第一篇 1基于物联网的感知矿山

2010年，徐州矿务局提供了煤矿井下生产、监测智能化的感知矿山概念后，得到了国家和政府的大力支持，并专门成立了感知矿山工程科研中心，成为物联网在煤矿应用中的一个转折点，也将物联网技术成功的引入到煤矿生产过程中。感知矿山是利用物联网技术，实现煤矿井下生产、地面管理的数字化、智能化和可视化。建立感知矿山的目的是为了将煤矿运销、产品加工、安全管理、生产、地质、煤矿地理等信息综合起来，实现数字化管理，将智能计算、信息分析处理、数据传输、感知等物联网技术和煤矿企业的产品加工、生产开采等技术形成密切联系的整体，以实现煤矿运营的安全和详细描述及控制煤矿生产的全过程的目的，从而能够有效的解决煤矿透水、瓦斯突出、煤尘爆炸等灾害难题。感知矿山的引入在增加煤矿企业产量的同时也提高了煤矿安全管理水平，煤矿井下变电站、煤仓、皮带信息等各个生产子系统可以利用网络、感知信息技术等物联网技术实现，在一定程度上对煤矿企业自动化生产水平也是一个提高。将和安全生产息息相关的感知层设备接入计算机网络是感知矿山实施的重点。由于传统矿山建设中，传感器型号、网络传输协议接口等都没有统一的整体标准，不同型号的设备具有不同厂家，这就为日后的统一联网管理带来了难题。物联网的引入可以将这些设备有效的联系在一起，形成多层次的煤矿安全监测系统。

2煤矿安全监测系统组成

基于物联网的煤矿安全监测系统将地下、地上语音对讲、煤矿生产视频监控等通信和数据采集结合到一起，实现了控制系统、数据采集、视频监控、环境报警、系统报警等功能模块的联动，以此来提高煤矿井下的安全防御水平和灾难反应速度。地面各级安全监管机构、地面监控中心总控、井下分控按级别组成了煤矿安全监测系统的多层监测模式，安全监管机构可以查询这个矿区的安全生产实施情况。矿区安装的地面监控中心可以管理每个矿井生产，井下分控可以管理环境传感器、井下生产监控设施。

（1）传输网络

每个矿区和每级安全监管中心利用煤矿监控专网进行连接；矿业分公司地面控制中心和井下分控之间利用煤矿原有以太网进行连接。

（2）前端系统

井下分控中心作为整个物联网的前端采用集中编码和模数结合的方式，按照独立存储、独立控制、独立管控和自成系统方式来建立。分控中心系统具备物联网前端的所有功能，如数据采集、安防信息采集等。

（3）总控系统

基于物联网技术的煤矿安全监测系统的分控具有非常强大的功能，所以，地面总控中心的系统相比来说比较简单。本设计中，将总控系统从井下生产现场中解脱出来，来处理更加具有实用性和针对性的工作。在总控系统中，采用VGA墙面和网络监控，并利用2个52寸液晶显示器作为总控系统显示屏幕。

（4）传感器系统

井下分控集成了巷道温度、湿度、气体、漏电、压力、瓦斯、光纤等多种传感器，其中光纤传感器负责监测巷道或工作面顶板的位移、蠕变、裂缝、弯曲、应变以及应力变化。所有传感器组成矿井的全面监控体系，负责整个矿山的全面监测。

3系统设计

3.1硬件设计

安装在井下分控中心的传感器负责矿井环境信息采集，同时分控中心还负责数据的传输和基础处理，根据这一实际情况，集合矿井生产的特殊环境，文中采用Zigbee无线传感器自组网技术来实现井下物联网分控中心的硬件连接。按照矿井环境的不同和应用形式的区别，将每个矿井环境传感器集合成传感器节点，以此来实现采集数据的基本处理、传输和分析。传感器单元包含微处理器模块、传感器模量转换、串口模块、接口电路、无线收发装置、电源模块。因为Zigbee协议栈是Zigbee模块的重要通信协议，所以，在微处理器中要安装一个具有Flash储存功能的存储器，同时，也要求使用的Zigbee模块要满足高性能需求，采用16位或32位高性能处理芯片。

3.2软件设计

井下分控传感器单元的软件程序包含模块功能实现、系统参数初始化设置、模块定义三部分。根据实际需求，模块定义单元按照应用将模块定义为RFD或者FFD，以此来确定传感器节点的软件内核规模和性质。系统参数初始化设置，该部分主要负责传感器传输协议栈的设置。首先要定义好传感器系统运行时钟，然后确定MUC型号和类型，再配置通信模块的全部功能，即模块属性等。定义好模块和系统参数后，模块实现部分将上述传感器配置连接到网络中进行运行判断，以此来运行传感器主程序开始采集并处理数据。

3.3系统特点

（1）对煤矿企业地面和井下工作进行多层次、多部门的网络式管理，使得井下违章操作概率降低，提高了煤矿企业安全监测、管理水平。

（2）自组网技术Zigbee的引入使得整个矿区实现每项监控指标的立体监控。

（3）因为煤矿资源属于国家能源体系中的一个重要部分，因此，在建立物联网煤矿安全监测系统时,设置了多信息加密机制，保护了国家能源信息的同时也大大提高了煤矿安全监测系统的稳定性和安全性。

