莫?dú)J森，魏金成，溫佐云

（西華大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039）

“物聯(lián)網(wǎng)”（Internet of Things）是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。“物聯(lián)網(wǎng)”的出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)的思維模式，揭開了新一輪信息技術(shù)革命的序幕，正推動著信息技術(shù)在各行各業(yè)更深入應(yīng)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(yè)人員的生命財產(chǎn)安全很難有所保障。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)，將對礦井作業(yè)人員的生命財產(chǎn)安全提供重要的保障。

1 組網(wǎng)原理

從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[2]。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)，其感知層采用全球免費(fèi)微波頻段2.4 GHz RFID射頻識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)距離標(biāo)簽識別。在礦井巷道適當(dāng)位置分布式安裝讀卡器，入井員工隨身攜帶統(tǒng)一分配的電子標(biāo)簽卡。當(dāng)員工進(jìn)入讀卡器的感知范圍，電子標(biāo)簽將該員工的身份碼信息發(fā)送至讀卡器，讀卡器再將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層傳輸至上位機(jī)分析處理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的跟蹤檢測、查詢報警等相關(guān)應(yīng)用。礦井物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)原理如圖1所示。

圖1 礦井物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)原理圖Fig.1 Principle diagram of coal mine network

2 感知層設(shè)計

射頻識別RFID（Radio Frequency Identi6cation）技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一[3]。感知層工作頻率采用2.4 GHz ISM頻段，由標(biāo)簽、讀卡器兩部分組成。員工身份碼信息經(jīng)RFID標(biāo)簽傳輸至讀卡器，再由讀卡器向上傳輸。

2.1 電子標(biāo)簽

標(biāo)簽采用2.4 GHz ISM頻段有源電子標(biāo)簽設(shè)計，由入井員工隨身攜帶，是射頻系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。主要由收發(fā)模塊、控制模塊以及電源模塊組成。收發(fā)模塊包括射頻收發(fā)天線，負(fù)責(zé)將射頻信號轉(zhuǎn)換成DC電源的電源產(chǎn)生電路、電能存儲電路、信號調(diào)制和解調(diào)以及時鐘發(fā)生電路。采用2.4 GHz無線遠(yuǎn)距離收發(fā)模塊JF24D芯片設(shè)計。控制模塊由微控制器構(gòu)成，負(fù)責(zé)讀寫控制、訪問控制以及收發(fā)模塊控制，實(shí)現(xiàn)對解調(diào)信號譯碼，以及回送數(shù)據(jù)的編碼。電源模塊對收發(fā)、控制模塊提供電壓。

2.2 RFID讀卡器

RFID讀卡器的基本任務(wù)是啟動數(shù)據(jù)載體 （RFID標(biāo)簽），與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換來實(shí)現(xiàn)非接觸無線通信。讀卡器和電子標(biāo)簽之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，提供信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗(yàn)與更正等功能。讀卡器硬件設(shè)計與電子標(biāo)簽硬件設(shè)計相似，由發(fā)送器和接收器組成的無線收發(fā)模塊、電源模塊、控制單元以及與外界其他設(shè)備通信所需的各種標(biāo)準(zhǔn)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Fig.2 Working process of readers

3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，其基本結(jié)構(gòu)主要包括3種：星形、環(huán)形和總線形[4]。本設(shè)計采用總線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)成為普遍服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，有待突破的方向是向下與感知層的結(jié)合，向上與應(yīng)用層的結(jié)合[5]。

礦井物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)主要有總線式電纜結(jié)構(gòu)組網(wǎng)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)組、總線式光纖結(jié)構(gòu)組網(wǎng)3種方案。由于煤礦井下巷道錯綜復(fù)雜，延伸距離較長，對于長距離數(shù)據(jù)傳輸，電氣網(wǎng)絡(luò)往往不能滿足要求，而光纖網(wǎng)絡(luò)可以滿足長距離數(shù)據(jù)傳輸并且保持較高的傳輸速率，所以選擇總線式光纖專網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方案。從井下到地面數(shù)據(jù)的傳輸選擇光纖網(wǎng)絡(luò)，其余網(wǎng)絡(luò)采用電纜線傳輸。讀卡分站相當(dāng)于數(shù)據(jù)基站，讀卡器采集到的電子標(biāo)簽的身份碼數(shù)據(jù)首先在讀卡分站匯總，再由讀卡分站將數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼檢查，確認(rèn)無誤后再向上傳輸。光端機(jī)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(nèi)置的數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)換協(xié)議，將讀卡分站上傳的數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控室計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能。網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)方案如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)方案Fig.3 Construction scheme of network layer

4 應(yīng)用層設(shè)計

應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。采用Visual Basic 6.0以及Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。

4.1 功能實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)，主要實(shí)現(xiàn)：信息查詢、人員跟蹤定位、Web遠(yuǎn)程發(fā)布等功能。

