基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)

賓海云

摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)監(jiān)控技術(shù)是目前先進(jìn)制造領(lǐng)域研究的熱點，在礦山開采方面，作為一種新型現(xiàn)代監(jiān)控方式，它與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)有所不同。在物聯(lián)網(wǎng)的時代背景下，基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計不僅可以提升企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)和安全管理工作，還能起到創(chuàng)新和完善礦山企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，并為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；礦山設(shè)備；智能監(jiān)控系統(tǒng)；應(yīng)用

1需求說明

傳統(tǒng)的礦山企業(yè)現(xiàn)場需要大量的采礦設(shè)備、選礦設(shè)備、傳輸設(shè)備以及稱重設(shè)備等等，各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、采集的數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場視頻都需要遠(yuǎn)程實時傳輸?shù)缴a(chǎn)及安全管理部門。礦山設(shè)備智能物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，共采用了5類傳感器：獲取影像采用高像素攝像儀，監(jiān)測地表位移采用GNSS接收機(jī)，深部位移監(jiān)測采用雙軸測斜儀，獲取設(shè)備主電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、溫度傳感器，獲取各類液體壓強(qiáng)、液位、溫度傳感器。不同類型的傳感器所需傳輸帶寬差異較大：高像素攝像儀單臺需要4Mb～8Mb帶寬資源，實時傳輸每月約需要800G流量，多臺攝像儀所需流量會成倍增加；其它4類傳感器雖然需求帶寬資源小，單個傳感器只需要約1Kb帶寬，但是監(jiān)測點數(shù)量多，而且較分散。如果采用光纖傳輸，建設(shè)費(fèi)用高，施工難度大，可能還需要征用土地。如果采用4G傳輸，流量費(fèi)用高昂，部分區(qū)域4G信號較差，甚至沒有4G信號。

2系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本研究的目的是實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。完成系統(tǒng)設(shè)計涉及兩項關(guān)鍵技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和預(yù)測性預(yù)防性維護(hù)（PDM）。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計劃的重點是將兩項關(guān)鍵技術(shù)集成到系統(tǒng)中。此智能監(jiān)控系統(tǒng)主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，地下監(jiān)控中心，地面監(jiān)控和故障診斷中心。其中有特殊功能的無線傳感器節(jié)點需要安裝在采礦設(shè)備主體的指定部位和液壓支架，用于收集采礦，液壓支架和其他設(shè)備的一些工作信號和參數(shù)。例如監(jiān)測到的切割電機(jī)的電流與溫度，牽引電機(jī)電流與溫度，行走的位移數(shù)以及環(huán)境中一氧化碳等氣體的實時濃度。收集到的信號往往由DSP處理，然后通過無線MESH網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇粨Q機(jī)或無線AP，最后通過光纖繼續(xù)將其上傳到地面上的控制中心?？刂浦行姆治龊吞幚斫邮盏男盘?。在此期間，任何參數(shù)都超過預(yù)設(shè)值，設(shè)備將發(fā)出報警信號。設(shè)備驅(qū)動程序和地面監(jiān)控中心工作人員在實現(xiàn)后及時做出應(yīng)急響應(yīng)。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1ZigBee設(shè)計

該系統(tǒng)的終端節(jié)點只能接收、發(fā)送與其本身有關(guān)的信息，它主要負(fù)責(zé)收集和傳輸?shù)V山設(shè)備本身的參數(shù)和工作環(huán)境參數(shù)。每個傳感器終端節(jié)點主要由傳感器模塊，微處理器模塊，無線通信模塊和電源模塊組成。設(shè)備傳感器模塊用于信息收集，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被發(fā)送到微處理器模塊。微處理器主要負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理從其他節(jié)點收集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)；ZigBee無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點的無線通信，交換控制信息以及發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。最終的電源模塊主要為傳感器節(jié)點提供所需的電源。由于每個監(jiān)控節(jié)點應(yīng)用于惡劣的工作環(huán)境，節(jié)點的電源電池通常不易更換。因此，需要具有大容量，長使用壽命和免維護(hù)操作的高性能電池。

3.2WiFi技術(shù)（無線保真協(xié)議）

WIFI技術(shù)是采礦中視頻監(jiān)控和無線通信的理想選擇。通信速度一般為11Mbit/s，通信距離為50m～100m。在所研究的系統(tǒng)中，WIFI模塊硬件MAC層使用Atheros的AR2524芯片，而物理層使用帶有功率放大器的單芯片收發(fā)器UW2453芯片。WIFI技IEEE802.11X技術(shù)的調(diào)制解調(diào)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸速率最大可達(dá)108Mbps，數(shù)據(jù)傳輸距離達(dá)數(shù)百米，可用來組建大型無線網(wǎng)絡(luò)，但設(shè)備比較昂貴，技術(shù)比較復(fù)雜，其應(yīng)用收到一定的限制。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)背景下的多設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中的軟件設(shè)計主要是依靠互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的軟件處理技術(shù)以及計算機(jī)編程技術(shù)。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括控制電路初始化程序，監(jiān)控程序和ZigBee無線節(jié)點程序。監(jiān)控程序由JAVA開發(fā)首先，對系統(tǒng)中具體的各個部分進(jìn)行初始化，激活每一個無線傳感節(jié)點以及監(jiān)控機(jī)器，收集他們工作時的狀態(tài)，接著對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確化處理，采集到的數(shù)據(jù)再繼續(xù)發(fā)送至ZigBee傳感節(jié)點。

此時調(diào)節(jié)器節(jié)點會自動確定系統(tǒng)的控制狀態(tài)。如果此節(jié)點處于手動的控制狀態(tài)，程序?qū)詣咏Y(jié)束并由實地的控制工作站執(zhí)行應(yīng)有控制。如果處于自動控制的狀態(tài)，數(shù)據(jù)異常傳感器節(jié)點可以在現(xiàn)場報警，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，WIFI局域網(wǎng)以及光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸給地面上的控制中心，交給他們分析處理、顯示并控制采礦系統(tǒng)的啟動和停止，調(diào)整牽引時速，姿態(tài)以及實時定位。

結(jié)束語

依據(jù)市場的迫切需求，分析了礦山設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。討論并測試了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。實驗結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，實時可靠。與傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)相比，它大大提高了節(jié)能效果，為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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（作者單位：重慶齒輪箱有限責(zé)任公司）