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

王 珺，石彬彬

（甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020）

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本研究的目的是實(shí)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(jì)涉及兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和預(yù)測(cè)性預(yù)防性維護(hù)（PDM）。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計(jì)劃的重點(diǎn)是將兩項(xiàng)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(diǎn)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(hào)和參數(shù)。例如監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)濃度。收集到的信號(hào)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?hào)。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(bào)警信號(hào)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和地面監(jiān)控中心工作人員在實(shí)現(xiàn)后及時(shí)做出應(yīng)急響應(yīng)。

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)及其自身的功能需求，將監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三個(gè)層面，分別為應(yīng)用層，功能層和技術(shù)層。應(yīng)用層主要用于實(shí)現(xiàn)制造，售后，產(chǎn)品，物流和現(xiàn)場(chǎng)管理等領(lǐng)域的監(jiān)控。功能層是指監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用后實(shí)現(xiàn)的功能。而技術(shù)層是用來實(shí)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)的發(fā)展。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 Zig Bee設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)只能接收、發(fā)送與其本身有關(guān)的信息，它主要負(fù)責(zé)收集和傳輸設(shè)備本身的參數(shù)和工作環(huán)境參數(shù)。每個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)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，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理從其他節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)；Zig Bee無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)提供所需的電源。由于每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于惡劣的工作環(huán)境，節(jié)點(diǎn)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。

2.2 WiFi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11 Mbit/s，通信距離為50m～100 m。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。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jì)中的軟件設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)編程技術(shù)。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括控制電路初始化程序，監(jiān)控程序和Zig Bee無線節(jié)點(diǎn)程序。監(jiān)控程序由VB6.0開發(fā)首先，對(duì)系統(tǒng)中具體的各個(gè)部分進(jìn)行初始化，激活每一個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)控機(jī)器，收集他們工作時(shí)的狀態(tài)，接著對(duì)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(diǎn)。

此時(shí)調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)確定系統(tǒng)的控制狀態(tài)。如果此節(jié)點(diǎn)處于手動(dòng)的控制狀態(tài)，程序?qū)?huì)自動(dòng)結(jié)束并由實(shí)地的控制工作站執(zhí)行應(yīng)有控制。如果處于自動(dòng)控制的狀態(tài)，數(shù)據(jù)異常傳感器節(jié)點(diǎn)可以在現(xiàn)場(chǎng)報(bào)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(dòng)和停止，調(diào)整牽引時(shí)速，姿態(tài)以及實(shí)時(shí)定位。

3 實(shí)驗(yàn)分析論證

為保證本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的多設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)于機(jī)器設(shè)備的有效性，研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，實(shí)驗(yàn)論證采用對(duì)同一地區(qū)采用不同監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)施論證實(shí)驗(yàn)。為保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，先采用傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)的方案，然后采用基于物聯(lián)網(wǎng)的多設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，即從電量消耗方面進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于準(zhǔn)確性的高低結(jié)果曲線如圖1所示。

依據(jù)上圖分析得出，基于物聯(lián)網(wǎng)的多設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)的電量消耗是截然不同的，物聯(lián)網(wǎng)背景下的多設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更具有節(jié)約資源性、一致性和準(zhǔn)確性，物聯(lián)網(wǎng)背景下的多設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于各地區(qū)不同的監(jiān)控結(jié)果也更具有說服力，而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法的準(zhǔn)確性則不穩(wěn)定，時(shí)高時(shí)低，而且耗時(shí)耗電更長更高，對(duì)于測(cè)試結(jié)果也具有干擾的作用。

4 結(jié)語

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(diǎn)，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)的礦山監(jiān)控系統(tǒng)有所不同，在物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代背景下，物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅對(duì)企業(yè)內(nèi)部制造工作的完成起到規(guī)范化、系統(tǒng)化的作用，還對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)起著創(chuàng)新作用，此研究在一定基礎(chǔ)上，也將為基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的礦山監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。