基于矿山物联网的井下物资管理系统设计.pdf

第 4 4卷 第 1期 2 0 1 8年 1月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n Vo l J 4 4 No ． 1 J a n．2 01 8 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 1 0 0 9 9 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 8 ． 0 1 ． 2 0 1 7 0 7 0 0 2 2 基于矿山物联网的井下物资管理系统设计 高彬 。 ， 丁恩 杰 。 ， 董飞 ， 赵 端 ， 张帝 1 ． 中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ． 矿 山互联网应用技术 国家地方联合工程实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 3 ． 中国矿业 大 学 物联 网 感 知 矿 山 研究 中心 ，江苏 徐 州 2 2 1 0 0 8 摘要 针对井下物资管理混乱、 物资消耗信息录入延迟且不准确、 劳动力浪 费等 问题 ， 设计 了一套基 于矿 物联 网的 井下物 资管理 系统 ， 给 出 了该 系统 的物联 网架构 ， 阐述 了该 系统功 能模 块的设 计 。该 系统 利 用有 RF I D标 签与 智能 手持 终端从 现 场环 境 获 取 井下 物 资信 息 ， 并 通过 Wi F i网关将 数 据 上 传 到 数 据服 务 器 ，服 务 器将数 据 处理后 转存 到数 据库 中， 通过 We b技 术 访 问 、 处理 并显 示 数 据 ， 从 而 实现 对 井 下物 资生命 期 的 实时监测 与 管理 。 关 键词 矿 山物联 网 ； 物 资 管理 ；有 源 R F I D；智能 手持 终端 ； Wi F i 中图分类 号 TD 6 7 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 1 2 2 5 1 4 1 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 1 2 2 5 ． 0 9 0 9 ． 0 0 4 ． h t ml De s i g n o f u nd e r g r o u nd ma t e r i a l ma na ge me n t s y s t e m ba s e d o n mi n e I n t e r n e t o f t h i n gs GAO Bi n 。 ’ 。 ， DI NG En j i e ， 。 ， 。 ， DONG Fe i 。 ’ 。 ， ZHAO Du a n ’ 。 。 ， ZHANG Di ’ 。 。 1 ． S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d C o n t r o l En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a；2 ． Th e Na t i o n a l a n d Lo c a l J o i n t En g i n e e r i n g La b o r a t o r y o f I n t e r n e t Te c h n o l o g y o n Mi n e ，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a ；3 ． I n t e r n e t o f Th i n g s P e r c e p t i o n M i n e Re s e a r c h Ce n t e r ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n or d e r t o s o l ve p r o bl e m s o f d i s or d e r e d un de r g r ou nd ma t e r i a l m a na g e me nt ，de l a ye d a nd i n a c c ur a t e i nf o r m a t i o n of ma t e r i a l c o ns umpt i on a nd wa s t e d l a bo ur ，a n u nd e r gr o un d ma t e r i a l m a n a g e m e nt s ys t e m b a s e d on mi ne I n t e r ne t o f t hi n gs wa s de s i g ne d．