煤矿物联网统一通信平台的研究.pdf

第 1 O期 2 0 1 1年 1 O月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i ne Au t oma t i on No ． 1 0 0c t ． 2 O1 1 ’“ ’ “’ ” 。 ’ ” ’ i 科研成果 ． ． ． ◆ ． ．H ． ． ’ 文 章编 号 1 6 7 1 --2 5 1 X 2 O 1 1 1 O O 0 O 1 --0 3 D OI C NKI 3 2 1 6 2 7 ／ TP ． 2 0 1 1 0 9 2 2 ． 1 0 2 9 ． 0 0 1 燥矿物联网统一通信平台的研究 霍 振龙 ， 包建 军 天地 常州 自动化股份有限公司 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘 要 提 出 了以 T C P ／ I P协议 为核 心 ， 高速 工业 以太 网络 为 主 干 ， 无 线局 域 网、 无 线 传 感 网 、 现 场 总线 和 R S 4 8 5总 线为延 伸 ， 建设 煤 矿物联 网统一 通信 平 台的技 术 方案 ， 重 点 阐述 了煤 矿 物联 网统 一 通信 平 台架构 、 关键 设 备 、 协 议 体 系、 虚拟 存取 及 面 向服 务 的 通信 平 台架构 的 实现 方法 。 关 键词 煤 矿物 联 网 ；统一 通信 平 台 ；无线 传 感器 网络 ；网关 ； 协议 体 系；虚拟 存取 ；面 向服 务 中图分类号 TD 6 5 5 文献标识码 A 网络出版时间 2 0 1 1 0 9 2 2 1 0 2 9 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 1 0 9 2 2 ． 1 0 2 9 ． 0 0 1 ． h t ml Re s e a r c h o f Un i f i e d Co mmun i c a t i o n Pl a t f o r m o f Co a l M i n e I n t e r n e t of Thi n gs HUo Z h e n - l o n g ． BAO J i a n j u n Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co． ，Lt d． ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r p r o p o s e d a t e c h n o l o g y s c h e me o f b u i l d i n g u n i f i e d c o mmu n i c a t i o n p l a t f o r m o f c o a l mi n e I n t e r n e t o f Th i n g s ，wh i c h t a k e s TC P ／ I P p r o t o c o l a s c o r e ，t a k e s h i g h s p e e d i n d u s t r i a l E t h e r n e t a s b a c k b o n e n e t wo r k ，t a k e s wi r e l e s s l o c a 1 a r e a n e t wo r k，wi r e l e s s s e n s o r n e t wo r k，f i e l d b u s a n d R 4 8 5 b u s a s e x t e ns i o ns ．I t m a i nl y di s c u s s e d a r c h i t e c t ur e o f u ni f i e d c omm u ni c a t i o n pl a t f o r m of c oa I m i ne I nt e r n e t of Thi ng s，ke y g a t e wa y d e v i c e s， pr o t o c o l s y s t e m ， ne t wo r k v i r t u a l a c c e s s a nd i m p l e me n t a t i o n me t h od of a r c h i t e c t ur e o f s e r v i c e o r i e