4结语

文中以煤矿生产中的安全监测为重点，利用物联网技术建立了多层次、多部门、多信息平台的安全监测系统。通过对系统软硬件平台的开发和应用，验证了系统的稳定性、可靠性和准确性，同时也达到了煤矿企业要求的精确度需求。本系统除了传感器外，使用最多的是单片机，由于其具有一定的可扩展性，该系统可为今后的设备扩展、维护提供便利。基于物联网的煤矿安全监测系统开发为煤矿企业的现代化生产提供了有效的信息平台，也为“感知矿山”的进一步发展做出了贡献。

作者：孙皓月赵翊君李薇单位：河北建筑工程学院张家口市地震局万全地震台

第二篇 1关键技术

1.1ExtJS框架

ExtJS是Ajax的一个框架，是由JavaScript程序语言编写出来的，大多数框架的建立是为了让客户端的操作界面更加丰富。ExtJS的开发理念和UI组件模型的成立都是来源于Java平台的Swing以及YUI，所以不管是UI界面的CSS样式还是数据解析对异常问题的处理，它都占据绝对的优势，在浏览器的跨越方面为开发者省略了大量的后续工作，因此，ExtJS框架的应用与UI组件开发在DOM、W3C对象模型中的应用更为轻松。用ExtJS框架来构建客户端的操作界面，将客户端的操作方式标准化，让客户能够在不同浏览器平台间实现跨越。ExtJS的作用有以下几点：提供事件增强机制、向Ajax技术提供功能上的支持、支持不同面板的布局方式、数据模型结构完整、组件美观实用。

2系统设计

可扩展性、可维护性和可复用性是衡量系统剩余价值的标准，为了提高系统的使用价值，要对这些方面的性能进行提高，文中借鉴了微软PetShop的框架模式，以用户表示层、业务逻辑层和数据访问层为基础，将数据对象与计算方法进行分离，让每层都形成数据实体促进信息的传递，数据访问层实现模块、实体模块、接口模块、访问模块和反射工厂模块，其中访问模块是针对操作方法和数据库的访问。

3系统实现

3.1系统平台

文中监控系统的开发环境采用的是VisualStudio2005，编程语言采用的是C#和javascript，前台界面的框架设计采用的是ExtJS，PostgreSQL8.2是该系统的数据库平台。该系统包含了6个类库项目和1个网站项目，项目的划分有利于修改和调整，当系统构架的某部分出现问题时，无需重新生成系统，只需将需要修改的项目进行重新编译，替换DLL文件便可。

3.2数据访问层

数据访问层由5个模块组成，分别是实现模块、接口模块、实体模块、访问模块和反射工厂模块。数据实体是承载数据的载体，通常应用于系统的信息传递当中，它可以定义类的属性，但不会对数据进行任何操作。数据库的操作都是由数据访问接口定义的，接口定义的仅仅是方法，并不包含实际操作。DALPostgres可以让数据访问接口定义的方法得以实现，该操作主要是针对postgreSql数据库。反射在NET中是一个重要的机制，它对已加载程序集的获取可通过定义类型、值类型和接口的反射获得。

3.3业务逻辑层

业务逻辑层是该系统构架的中间层，它处于数据访问层和表示层之间，数据访问对象的建立是通过对DALFactory层的调用，调用到该对象的计算方法，从而获取到需要的数据，将处理后的数据发送至表示层在用户界面显示。如图2所示为业务逻辑层代码结构图：

3.4表示层实现

本系统表示层的框架是综合了ExtJS框架和Ajax框架共同实现的。Ajax技术在系统中激发了Web开发人员的另一种开发思想，即在表示层之间构架富客户，增强用户的体验。不同的浏览器有不同的支持标准，不具兼容性的浏览器为开发人员增加了不少难度，如在创建XMLHttpRequest时，不具兼容性的浏览器导致研究人员必须对浏览器进行逐个测试。

3.5部分功能界面

3.5.1实时信息

实时信息模块会将监控的数据实时的显示在监控界面上，监控界面会用两栏的方式对数据进行更新和显示，至于刷新信息的次数和刷新时间可以根据用户的需求进行设置，另外用户可以直接在工具栏中查看煤矿、传感器等监测类型的数据显示和实时更新。当传感器处于非正常状态时，显示在列表内监测值则呈现红色；若联网状态出现异常，时间也会用红色显示来提醒用户，此时用户需对网络进行重新连接。

3.5.2统计报表

统计报表界面包含了8个图标，分别是报警综合日报表、开关量报警及断电日报表、报警综合月报表、监控设备故障日报表、报警综合年报表、矿井监测系统装置统计表、模拟量报警日报表和模拟量日报表。如图3所示为统计报表界面的截图：

3.5.3系统维护

系统维护有3方面的作用，即设置语音报警、设置短信报警以及权限管理。设置语音报警包括传输状态异常和不同类型的开关量和模拟量，报警持续时间的长短等；权限管理包括角色的增减、修改以及用户信息的更新。