I nt e r ne t o f t h i ng s a r c hi t e c t u r e o f t he s y s t e m w a s g i ve n a nd f un c t i on m o du l e d e s i gn of t he s ys t e m wa s d e s c r i be d． M a t e r i a l i n f o r ma t i o n c o l l e c t e d f r o m wo r k i n g e n v i r o n me n t i s o b t a i n e d b y a c t i v e RFI D t a g a n d i n t e l l i g e n t h a n d h e l d t e r mi n a l ，a n d u p l o a d e d t o d a t a s e v e r t h r oug h W i Fi ga t e wa y． The d a t a i s pr o c e s s e d i n t he s e r ve r a nd s t o r e d i n d a t a ba s e． a n d t he pr o c e s s e d d a t a i s a c c e s s e d，pr o c e s s e d a nd d i s pl a y e d by W e b t e c h no l og y． The r e f o r e ， r e a l t i m e m o ni t o r i n g a n d m a n a ge m e nt o f l i f e c y c l e o f und e r g r ou nd ma t e r i a l c a n b e a c h i e v e d． Ke y wo r d s mi n e I n t e r n e t o f t h i n g s ； ma t e r i a l ma n a g e me n t ；a c t i v e RFI D；i n t e l l i g e n t h a n d h e l d t e r mi n a l ； W i Fi 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 7 0 9 ； 修回 日期 2 0 1 7 - 1 2 1 1 ； 责任编辑 盛男 。 基金项 目 江苏省产学研 联合创新 资金前 瞻性联合研究 资助项 目 B Y2 O 1 5 O 2 3 0 4 ； 江苏省研究 生培养 创新工程项 目 KYL x ．_ 1 3 8 5 。 作者简介 高彬 1 9 9 2 一 ， 男 ， 安徽 萧县人 ， 硕 士研究生 ， 主要研究方 向为大数据与人体姿态识别 ， E ma i l c u mt _ b i n g a o 1 8 3 ． C O rn。 引用格式 高彬 ， 丁恩杰 ， 董飞 ， 等． 基于矿山物联 网的井下物 资管理 系统设计 [ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 8 ， 4 4 1 9 9 1 0 3 ． GA O B i n ， D I NG E n j i e ， D ONG F e i ， e t a 1 ． D e s i g n o f u n d e r g r o u n d ma t e r i a l ma n a g e me n t s y s t e m b a s e d o n mi n e I n t e r n e t o f t h i n g s [ J ] ． I n d u s t r y a nd M i ne Au t o ma t i o n， 2 01 8， 4 4 1 9 9 1 0 3 ． 山源中周 1 O 0 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 0 引言 随着物联网技术的发展， 矿山物联网技术[ 1 ] 应 运 而生并 逐渐 应用 于煤矿井 下各 个方 面 。中 国在 矿 山物联 网的理 论和 应 用方 面 都 取得 了一 定 成果 ， 形 成了关于感知矿山建设的应用理论模型并研制了相 关设备 。如丁恩杰等 以矿灯为载体 ， 研制 了具有 感知井下现场环境信息、 人员定位信息功能 的双向 通信智 能终端； 钟媛等L 6 ] 针对矿井设备管理方式效 率低 的 问题 ， 设 计 了 基 于 物 联 网 的 矿 井 设 备 管 理 系统 。 对于煤矿企业物资管理来讲 ， 大部分企业在井 上已经实现了物资计划 、 审核 、 购进、 领用的信息化 闭合管理。但对井下物 资消耗过 程的掌握还不到 位， 存在以下问题 ① 井下环境复杂 ， 常用物资与很 少使用 的物资 随意 堆放 ， 造 成 物资分 类 不 明确。 ② 为配合内部核算系统， 井下物资使用情况 由人工 在地面进行录入 ， 无法实时掌握井下物资消耗动态， 造成物资消耗信息录入延迟， 同时容易造成物资消 耗信息不准确。③ 物资 审核部 门为了解井下剩余 物资的使用情况 ， 每个月安排审核人员下井检查井 下物资使用情况 ， 导致人员工作重复及劳动力浪费。 本 文设 计 了一套基 于矿 山物联 网 的井 下物 资管 理系统 。该 系统 利 用 有 源 RF I D标 签 、 智 能 手 持 终 端及基于 Wi F i 的网络传输协议从现场环境获取井 下物资分类信息与动态使用信息， 并通过 We b技术 实现对井下物资信息的实时监测与管理。 