n t e d c o m m u ni c a t i on p l a t f o r m ． Ke y wo r ds c o a l m i n e I n t e r ne t o f Thi ng s，un i f i e d c omm u ni c a t i on pl a t f o r m ，wi r e l e s s s e ns o r ne t wo r k， g a t e wa y，p r ot oc ol s y s t e m ，vi r t ua l a c c e s s ，s e r v i c e o r i e n t e d 0 引 言 随着无线传 感器 网络[ 1 及煤矿物联 网 。 技术 的兴起与发展 ， 煤炭工业 自动化系统正在向网络化 、 智能化方向加速发展 ， 在此过程中， 井下综合网络通 信系统的建立 已经成 为煤 矿物联 网发 展 的关键 环 节_ 4 _ 6 ] 。煤矿企业的信息化建设实践证明 以高速工 业 以太 网 目前 为 百 兆／ 千 兆 工 业 以太 网 为 骨 干 网 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 0 8 基金项 目 天地 科 技 股份 有 限公 司 科技 发 展基 金 项 目 TZ J J 一 2 O1 O CZ一4 作者简介 霍振龙 1 9 6 5 一 ， 男 ， 江 苏常熟 人 ， 研究 员， 中国煤炭 科工集团公司首席科学家 ， 主要研究方 向为煤矿井下人员定位管理 、 有线／ 无线通信 、 物联 网等 。E - ma i l h z l c a r i ． c o rn． c n 络 ， 建设煤矿井上井下统一通信平台是切实可行的 技术方案 ， 符合煤矿生产实际。但是 ， 工业以太网络 仅仅解决了井下局部统一通信 问题 ， 具体到各个采 煤工作面以及人员不方便到达而又必须安装检测设 备的场所 如发火 区 ， 各类系统 、 设备 、 连接方式多 样 ， 各 成体系 。因此 ， 如何构建统一通信 平台成为 一 个急需解决的课题 。 笔 者提 出 以 TC P ／ I P协 议 为 核 心 ， 以 高 速 工业 以太 网为 网络 主 干 ， 无 线 局 域 网 wL AN 、 无 线 传 感器网络 WS N 、 现场总线和 R S 4 8 5总线为延伸， 建设煤矿物联网统一通信平台的技术方案。本文将 着重阐述煤矿物联 网统一通信平 台架构及关键 设 备 、 协议体系、 网络虚拟存取及面向服务软件架构的 原 理 与实 现方法 。 2 工矿 自动化 2 0 1 1年 1 O月 1 煤 矿物 联网 统一 通信 平台 架 构及关 键 设备 竺 竺竺 煤矿物 联 网统 一 通 信 平 台 基 于 TC P ／ I P协 议【 7 ] ， 是煤矿信息系统各上层应用子系统与井下设 备子系统实现交互 的纽带 ， 它 向上层应用 系统提供 统一 、 透明、 独立的网络数据传送服务 ， 并统一管理 井下 支 持 各 类 协 议 的 通 信 端 口， 如 E t h e r n e t 、 wL AN、 Z i g B e e 、 6 L OWP AN、 C AN 总 线 和 R S 4 8 5 等 ， 如 图 1所示 。 图 1 煤矿物联网统一通信平 台架构 从图 1 可看出， 工业 以太 网的各类转换 网关成 为构建该通信平台的关键设备 1 E t h e r n e t WL AN／ R S 4 8 5 网 关 通 过 T C P ／ UDP协议承载 RS 4 8 5总线的串行数据 ， 实现 链路层数据的透明传送 。 2 E t h e r n e t WL AN／ C AN 网 关 支 持 C AN2 ． 0 B协议 ， C AN协议分帧组装成 T C P ／ UDP 包 ， 实现链路层数据 的透 明传送。 3 E t h e r n e t WL A N／ WS N 网关 Z i g B e e 是 目前 WS N 的主流 协议 标 准 ， 由于 Z i g B e e网络 的 节 点寻址和 自组织网络体系与 I P协议体系差异较大， 需要 设 计 应 用 层 网关 实 现 2种 异 构 网络 的 互 通 。 WS N的另 一类 协 议 体 系直 接 支持 I P v 6 ， 与 现 有 I P v 4网络 体 系 基本 兼 容 ， 称 为 6 L O W P AN， 它 通 过 压缩 I P包头等优化方法减小数据流量和降低功耗 ， 实现与 I P网络的无缝接人。 