感控一体异构融合的矿山物联网应用技术

目　录

第1章　概述　1

1．1　处不在的物联网　1

1．2　物联网的系统结构　1

1．3　煤矿物联网的系统架构　2

第2章　物联网的感知层技术　4

2．1　自动识别技术　4

2．1．1　条码识别技术　4

2．1．2　射频识别技术　6

2．2　传感技术　11

2．2．1　传感器概述　11

2．2．2　微机电传感器系统　12

2．2．3　智能传感器　13

2．3　定位技术　14

2．3．1　卫星定位技术　14

2．3．2　移动定位技术　15

2．3．3　传感定位技术　16

2．4　传感网技术　17

2．4．1　网络支持技术　17

2．4．2　服务支持技术　19

2．4．3　应用支持技术　21

第3章　物联网的传输层技术　24

3．1　有线通信传输　24

3．1．1　三网融合　24

3．1．2　光纤工业以太环网　26

3．1．3　现场总线　27

3．2　线通信传输　30

3．2．1　长距离线通信　30

3．2．2　北斗卫星导航系统　38

3．2．3　短距离线通信　40

第4章　物联网的应用层技术　48

4．1　应用层概述　49

4．1．1　通用应用层架构研究　49

4．1．2　通用应用层的分层结构研究　49

4．1．3　通用应用层API　50

4．2　云计算　50

4．2．1　基础设施即服务　51

4．2．2　平台即服务　55

4．2．3　软件即服务　56

4．3　软件和算法　64

4．3．1　面向服务的体系架构(SOA)　64

4．3．2　中间件技术　66

4．3．3　数据管理　66

4．3．4　感知信息处理技术　72

4．3．5　信息融合方法　75

4．3．6　智能数据分析　77

4．4　应用层标准体系　81

4．4．1　物联网标准化　81

4．4．2　国内标准化进展　82

4．5　应用层其他关键技术　83

4．5．1　物联网标识、解析与寻址技术　83

4．5．2　网络管理技术　87

第5章　感控一体的煤矿物联网系统　90

5．1　基于物联网的煤矿安全监控系统　90

5．2　智慧煤矿感知层设计　93

5．2．1　设备识别和管理　94

5．2．2　设备参数采集　94

5．2．3　环境参数采集　95

5．2．4　视频监控系统　95

5．2．5　感知层融合技术　96

5．2．6　煤矿设备控制　97

5．3　基于物联网技术的煤矿调度指挥系统　97

5．3．1　煤矿调度指挥控制中心　97

5．3．2　煤矿井下调度系统　98

5．4　矿井巷道延伸追踪系统　98

5．5　矿山灾害预警与救护系统　99

5．6　煤矿运输系统　101

5．6．1　煤矿皮带运输监控系统　101

5．6．2　矿井轨道运输监控系统　102

5．7　煤矿井下人员定位系统　103

5．8　视频监控系统　104

5．9　矿井提升监控系统　105

5．10　矿井通风监控系统　105

5．11　压风机监控系统　106

5．12　矿井排水监控系统　106

5．12．1　煤矿主排水系统　107

5．12．2　煤矿井下排水系统　107

5．13　煤矿隐患监察系统　107

5．14　矿井火灾监控系统　108

5．15　煤矿供电监控系统　108

5．16　采煤工作面监控系统　108

5．17　瓦斯抽采监控系统　109

5．18　煤炭产量远程监测系统　109

5．19　井下智能单兵系统　109

5．20　矿山物联网实时监控系统　110

5．20．1　物联网对矿山人员的实时监控　110

5．20．2　物联网对矿井环境的实时监控　111

5．20．3　物联网对矿山物理系统的实时监控　111

第6章　异构融合的煤矿物联网结构　113

6．1　异构融合的网络层设计　113

6．1．1　煤矿物联网异构融合的网络结构　113

6．1．2　网络异构性　114

6．1．3　异构融合网关设计　115

6．1．4　异构融合网关的实现　116

6．2　高度集成的数据处理层设计　119

6．2．1　数据集成过程　120

6．2．2　应用集成过程　122

6．3　静动态分簇相结合的物联网结构　125

6．3．1　静态分簇网络和动态分簇网络　125