1 系统架构 基于矿山物联网的井下物资管理系统通过煤矿 井下智能手持终端及有 源 RF I D标签采集相关 信 息， 通过 Wi F i 网关 以 UD P协议将采集数据传送到 相应数据服务器中， 数据服务器接收数据并通过事 先 规范 的数据 格式 进 行数 据 清 洗 ， 之 后 写入 数 据 库 中 。通 过 We b技 术进行 数据 的处 理访 问 ， 用户 访 问 前设置数据处理程序 ， 并将 系统连入互联网中[ 7 ] ， 实现物资信息的实时监测与管理 。结合煤矿井下特 殊工作环境 ， 基于矿山物联网的井下物资管理系统 架 构划 分为感 知层 、 网络 层 、 数 据 层 、 应用 层 ， 如 图 1 所 示 。 1 在感知层 ， 利用智能手持终端完成物资分 类 、 入库 、 存 放地址 、 领 用、 报修／ 维修 记 录、 变更 、 报废 处理等生命 周期信 息的采集 ， 同时将数 据上 殴 据● P 数 据 I _ - 数 据 ● P } 务器 雨雨 I I 煤矿井下以太环网 O 煤矿井下 以太环网 I 。 嗍 。 ⋯⋯⋯1 ⋯⋯⋯ l 一 图 l 基于矿 山物联网的井 下物 资管理系统总体架构 F i g ． 1 Ov e r a l l a r c h i t e c t u r e o f u n d e r g r o u n d ma t e r i a l ma n ag e me nt s ys t e m ba s e d o n mi ne I n t e r n e t o f t hi n gs 传 到 W i F i 网关 。 2 在网络层 ， 通过矿井工业 以太环网并结合 井下与井上的 Wi F i 网关， 实现感知层信息 的实 时 传输 ， 从而为数据层提供准确 、 实时的数据。 3 数据层利用类 型多样的数据库集群 ， 采用 数 据服务器 建立 数 据平 台 ， 综 合 运 用井 下 采 集 的各 类物资数据， 建立物资信息物理模型， 通过分析及预 测 物资使 用情况 ， 为物 资 管 理提 供 多 维 度 、 多层 次 、 多 联动 的智能监 测平 台 。 4 应用 层实 现系统 与使用 者之 间的交 互 。 2系统主 要功 能实现 2 ． 1 感知 层 在感知层， 基于矿山物联网的井下物资管理系 统利用有源 RF I D标签来实现井下物资信息的生命 周期 管 理 。作 为 物 联 网 技 术 感 知 层 的 主 要 载 体 ， R F I D技术有识别迅速、 自动化程度好 等特 点。与 传统 的无源 RF I D技术相 比， 有源 RF I D技术克服 了读写距离短、 识别信息不准确的缺点 ， 更适合环境 复杂 、 物资 消耗迅 速 的井 下使 用 。 感知层的 R F I D标签分为 2种 。一种是 内容不 可更改的固定区域定位标签 在井下重要地点无盲 点地布置当前区域定位标签 ， 当井下人员携带智能 手持终端通过该标签 的覆盖范围时， 便可读 取当前 标签位置信息。另一种是 内容可更改的物资标签 通过智能手持终端读取存储在物资标签内的信息来 获取 该物 资相关 信 息 ， 可根 据 物 资使 用 情 况 通过 智 能手持终端对标签内物资信息进行适 当修改 ， 对 已 完成当前物资使用任务的标签， 可通过手持终端修 2 0 1 8年第 1期 高彬等 基 于矿 山物联 网的井下物资管理 系统设计 1 0 1 改物资标签唯一标志符及相关 内容信息 ， 以实现对 物资标签的重复使用 。 2 ． 2 网络 层 网络层 以矿井工业 以太环网和 Wi F i 传输 网络 为基础。对 于 系统 的 Wi F i 数 据 传 输 ， 采 用 支 持 I E E E 8 0 2 ． 1 1 b ／ g ／ n无 线 协议 的低 成本 、 超低 功耗 嵌 入式 Wi F i 模块 HL KM3 5 。该模块与单片机之间 采用 串口通信 ， 单片机发送 AT指令对 Wi F i 模块进 行配置[ 9 ] ， 实现 与 Wi F i网络 连 接； 硬件 上集成 了 MAC、 射频收发单元及功率放大器 ； 嵌入式 固件支 持 Wi F i 协议及配置 ， 以及组网的 TC P ／ I P协议栈 。 网络层将采集的井下物资信息和手动报警信息 等上传到数据服务器 ， 同时可接收数据服务器下发 的信息 ， 因此 ， 基于 UDP协议实现双 向通 信。智能 手持终 端完 成 数 据 发送 后 ， 需 要 等 待 1个 “ Wa i t T i me ” 时长 ， 之后 接 收到数 据 服 务 器发 送 的响 应 ， 表 示 1次数据上传成功。随后智能手持终端进入待机 状态 ， 等待下一次数据上传_ 1 。如果智能手持终端 在 1 个“ Wa i t T i me ” 时长后没有收到应答信号， 则会 持续 向数据服务器发送数据包 。数据服务器接收到 数据后 ， 首先进行数据解析 ， 判断是否为手动报警 ， 如果不是则智能手持终端为正常状态 ， 否则数据服 务器会再发送 1个应答信号 。该“ Wa i t Ti me ” 与未 收到 应答 后重 发 机制 的设 置 可 实现 基 于 UD P协 议 的可靠数据传输。 2 ． 3数 据 层 数据层是应用层的数据载体， 为应用层软件提 供数 据存 储 、 管理 、 查询 的 功能 。