2 煤矿物联网统一通信平台协议体系 煤矿 物联 网统 一 通 信 平 台层 次 结 构 如 图 2 所 示 。 、 物理层 物理层定义 了设备与物理媒介之间的 关系 ， 包括引脚 、 电压 、 线缆和适配器等 ， 参与解决通 信过程 中的访问冲突和流量控制 等问题 ， 如 TI A／ E I A 一4 8 5 一A和 T I A／ E I A一4 2 2 一A规 范 所 定 义 传输层 网络层 链路层 物理层 通信服务提供者 [二 ][二]互] [二二二 二二][ 图圉目 图 2煤 矿 物 联 网 统 一 通 信 平 台层 次 结 构 的 R S 4 8 5 ／ 4 2 2物 理层 标准 。 链路层 链路层 的功能为管理最底层的比特流 数据 ， 保证端对端的数据正确透明地传送 ， 具体包括 链路管理、 帧同步、 差错控制和流量控制等。链路层 一 般由介质存取控制和逻辑链路控制 2 个独立的部 分 组成 。 网络层 网 络层 在 网络 源 节 点 和终 节 点 间建 立 连接。该层包含 I P协议和 R I P协议 ， 负责数据 的 包装 、 寻址和路 由； 同时还 包含 网间控制 报文协议 I C MP， 用来提供 网络诊断信息 。 传输层 传输层 向上层提供可靠 的端到端 的网 络数据流服务 。其功能包括流控管理 、 多路并发传 输、 虚电路管理及差错校验和恢 复。流控管理确保 数据发送设备 的数据发送速度不超过数据接收设备 的处理能力 ； 多路并发传输使得多道进程的数据可 以同时在一个物理链路上传输 ； 虚电路是由传输层 建立 、 维护和终止的一条虚拟的数据传输逻辑通道； 差错校验包括传输错误检测和为差错恢复包括所采 取的行动， 如请求数据重发 ， 以便解决传输中发生的 任何错误 。传输层主要包括 2类协议 T C P提供可 靠的面向连接的传输层协议 、UD P提供无连接 的 实时传输层协议。 应用服务层 应用服务层介于具体通信实现与 上层应用系统之间， 一方面 ， 它将各类通信方式和设 备的共同属性与功能抽象 出来形成泛化调用接 口， 在此基础上定义可用服务集合 ； 另一方面 ， 应用服务 层作为通信服务平 台代理 ， 负责上层子系统对通信 服务 的查找、 申请 、 认证 、 使用和释放等动作 的受理 和执行 ， 以面向服务架构开放通信服务平台。 3 网络虚拟存取功能 网络虚拟存取是煤矿物联 网统一通信平 台的 一 项重要功能 ， 它通过支持并发访问的网络协议 ， 将 井下独占方式访问的物理通信资源虚拟成可供多个 应用客户并发访问的共享资源 ， 如图 3所示。对应 用客户而言 ， 资源的访 问方式不变 ， 通信平台提供低 2 0 1 1年第 1 O期 霍振龙等 煤矿物联 网统一通信平 台的研 究 3 。 级 的驱动与访问互斥控制 。图 3中的客户表示使用 通信资源 的一个客户端， 它们可能分布于网络不 同 的机器上 ， 属于不 同的应用子系统 ； 同一个进程可能 启动一个客户 ， 也可能以多个线程启动多个客户 ； 通 信平 台以服务 的方式对上 层提供虚拟设 备通信 服 务 ， 每个物理通道对 于客户都是 以一个虚拟的可独 占的逻辑设备而展现。 客 户1 客 户2 客户m 物理设备／ 信 - R S4 8 ． 通信服务链路1 ⋯／ - 一 R S 48 ． 通 信 服 务 链 路 2 -、 、、 ． 通信服务链跏 ＼ -’ 1， 、 RS4 8 虚拟设备 图 3 网络虚 拟存 取模型 4 面 向服 务 的通信 平 台 面向服务的通信平 台的功能在于代理和利用通 信服务而不是某一种具体协议的执行。该设计思想 来源于面 向服 务架构 S OA。要实现 S OA， 首先 需 要完成 2 个基本任务 服务 发现 和提供存取服务的 方法[ 8 ] 。按照 s OA的模型， 使用通信服务需要经 过 4个步骤 1 服务提供者 向通信服务平 台的服 务 代 理注 册可 以提 供 的服 务 ； 2 服 务 用户 向服 务 代理 申请某一种通信服务 ； 3 服务代理指定某适 合 的服务给服务用户 ； 4 服务用户向服务提供者 发 出通信服务请求 ； 5 服务 提供者 响应请求 、 执 行请求并 向用户返 回执行结果 。 面向服务 的通信平 台采用上述机制可将通信服 务执行的协议 、 步骤与具体过程抽象出来 ， 展现给上 层应用的是服务说 明， 特别适用于技术实现细节 的 封装 ， 用于增强系统 的安全性 、 可靠性和可扩展性。 图 4为通信服务平 台的总体架构。 