物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。奥巴马就职后, 美国政府提出了智慧地球的概念, 物联网就是这些所谓智慧型基础设施中间的一个概念。物联网又称传感网, 就是将任何物品与互联网连接起来进行相互间的信息交换和通讯。物联网技术的出现, 为煤矿信息化的快速发展带来了新的历史机遇, 尽管我国煤矿信息化已取得了不小的进步, 但是从横向比较, 煤矿信息化总体水平还比较低, 与国际上的先进水平国家相比还有差距。本文将物联网技术应用到煤矿信息化建设中, 结合煤矿企业的实际情况研究设计煤矿物联系统的感知层、网络层和应用层, 并研究物联网技术在煤矿企业安全监测监控中的应用, 实现增效益和降成本的目标, 极大地提升我国煤矿企业的信息化水平。
1 物联网技术
物联网技术包括感知技术、传输技术、支撑技术和应用技术等。感知技术是用于物联网底层感知信息的技术, 包括RFID与RFID读写技术、传感器与传感器网络、机器人智能感知技术、遥测遥感技术以及IC卡与条形码技术等;传输技术是指能够汇聚感知数据, 并实现物联网数据传输的技术, 它包括互联网技术、地面无线传输技术以及卫星通信技术等;支撑技术是指用于物联网数据处理和利用的技术, 它包括云计算与高性能计算技术、智能技术、数据库与数据挖掘技术、GIS/GPS技术、通信技术以及微电子技术等;应用技术是指用于直接支持物联网应用系统运行的技术, 它包括物联网信息共享交互平台技术、物联网数据存储技术以及各种行业物联网应用系统。
1.1 射频识别技术
射频识别即RFID (Radio Frequency IDentification) 技术是20世纪90年代开始兴起的一种非接触式自动识别技术, 又称电子标签、无线射频识别。该技术的商用促进了物联网的发展。它通过射频信号等一些先进手段自动识别目标对象并获取相关数据, 有利于人们在不同状态下对各类物体进行识别与管理。射频识别系统通常由电子标签和阅读器组成。电子标签内存有一定格式的标识物体信息的电子数据, 是代替条形码的物联网关键技术之一。射频识别技术的特点:能够轻易嵌入或附着于物体, 实现对物体的追踪定位;读取距离更远, 存取数据时间更短;电子标签的数据存取有密码保护, 可靠性高。RFID目前有很多频段, 集中在13.56MHz频段和900MHz频段的无源射频识别标签应用最为常见。短距离应用方面通常采用13.56MHz频段;而900MHz频段多用于远距离识别, 如车辆管理、产品防伪等领域。阅读器与电子标签可按通信协议互传信息, 即阅读器向电子标签发送命令, 电子标签根据命令将内存的标识性数据回传给阅读器。RFID技术与互联网、通讯等技术相结合, 可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。
1.2 传感器和传感节点技术
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器的类型多样, 可以按照用途、材料、输出信号类型、制造工艺等方式进行分类。常见的传感器有速度传感器、热敏传感器、压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、震动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器等。随着技术的发展, 新的传感器类型也不断产生。随着纳米技术和微机电系统技术的应用, 传感器尺寸的减小和精度的提高, 也大大拓展了传感器的应用领域。物联网中的传感器节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源构成。节点具有感知能力、计算能力和通信能力, 也就是在传统传感器基础上, 增加了协同、计算、通信功能, 构成了传感器节点。
1.3 智能技术
智能技术是指将智能系统植入物体, 使物体能够主动或被动地与用户进行沟通与交流, 从而具备一定的智能性。智能技术的发展很大程度地促进了人们所处物质世界的数字化、网络化和智能化。
1.4 网络通信技术
传感器依托网络通信技术实现感知信息的传递和协同。传感器的网络技术分为两类:广域网络通信和近距离通信。在广域网路通信方面, IP互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现了信息的远程传输, 特别是以IPv6为核心的下一代互联网的发展, IPv6较现行版本IP协议具有更大的地址空间, IPv6使为每个传感器都分配IP地址成为可能, 也为传感网的发展创造了良好的基础网条件。以IEEE 802.15.4为代表的通信技术是目前近距离通信的主流技术, 具有低功耗、低速率和短距离传输的特点, 应用于支持计算和存储能力有限的简单器件。