6．3．2　静动态分簇相结合的数据融合　127

6．3．3　实验分析　129

6．4　一种基于层次结构的能量均衡数据融合技术　129

6．4．1　定向扩散路由中的数据融合技术　129

6．4．2　基于分层结构的数据融合技术　130

6．4．3　一种基于层次结构的能量均衡数据融合技术　131

6．5　煤矿物联网部分子系统设计　134

6．5．1　变电所子系统设计　134

6．5．2　水泵房子系统设计　136

6．5．3　压风机子系统设计　139

6．5．4　通风机子系统设计　141

第7章　煤矿物联网应用　143

7．1　煤矿物联网多功能读写器设计　143

7．1．1　多功能物联网读写器系统结构　143

7．1．2　读写器的微控制器　144

7．1．3　读写器的射频识别模块RFM22　144

7．1．4　读写器的ZigBee模块CC2430　145

7．2　基于物联网的工矿企业现场诊断与管理系统　146

7．2．1　工矿企业现场诊断技术　146

7．2．2　工矿企业现场诊断与管理现状及存在问题分析　146

7．2．3　基于物联网的工矿企业现场诊断与管理系统功能和关键技术　147

7．2．4　工矿企业现场诊断与管理系统的物联网架构　147

7．2．5　工矿企业现场诊断与管理系统的多源信息融合感知层设计　148

7．2．6　基于物联网的工矿企业现场诊断与管理系统结构　149

7．3　基于物联网感知的煤矿设备智能管理系统研究　150

7．3．1　概述　150

7．3．2　设计思想　151

7．3．3　基于物联网的煤矿设备智能管理系统功能与特点　151

7．3．4　煤矿设备智能管理系统的实现　152

7．4　煤矿巷道线感知节点布置策略及定位算法　154

7．4．1　概述　154

7．4．2　基于节点收发信号强度的狭长空间定位算法分析　155

7．4．3　狭长空间三种不同线感知节点布置方法的定位比较　155

7．4．4　狭长空间三种不同锚节点布置的定位分析　159

7．5　煤矿灯房线监测监控系统　159

7．5．1　绪论　159

7．5．2　矿灯监控系统中心控制平台硬件设计　159

7．5．3　中心控制平台协调器软件设计　161

7．5．4　矿灯充电节点软件设计　161

7．5．5　拓展井下线检测网络　163

7．6　基于物联网的矿山环境监测系统　163

7．6．1　系统总体设计　163

7．6．2　环境监测感知层硬件设计　165

7．6．3　环境监测感知层设计　173

7．6．4　系统数据库设计　177

7．6．5　系统模块功能设计　180

第8章　矿山信息物理融合系统　183

8．1　工业信息物理系统　183

8．1．1　工业CPS连续时间系统模型构建　184

8．1．2　工业CPS离散系统模型构建　185

8．1．3　工业CPS连续时间系统状态模型表示　185

8．2　煤矿斜巷运输系统模型构建　186

8．2．1　斜巷信号系统模型构建　186

8．2．2　防错道子系统的模型构建　187

8．2．3　防跑车子系统的模型构建　189

8．2．4　变频调速子系统模型构建　190

8．2．5　矿井斜巷运输系统模型　192

8．3　煤矿地面生产CPS　192

8．3．1　煤矿地面生产系统组成、运行方式及功能　192

8．3．2　地面生产系统模型构建　194

8．3．3　系统各状态的可达性分析与模型验证　197

8．3．4　结束语　200

参考文献　201

由于煤矿生产的特殊性，物联网在煤矿应用有其自身特点。本书将物联网技术与矿山安全生产管理紧密结合，为应用物联网技术解决煤矿安全生产等提供了一系列方案。全书共分8章。第1章至第4章主要介绍物联网的感知层、传输层和应用层技术，第5章、第6章分析了感控一体的煤矿物联网系统和异购融合的煤矿物联网架构，第7章结合作者近年来在煤矿物联网方面所做的工作，介绍了物联网在煤矿中的应用情况，第8章对今后煤矿CPS发展和应用进行了分析。
　　本书体现了物联网在煤矿中应用的特色，可供从事物联网工程、煤矿自动化等方面的工程技术人员参考，也可为高等学校“物联网工程”专业高年级本科生毕业设计和“计算机科学与技术”学科硕士研究生论文写作提供参考。