1 人 员 定 位 I I 安 全 监 测 l l 救 灾 通 信 I ⋯ ⋯ 其 它 子 系 统 基于 T C P ／ I P 协议的统一通信服务平台 Cl i e n t／ S e r v e r 、 We b S e r v e r 、C OM／ DC OM r ．／ 一 一 一 基 T C P ／ 1 P 协议的井下主干通信网络＼ ＼ 、 ， 工业以太网、 环网、 无线局域网 6 L OWP A N网关 Z i g B e e 网关 C A N网关 R S 4 8 5 网关 支持6 L O WP A N 支持Z i g B e e 支持C A N总线 支持R S 4 8 5 规范的设备 规范的设备 规范的设备 规范的设备 图 4 通信服务平 台的总体架构 5结语 以高速工业 以太 网络为核心 ， 以无线局域网、 无 线传感器网络和现场总线等作为延伸的煤矿物联 网 统一通信平 台架构 ， 符合 当前网络与通信技术发展 的主流趋势 ， 也符合煤矿特殊生产环境以及矿用物 联 网建设的需求 。 笔者提出的建设煤矿物联网统一通信平台的方 案， 以 TC P ／ I P协议为核心开发各类 网关 ， 将各类 异 构网络汇接到以太 网络 ， 以虚拟存取和面 向服务 方 式向上层各类子系统提供了相互独立和透明的数据 传送通道， 为各类子系统对井下通信信道 的分配和 共享提供了统一的管理途径 ， 减少了设备重复投资， 降低了井下通信系统的复杂性 ， 提高了各类子系统 的相互 兼容 性 。 煤矿井下各类监测 、 监控系统众多 ， 各类有线、 无线通信网络相互独立 、 自成体系 ， 因此 ， 制定井下 设备通用接入标准 ， 分层规范协议 ， 用统一通信平台 逐步推动煤矿物联 网的标准化建设 ， 在现阶段具有 重 要 意义 。 参考文献 李建 中， 高宏． 无线 传感 器 网络 的研 究进 展 E J ] ． 计 算 机研 究与发展 ， 2 0 0 8 ， 4 5 1 1 1 5 ． 孙继平． 煤矿物联网特点与关键技术研究[ J ] ． 煤炭学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 1 1 6 7 1 7 1 ． 孙彦景 ， 钱 建生 ， 李世 银 ， 等． 煤矿物 联 网络 系统 理论 与关键技术[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 I ， 3 9 2 6 9 7 2 ． 钱建生 ， 马姗姗 ， 孙彦景． 基于物联网的煤矿综合 自动 化系统设计[ J ] ． 煤炭科学技术 ， 2 0 1 1 ， 3 9 2 7 3 7 6 ． 解海东 ， 李 松林 ， 王 春雷 ， 等． 基 于物联 网的智能 矿 山 体系研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 3 6 3 - 6 6 ． 张 申， 丁恩杰 ， 徐钊 ， 等． 物联 网与感 知矿 山专题 讲座 之二 感 知 矿 山物 联 网 的特 征 与关 键 技 术 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 1 2 1 1 7 1 2 1 ． S TEVENS W R． TCP ／ I P I l l u s t r a t e d， Vo l u me 1 Th e P r o t o c o l s M] ． 范建 华 ， 译 ． 北 京 机 械 工业 出 版社 ， 2 0 00． BERND R，DI RK H ．A M od e l f or Se r v i c e - Or i e n t e d C o mmu n i c a t i o n S y s t e ms[ J ] ．J o u r n a l o f S y s t e ms Ar c h i t e c t u r e ， 2 0 0 8 5 4 5 9 4 6 0 6 ． ERL T． Se r v i c e - Or i e nt e d Ar c hi t e c t ur e Con c e pt s， T e c h n o l o g y ， An d D e s i g n [ M] ． N J P r e n t i c e-Ha l l ， 2 00 5． ] ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [ [ [ [ [ [ [ [ [