图1 基于矿山物联网的井下物资管理系统总体架构
Fig.1 Overall architecture of underground material management system based on mine Internet of things
高彬1,2,3， 丁恩杰1,2,3， 董飞1,2,3， 赵端1,2,3， 张帝1,2,3
(1.中国矿业大学 信息与控制工程学院， 江苏 徐州 221116； 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 221008；3.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心， 江苏 徐州 221008)
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，设计了一套基于矿山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。该系统利用有源RFID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WiFi网关将数据上传到数据服务器中，服务器将数据处理后转存到数据库中，通过Web技术访问、处理并显示数据，从而实现对井下物资生命周期的实时监测与管理。
关键词：矿山物联网； 物资管理； 有源RFID； 智能手持终端； WiFi
随着物联网技术的发展，矿山物联网技术[1-4]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[5]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[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RFID标签、智能手持终端及基于WiFi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Web技术实现对井下物资信息的实时监测与管理。
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RFID标签采集相关信息，通过WiFi网关以UDP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Web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[7-8]，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，同时将数据上传到WiFi网关。
图1 基于矿山物联网的井下物资管理系统总体架构
Fig.1 Overall architecture of underground material management system based on mine Internet of things
(2) 在网络层，通过矿井工业以太环网并结合井下与井上的WiFi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。
在感知层，基于矿山物联网的井下物资管理系统利用有源RFID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，RFID技术有识别迅速、自动化程度好等特点。与传统的无源RFID技术相比，有源RFID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RFID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。
网络层以矿井工业以太环网和WiFi传输网络为基础。对于系统的WiFi数据传输，采用支持IEEE 802.11b/g/n无线协议的低成本、超低功耗嵌入式WiFi模块HLK-M35。该模块与单片机之间采用串口通信，单片机发送AT指令对WiFi模块进行配置[9]，实现与WiFi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WiFi协议及配置，以及组网的TCP/IP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“Wait Time”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[10]。如果智能手持终端在1个“Wait Time”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“Wait Time”与未收到应答后重发机制的设置可实现基于UDP协议的可靠数据传输。
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Java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[11]。
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[12]。对于智能手持终端上传的正确信息，直接存入预先在MySQL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PK表示主键，FK表示外键。
图2 数据处理流程
Fig.2 Data processing flow
表1 定位标签数据模型
Table 1 Location tag data model
表2 物资标签数据模型
Table 2 Material tag data model
标签ID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EPC编码[13]，如图3所示。
(a) 定位标签
(b) 物资标签
图3 标签编码
Fig.3 Tag coding
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Struts2/Spring/Hibernate[14-15]的Web技术将数据从数据库中调出，并处理成JSON(JavaScript Object Notation)数据格式。JSON是一种理想的数据交换语言，其基于JavaScript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EasyUI兼容。前台部分采用EasyUI及ECharts前端显示技术将处理好的数据显示给用户。用户可通过Web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。
图4 应用层架构
Fig.4 Architecture of application layer
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。
基于矿山物联网的井下物资管理系统建立在有源RFID技术、井下智能手持终端与WiFi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。
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GAO Bin1,2,3, DING Enjie1,2,3, DONG Fei1,2,3, ZHAO Duan1,2,3, ZHANG Di1,2,3
(1.School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.The National and Local Joint Engineering Laboratory of Internet Technology on Mine, Xuzhou 221008, China; 3.Internet of Things (Perception Mine) Research Center, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)
Abstract：In order to solve problems of disordered underground material management, delayed and inaccurate information of material consumption and wasted labour, an underground material management system based on mine Internet of things was designed. Internet of things architecture of the system was given and function module design of the system was described. Material information collected from working environment is obtained by active RFID tag and intelligent handheld terminal, and uploaded to data sever through WiFi gateway. The data is processed in the server and stored in database, and the processed data is accessed, processed and displayed by Web technology. Therefore, real-time monitoring and management of life cycle of underground material can be achieved.
Key words:mine Internet of things; material management; active RFID; intelligent handheld terminal; WiFi
收稿日期：2017-07-09；
修回日期：2017-12-11；
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(BY2015023-04)；江苏省研究生培养创新工程项目(KYLX_1385)。
作者简介：高彬(1992—)，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-mail:cumt_bingao@163.com。
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，2018,44(1)：99-103.
GAO Bin,DING Enjie,DONG Fei,et al.Design of underground material management system based on mine Internet of things[J].Industry and Mine Automation，2018,44(1)：99-103.
文章编号：1671-251X(2018)01-0099-05
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2018.01.2017070022
中图分类号：TD67
文献标志码：A 网络出版时间：2017-12-25 14:13
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20171225.0909.004.html