2 煤矿物联系统的架构
本文提出应用于煤矿的物联系统, 按照统一规划、统一部署、统一管理、统一接口与统一标准的要求进行设计, 设计分成三个层次, 分别是感知层、网络层、应用层如图1所示。感知层主要由传感器、RFID读卡器、条形码只读器、视频摄像头等组成将感知层获取到的数据通过通讯模块传送至控制计算机, 实现数据信息检测与采集;网络层通过互联网、移动通信网、计算机局域网等的相互融合, 实现数据信息实时准确地传输与交互;应用层对海量数据信息进行分析和处理, 实现对井上或井下机械设备或人员实施智能化的控制与调配。
(1) 感知层:包括传感器等数据采集设备, 如地面井口、煤台、井下等场所安装的视频监控和传感设备;数据接入到网关之前的传感器网络, 包括矿井传感设备的数据接入、传输和汇总。 (2) 网络层:采用三级架构, 即煤矿企业网络、市级分控中心、省级监控中心, 采用“分级监管, 分级响应”的机制, 搭建煤矿物联网架构。包括矿井监控数据流转网、煤矿企业的数据专线、集团公司数据专线、市级分控中心数据专线与省级监控中心的数据专线。 (3) 应用层:包括煤矿安全监控系统、井下视频监控系统、井下人员定位系统、中央通风机、副井提升系统、主井提升系统、地面电力调度系统、井下排水系统、采煤工作面自动化系统、井下胶带机运输系统、井下运输系统等等。
3 物联网应用于煤矿安全监测监控
将整个煤矿的所有设备和人员视作一个统一的整体, 将其采用物联网技术实现连接, 实现煤矿的采煤系统、掘进系统、机电系统、运输系统、通风系统和排水系统等多个系统的综合集成。煤矿的所有要素都是煤矿物联系统的连接对象, 它们都是煤矿物联系统的基本结构和功能单位, 如井下的掘进机、输送机、各种传感器、交换机等设备和人员等等, 应用感知技术使其具有数据信息采集功能。
煤矿物联系统是通过煤矿的光纤工业以太环网将煤矿的所有要素连接起来, 进行相互间的通讯, 煤矿的光纤工业以太环网承载着煤矿绝大部分的数据通信, 从而实现煤矿的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。将煤矿的所有要素分为“人、机、环、管”四类要素, 即人员、设备、环境和管理。通过煤矿物联系统实现煤矿的“物物相连”, 即实现煤矿“人、机、环、管”四类要素相互连接, 把煤矿的所有要素系统集成为一个完整的统一体。煤矿物联系统可为煤矿安全生产提供准确的信息, 是实现煤矿安全生产的有力保障;煤矿物联系统将有效地提高煤矿安全监察部门的工作效率、监管能力和服务水平, 提高处置煤矿安全生产事故的能力。
4 结语
本文论述了物联网技术在煤矿信息化中应用的必然性, 并较详细地分析物联网的关键技术。在此基础上按照物联网三层架构研究设计适合煤矿实际情况的煤矿物联系统的系统架构, 并提出物联网在煤矿安全监测监控中的应用, 将煤矿的所有要素系统集成为一个统一的整体, 物物互连实现煤矿“人、机、环、管”四个要素的相互通讯, 从而实现煤矿的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理, 提升煤矿“一通三防”管理和技术水准, 提高煤矿安全生产管理水平。物联网技术是煤矿企业实现集约式生产和低碳化目标的重要手段。
摘要：物联网是实现物与物之间相互交流的一种无处不在的泛在网络, 是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。其目的是实现智能化识别和管理, 本文介绍了物联网的概念, 探讨了物联网研究中的关键技术, 并研究物联网技术在煤矿信息化中的应用。结合煤矿实际情况设计与实施煤矿物联系统, 将其分为感知层、网络层和应用层三个层次。把煤矿的所有要素分为“人、机、环、管”四类要素, 通过煤矿物联系统将这四类要素系统集成, 使它们成为一个统一的整体, 实现煤矿物与物之间的相互通讯, 从而实现煤矿的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网技术是煤矿企业实现集约式生产和低碳化目标的重要手段。
关键词：物联网,煤矿信息化,系统集成,安全监测监控
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