等；支持数据库批量操作和数据缓存。应用接口服务兼容现有企业上层系统；等；2)1)2)3)4)5)提供

56、的应用服务接口来完成与上层应用的信息交互。系统管理状态的，出现异常状态，并进行相应处理；提供数据处理规则配置；提供提供和基本信息的添加和删除功能；连接参数配置功能；提供系统数据、故障日志和系统操作日志查询功能。为了实现以上 RFID 中间件系统的功能，接下来将对 RFID 中间件的整体方案作一个详细的设计与阐述。3.2 中间件技术选择中间件是为了解决系统分布异构问题而，主要是为了实现硬件、操作系统和上层应用之间的通用服务。针对不同的操作系统、上层应用环境和底层中间件的实现技术、协议规范、接口规范等也会有所不同。目前比较流行的三大主流中间件的技术作简单介绍。有+、CORBA 和 J2EE，以下对

57、这三种技术+COM（Component Object M，组件对象模型）是微软公司为保证互操作的二进制组件规范。COM 提供了标准接口函数（如 OLE32.dll）以供用户访问 COM 对象，在 COM 架构下，按照功能需求，可复杂的应用系统。COM具有组件易更替、可重用和可扩展等技术优势。综合了、和MTS 的技术优势，通过操作系统的支持，在应用层上建立组件对象模型，将 COM组件从底层到应用层面。COM+提供队列服务、负载平衡、内存数据库、事件服务等功能，并集中于分布式应用的设计。COM+将应用设计扩展到企业网和ernet 网络，在 Windows 操作系统基础上，使用灵活的多层架构，为企业

58、应用或 Web 应用提供了一套完整的解决方案26。CORBACORBA（Common Object Request Broker Architecture,公共对象请求体系结构）是由 OMG 组织制订的一种标准的面象应用程序体系规范，提供分布式环境下硬件系统和系统的互联互通解决方案27。COBRA 主要由对象请求（Object Request Broker，ORB）、公共对象服务（Common Object Servi, COS）和公共设施（Public Facilities，PF）三部分组成。ORB 提供了分布对象接口定义规则和从 IDL 到特定程序语言（如 C，C+，JAVA 等）的规则。

59、COS 则提供ORB 之上的事务、安全、时间、查询等各种公共服务。PF 则提供COBRA 组件框架，提供业务服务和协作规则。CORBA 定义的这些 API、通信协议和客户/服务模型，可使不同语言编写的应用程序能运行在不同的之上，开发效率较高，架，且 CORBA 缺乏多线程构性强。但是 CORBA 技术门槛高，技术入门较规范，不同语言的源码兼容性有待提高，在不同的实现之间互操作性有些欠缺。J2EE企业版（Java 2 Platform，Entrise Edition）。J2EE 是SUN 推出的 Java2J2EE由一整套服务（Servi）、应用程序接口（API）和协议，它对开发多层应用提供了功

60、能支持。J2EE 架构解决了企业信息产品间互不兼容的窘境，遵循 J2EE 架构的各种不同和应用存在良好的兼容性。J2EE 不仅提供对 Java2 标准版中 JDBC 数据库存取技术、CORBA 技术以及ernet 应用中保护数据的安全模式等的支持，同时还提供了对 EJB、Java Servlet、 JSP、JMX、JMS 以及 XML 技术的全面支持，使应用系统开发更加的灵活，也为构建可扩展性和易性强的应用提供了良好的机制28。J2EE 使用多层分布式应用模型，包括客户层、WEB 层、业务层和企业信息层四层，并将应用逻辑按功能划分为组件，各个应用组件可根据他们所在的层部署在不同的机器上。J2E