为 实现数 据处 理 的 及时性及加快用户对数据 的访 问速度， 并未直接将 原始数据存到数据服务器 中， 而是在数据服务器端 使用 J a v a语言 编写 了多接 口、 多层 次的 中间件 程 序 ， 将数据传输 网络采集的原始数 据通过 UDP协 议进行接收并处理 ， 实现数 据服务器与物资信息数 据 的交互 L I 。 数据 处理 流程 如 图 2 所 示 。数 据服务 器 端监 听 连接 ， 一旦接收到智能手持终端通过 网络层发送 的 数据 ， 便开启多个线程进行数据处理r 1 引。对于智能 手 持 终 端 上 传 的 正 确 信 息， 直 接 存 入 预 先 在 My S QL数据库 中构建 的相应数据模 型表 中； 对 于 异常数据 ， 打包存到异常数据文档 中留用并及时反 馈到相应智能手持终端 。 为方便应用层对物资信息数据的管理与维护 ， 在原有的井上物资模型基础上 ， 结合系统特点 ， 补充 井下 定位标 签与物 资标签 的数据模 型表 ， 结构见 表 1 、 表 2 ， 其中 P K表示主键 ， F K表示外键。 图 2 数 据处理流程 Fi g ． 2 Da t a p r o c e s s i n g f l o w 表 1 定位 标签数据模型 Ta b l e 1 Lo c a t i o n t a g d a t a mo d e l 表 2 物资标签数据模 型 Ta b l e 2 M a t e r i a l t a g d a t a mo d e l 标签 I D是识别定位标签和物资标签 的唯一编 号 。对 定 位 标 签 和 物 资标 签 分 别 进 行 E P C 编 1 O 2 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 码 ， 如 图 3所示 。 区 区 区 区 ’ ’ ’ [ 臣 圃臣巫麴匣亟 a 定位标签 区 区 区 区 t t ’ ’ 匡 匝 匝塑麴[ 匮] b 物 资 标签 图 3标签 编码 Fi g． 3 Ta g c o di ng 2 ． 4 应 用层 应用 层采 用 基 于 B ／ S 的三 层 架 构 ， 如 图 4所 示 。 后台 部 分 采 用 基于S t r u t s 2 ／ S p r i n g ／ Hi b e r n a t e I 1 。 的 We b技 术 将 数 据 从 数 据 库 中 调 出 ， 并处 理成 J S ON J a v a S c r i p t Ob j e c t No t a t i o n 数 据 格式 。J S ON是 一 种 理 想 的数 据 交 换 语 言 ， 其 基 于 J a v a S c r i p t 的一个 子 集 ， 采 用 完 全 独 立 于 语 言 的 数 据文 本格式 ， 易 于编写 与 阅读 ， 非 常方便 后 台和前 端的交互处理， 并与 E a s y UI 兼容。前台部分采 用 E a s y UI 及 E C h a r t s 前端显示技术将处理好 的数据 显示给用户。用户可通过 we b页面查看相应信息 ， 使物资管理人员通过页面信息对井下物资的生命周 期 进行 实时监 测 与管理 。 应用服务器 I 一旦 堡一 I ； j 数 据 服 务 器 [ 圈圆圈 图 4应 用 层 架 构 Fi g． 4 Ar c h i t e c t u r e o f ap pl i c a t i o n l a y e r 在功能上， 系统应用层主要分为物资管理模块、 标签管理模块 、 基础信息管理模块 、 历史数据查询 模 块 。 1 物资管理模块。该模 块将所有物资类型通 过列表 显示 ， 用 户可 根 据物 资种 类 、 物 资 名称 、 上 级 种类编码进行检索 ， 查询对应 的物资分类 、 入库 、 存 放地址、 领用、 报修／ 维修记录、 变更 、 报废处理等生 命周期信息 。同时可进行物资定位查询 ， 采用到达 时间戳差值的方式对被领用的物资进行定位 。物资 定位具体方法 ① 从数据库中提取智能手持终端扫 描到的物资标签与定位标签 的到达时间， 将这些时 间数据转 换成时 间戳 的格式。② 设置双层循 环。 第一层循环遍历定位标签时间戳 ， 确定当前智能手 持终端位置 ； 第二层循环遍历物资标签时间戳， 并与 第一层循环中当前定位标签时间戳作差对 比， 可确 定 当前物资处在哪个定位标签范围内。 2 标签管理模块 。该模块主要负责动态显示 智能手持终端扫描到的定位标签和物资标签信息。 根 据 主外键 关联关 系获取 相应 的标签 所在位 置 及标 签绑定物资信息 ， 并可通过标签内含有的剩余 电量 及领用时间信息来实现标 签的电池更 换和定期维 护 ， 同时可 对 已报 废标签 进行 删除 ， 将 报废 信息 转存 历史 数据库 中。 3 基础信息管理模块。该模块主要与智能手 持终端进行 交互 ， 包括报警信息维护 、 来往消息查 询 ， 主要作 用是查 看 并 维 护井 上 与井 下 人 员 之 间 的 通信信息 ， 通过信息分析相应需求 。 4 历史数 据查 询模块 。该 模块 可 实 时查 询井 下物资的历史使用情况 ， 动态掌握物资 的使用轨迹 和使用周期 ， 实现井下物资从计划到领用的闭合管 理 ， 并能按需生成各类报表 ， 还可通过历史数据为以 后采购、 使用物资提供依据 。 