作者：宋秋莲单位：新余学院现代教育技术中心

第三篇 1监控系统结构

1.1传统监测系统的不足

传统煤矿安全监测系统大都采用集散型控制结构，串联总线将线路传输装置连接到地面监测主机上，井下各类监测分站采集的数据，通过数据传输装置与串联总线，传输到监测主机上。这类监测系统内部结构存在明显不足，主要有：

（1）集散型的控制方式，使得系统传输速率较低，传输范围较小；当数据采集分站增加时，系统巡检时间可能大于30s；

（2）传统监测系统线路主要采用阻燃通信电缆，数据在这种电缆中传输时，在通过复杂环境时，如大型机电干扰区，数据信号容易受到干扰，影响数据的真实性；

（3）总线结构单一，形不成有效的线路冗余，当总线局部发生损坏时，往往伴随数据传输中断，甚至系统瘫痪；

（4）监测能力差，做不到危险源的全面覆盖监测。

1.2系统优化

针对上述传统监测系统的不足，本文拟采用光纤工业以太环网组成传输网路。光纤工业以太环网组网能力强、抗干扰能力强、传输数据量大、传输范围广、透明等特点在很多领域获得了广泛的应用，因此适用于煤矿安全生产监测系统的组网要求。从地面将工业以太网延伸至采区工作面，构成环状网路，该网路是基于千兆速度的光纤冗余网路，可以将数据收集装置收集到的所有数据实时、高效、稳定、可靠的传输到地面监测主机上。

1.3系统结构

煤矿安全生产监测系统主要分为中心站、地面监测站、工作面站及现场站四部分，这四部分分别执行不同的功能：组织、控制、功能和监控，反应到实物上为调度室、地面班组站、工作面监控站和各个监测点。

（1）中心站

中心站处于煤矿安全生产监测系统的最顶层，组成结构复杂，负责收集数据、发送命令、反馈信息、组织生产、决策等。中心站要具有人机交换功能，工作人员通过任务编辑系统编辑的信息向中心站发出执行任务请求，中心站根据任务要求将收集到的全部类似信息在显示屏上显示出来，供工作人员筛选。同时中心站也要有数据管理功能，将收集到的信息分类保存，建立数据档案放入数据库内，供工作人员随时查阅。

（2）地面监测站

每个地面控制站都执行一种固定的任务，相互独立，比如火灾预警系统只能对发生火灾的情况有所反应，瓦斯监测系统只能在瓦斯超限时发生警报。地面监测站以工控机或者PC机为核心，配有其它辅助设备如显示器、打印机等。

（3）工作面站

工作面站主要作用是收集该工作面监测点的信息，传输到地面，也对工作面突发状况发出紧急决策信息。

（4）现场站

现场站处于监测系统最低层，主要负责收集数据，执行来自上层的任务，布置于采掘工作面监测点或者需要监测的设备上。现场站具有反馈功能，比如当瓦斯超过临界值后，瓦斯监测系统就会发出报警信号，报警信息传送到中心站，报警点附近作业的工人听到报警信号后，会采取相应的措施，现场站就起到了反馈作用。从功能上，煤矿安全生产监测系统的主要组成为：

①视频监控系统：由防爆摄像机、视屏监控主机、网路接口等设备构成。防爆摄像机采集的信号以视屏信号的形式传输到网路接口，然后转换成光信号传到地面接入设备，再转换成电信号传送到视屏主机上显示出来；

②安全信息监控系统：搜集安全参数，完成控制功能，安全信息全覆盖。基本由监控主机、网路接口、传感器等构成，传感器采集的参数经A/D转换成电信号以后传入网路接口，以后过程与视频监控系统类似；

③人员定位系统：主要负责井下人员的考勤、跟踪和定位，该系统有定位仪、井下环形定位网路、监控主机等构成，定位仪有工人携带，无论工人处在井下哪个角落，定位仪发出的信号都能被环形定位网路接受，转换成电信号传输到监控主机上，主机就能根信号源定位出工人所处的位置。

2系统软件介绍

整个系统软件采用WebGIS处理模型对矢量图形和信息进行远程和管理，对矿井安全信息实时全程监控。

3结束语

基于现有监测系统的不足，提出了以下改进措施：

（1）根据各种危险源的分类，逐一对其分析辨识

本文在传统GIS和MIS两大系统基础上，建立了光纤通信、网路通讯和WebGIS“三合一”的数据监控、管理、统计和分析系统，实现从捕捉危险源到信息的收集、传输、处理、反馈，最后到排除危险源的整过程监控。

（2）分析了传统煤矿安全监测系统的集散型控制结构的不足之处

本文拟采用光纤工业以太环网组成传输网路进行优化，提高了系统的抗干扰能力、传输范围和传输速度等，将收集数据实时、高效、稳定、可靠的传输到地面监测主机上。

（3）优化系统结构，提升系统硬件设施和软件设计的能力

做到对危险源实时动态的监控、预防和控制。

作者：石成涛单位：阳泉煤业（集团）有限责任公司三矿