1）信息查詢功能。員工信息查詢功能實(shí)現(xiàn)對每位員工信息的管理，員工信息內(nèi)容包括員工姓名、員工編號、所在部門等個人信息。由于下井人員每人都攜帶有一個電子標(biāo)簽，所以員工信息中包括所有員工所攜帶電子標(biāo)簽的編號?？记诠芾砉δ軐?shí)現(xiàn)對下井員工的出勤情況的統(tǒng)計，對加班、請假及出差情況可以通過人工輸入的方法進(jìn)行查詢和修改。方便了信息的收集，對員工的作業(yè)情況有了準(zhǔn)確的記錄。讀卡器信息查詢功能實(shí)現(xiàn)對井下所布放的讀卡器進(jìn)行管理。可以對讀卡器編號，讀卡器所放置的地理位置信息進(jìn)行查詢、修改、添加。

2）人員跟蹤定位功能?？梢詫?shí)時查詢井下作業(yè)人員的位置信息，實(shí)現(xiàn)對井下人員的實(shí)時定位。當(dāng)煤礦事故發(fā)生時，能迅速展開援救工作，提高煤礦安全性能和生產(chǎn)效率。

3）Web發(fā)布功能。該功能實(shí)現(xiàn)將應(yīng)用層的檢測圖表及數(shù)據(jù)通過Internet遠(yuǎn)程發(fā)布，便于集團(tuán)公司或者上級主管部門了解煤礦生產(chǎn)狀況，包括礦井基本信息查詢，報警情況查詢和地圖瀏覽等功能。集團(tuán)公司或上級主管部門在瀏覽器頁面輸入權(quán)限密碼，即可獲取該煤礦檢測資料，大大方便了煤礦企業(yè)的管理。

4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是以一定方式組織、存儲及處理相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)的集合，它以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一定的文件組織方式存儲數(shù)據(jù)，并允許用戶訪問。由統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)管理和控制數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改和檢索。本設(shè)計采用Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用，Access數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)是關(guān)系代數(shù)和關(guān)系模型，這種關(guān)系模型就是二維表形式。表是數(shù)據(jù)庫中最重要、最基本的對象，是實(shí)際存儲數(shù)據(jù)的地方。對數(shù)據(jù)庫的各種管理和操作，實(shí)際上就是對數(shù)據(jù)中表的管理和操作。建立Access數(shù)據(jù)庫有兩種方法：

1）在Microsoft Access中建立數(shù)據(jù)庫。

2）利用Visual Basic 6.0提供可視化數(shù)據(jù)管理器（Visual Data Manager）創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)的功能需求，需構(gòu)建標(biāo)簽信息表，員工信息表，讀卡器信息表，定位信息表，考勤信息表數(shù)據(jù)等。

4.3 Visual Basic 6.0 開發(fā)設(shè)計

Visual Basic 6.0是基于對象的可視化程序設(shè)計語言，也是所有程序設(shè)計語言中最容易掌握、使用人數(shù)最多的語言，它能夠快捷、簡易地建立Windows應(yīng)用程序[6]。提供了面向?qū)ο蟮目梢暬_發(fā)界面，應(yīng)用程序集成開發(fā)環(huán)境和大量的控件。支持多種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的訪問，支持開發(fā)Internet程序以及完善的在線幫助系統(tǒng)，應(yīng)用廣泛。

本設(shè)計使用數(shù)據(jù)控件（Data控件）訪問更新數(shù)據(jù)庫，Data控件是Visual Basic中最常見的控件。在Visual Basic中，數(shù)據(jù)控件本身不能直接顯示表中的數(shù)據(jù)，必須通過綁定控件來實(shí)現(xiàn)。綁定控件是指能夠配合Data控件（或其他控件），操作數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的控件。常用的綁定控件有文本框、列表框、組合框等。讀卡器上傳的數(shù)據(jù)最終通過串口串行通信傳輸至地面監(jiān)控室計算機(jī)，Visual Basic對串口進(jìn)行初始化，監(jiān)測是否有上傳數(shù)據(jù)，若有則記錄并更新數(shù)據(jù)庫，分析判斷上傳數(shù)據(jù)的讀卡器的位置，在事先繪制的礦井剖面圖上完成監(jiān)測定位、信息查詢等功能。界面設(shè)計采用下拉式菜單設(shè)計，每項(xiàng)菜單下設(shè)子菜單，點(diǎn)擊調(diào)用相應(yīng)窗口，執(zhí)行對應(yīng)功能程序，如圖4所示。

圖4 應(yīng)用系統(tǒng)界面Fig.4 Application system interface

5 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)作為一種跨學(xué)科的新興產(chǎn)業(yè)已經(jīng)越來越多地融入我們的生活，給我們的生產(chǎn)、生活方式帶來了一系列深刻的變革，已被正式列為圍家重點(diǎn)發(fā)展的五大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一[7]。本系統(tǒng)以RFID射頻識別技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)由網(wǎng)絡(luò)層傳輸至上位機(jī)，以Visual Basic 6.0和Access數(shù)據(jù)庫為開發(fā)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)在煤礦生產(chǎn)上的應(yīng)用，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了及時有效的信息查詢、定位和監(jiān)控等功能，以信息化手段提高了煤礦的安全生產(chǎn)能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸統(tǒng)一和技術(shù)的逐步成熟，礦井物聯(lián)網(wǎng)將對煤礦的安全生產(chǎn)提供更加可靠的保障和服務(wù)。

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