3 结语 基于矿山物联网的井下物资管理系统建立在有 源 RF I D技术、 井下智能手持终端与 Wi F i 传输网络 的基础上， 可对井下物资的使用信息进行实时监测 和管理 ， 实现 了对井 下物 资的统 一监控 ， 极 大减少 了 井下物资的浪费。 参考文献l R e f e r e n c e s [1] 张 申， 丁恩杰 ， 徐钊 ， 等． 物联 网与 感知矿 山专题讲 座 之一 物联网基 本概念 及典 型应用 [ 1 3 ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 1 0 1 0 4 1 0 8 ． ZHANG S h e n， DI NG En j i e ， XU Z h a o， e t a 1 ． P a r t I o f l e c t u r e o f I n t e r n e t o f t h i n g s a n d s e n s o r mi n e b a s i c c o n c e p t o f I n t e r n e t o f t h i n g s a n d i t s t y p i c a l a p p l i c a t i o n V J ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 0 ， 3 6 1 0 1 0 4 1 0 8 ． [ 2] 张 申， 丁恩杰 ， 徐钊 ， 等． 物联 网与 感知矿 山专题 讲座 之二感知矿山与数字矿山、 矿山综合 自动化E J 3 ． 2 0 1 8年 第 1 期 高彬 等 基 于矿 山物 联 网的井 下物 资管理 系统 设计 1 O 3 [3 ] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] 工矿 自动化 ， 2 O l O ， 3 6 1 1 1 2 9 1 3 2 ． ZHANG S h e n， DI NG En j i e ， XU Zh a o， e t a 1 ． P a r t 1 ／o f l e c t u r e o f I n t e r n e t o f t h i n g s a n d s e n s o r m i n e s e n s o r mi n e ，d i g i t a l mi n e a n d i n t e g r a t 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mo n i t o r i n g s y s t e m f o r a i r q u a l i t y [ J ] ． Mo d e r n E l e c t r o n i c s Te c h n i q u e ， 2 0 1 6 ， 3 9 8 7 6 7 9 ． [ 1 3 3 肖林京 ， 文艺成 ， 孙传余 ， 等． 矿 井物 流管理 和人 员定 位系 统数 据库 设 计 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 2 6 2 9． XI AO L i n j i n g， W EN Yi c h e n g ， S UN Ch u a n y u， e t a 1 ． De s i g n o f d a t a b a s e o f mi n e l o g i s t i c s ma n a g e me n t a n d p e r s o n n e l p o s i t i o n i n g s y s t e m[ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 2 6 - 2 9 ． [ 1 4 1 曹利刚 ， 冯浩 ， 于盛睿． 基于 B ／ S结构陶瓷窑炉远程监 测系统软件设计 [ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 1 0 ， 1 8 1 2 2 8 9 4 2 8 9 7 ． CAO Li g a n g， F ENG Ha o，YU S h e n g r u i ．De s i g n o f r e mo t e mo n i t o r i n g s y s t e m f o r c e r a mi c k i l n b a s e d 0 n B ／ S a r c h i t e c t u r e[ J ] ．C o mp u t e r Me a s u r e me n t a n d C o n t r o l ， 2 0 1 0 ， 1 8 1 2 2 8 9 4 2 8 9 7 ． [ 1 5 ] 张建军 ， 刘 虎， 倪芳 英． 基 于 S S H 与 Hi g h c h a r t s整合 架构的 We b应用研究 [ J ] ． 计算 机技 术与发 展 ， 2 0 1 3 ， 2 3 9 2 4 5 - 2 4 7 ． Z HANG J i a n j a n， L I U Hu。 NI F a n g y i n g ． Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f W e b a r c h i t e c t u r e b a s