物聯網在煤礦生產上的應用

“物聯網”(Internet ofThings)是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡_。“物聯網”的出現，顛覆了傳統的思維模式，揭開了新一輪信息技術革命的序幕，正推動著信息技術在各行各業更深入應用的新一輪信息化浪潮。中國煤礦資源豐富，但是地理位置偏僻，礦井巷道縱橫交錯，井下作業人員的生命財產安全很難有所保障。物聯網技術應用于煤礦安全生產，將對礦井作業人員的生命財產安全提供重要的保障。

1 組網原理

從技術架構上來看，物聯網可分為3層：感知層、網絡層和應用層。物聯網應用于煤礦安全生產，其感知層采用全球免費微波頻段2.4 GHz RFID射頻識別技術實現無線遠距離標簽識別。在礦井巷道適當位置分布式安裝讀卡器，入井員工隨身攜帶統一分配的電子標簽卡。當員工進入讀卡器的感知范圍，電子標簽將該員工的身份碼信息發送至讀卡器，讀卡器再將數據經網絡層傳輸至上位機分析處理，實現應用層的跟蹤檢測、查詢報警等相關應用。礦井物聯網的組網原理如圖1所示。

圖1 礦井物聯網組網原理圖

2 感知層設計

射頻識別RFID(Radio Frequency Identi6cation)技術被認為是21世紀最有發展前途的信息技術之一口1。感知層工作頻率采用2．4 GHz ISM頻段，由標簽、讀卡器兩部分組成。員工身份碼信息經RFID標簽傳輸至讀卡器。再由讀卡器向上傳輸。

2．1 電子標簽

標簽采用2．4 GHz ISM頻段有源電子標簽設計，由入井員工隨身攜帶。是射頻系統真正的數據載體。主要由收發模塊、控制模塊以及電源模塊組成。收發模塊包括射頻收發天線，負責將射頻信號轉換成DC電源的電源產生電路、電能存儲電路、信號調制和解調以及時鐘發生電路。采用2.4 GHz無線遠距離收發模塊JF24D芯片設計O控制模塊由微控制器構成，負責讀寫控制、訪問控制以及收發模塊控制，實現對解調信號譯碼，以及回送數據的編碼。電源模塊對收發、控制模塊提供電壓。

2．2 RFID讀卡器

RFID讀卡器的基本任務是啟動數據載體(RFID標簽)，與其進行數據交換來實現非接觸無線通信。讀卡器和電子標簽之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，提供信號狀態控制、奇偶錯誤校驗與更正等功能。讀卡器硬件設計與電子標簽硬件設計相似， 由發送器和接收器組成的無線收發模塊、電源模塊、控制單元以及與外界其他設備通信所需的各種標準接口模塊組成。讀卡器的基本工作流程如圖2所示。

圖2 讀卡器工作流程

3 網絡層設計

網絡層相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息，其基本結構主要包括3種：星形、環形和總線形 。本設計采用總線形網絡拓撲結構組網。網絡層是物聯網成為普遍服務的基礎設施，有待突破的方向是向下與感知層的結合，向上與應用層的結合。

礦井物聯網的組網主要有總線式電纜結構組網、工業以太環網結構組、總線式光纖結構組網3種方案。由于煤礦井下巷道錯綜復雜。延伸距離較長，對于長距離數據傳輸，電氣網絡往往不能滿足要求，而光纖網絡可以滿足長距離數據傳輸并且保持較高的傳輸速率，所以選擇總線式光纖專網組網結構方案。從井下到地面數據的傳輸選擇光纖網絡，其余網絡采用電纜線傳輸。讀卡分站相當于數據基站，讀卡器采集到的電子標簽的身份碼數據首先在讀卡分站匯總，再由讀卡分站將數據進行誤碼檢查，確認無誤后再向上傳輸。光端機是電纜線路和光纖線路， 以及光纖線路與光纖線路的接口，通過內置的數據報文轉換協議，將讀卡分站上傳的數據最終轉發至監控室計算機，實現應用層功能。網絡層組網方案如圖3所示。