数字化矿山综合通信系统本科毕业设计.docx

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数字化矿山综合通信系统本科毕业设计

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内容（小四号宋体）

目录

1绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究意义及现状

1.3论文研究内容

2相关技术

2.1工业以太网技术

2.2现代交换技术及传输技术

2.3RFID技术

3需求分析及系统结构

3.1需求分析

3.1.1功能需求

3.1.2性能需求

3.2系统结构及功能分析

3.4.1系统结构

3.4.2系统功能

3.3小结

4分系统设计

4.1矿用人员定位管理系统设计

4.1.1体系结构设计

4.1.2模块设计

4.2矿用无线通信系统设计

4.2.1体系结构设计

4.2.2模块设计

4.3图像视频及广播系统设计

4.2.1体系结构设计

4.2.2模块设计

4.3小结

5总结与展望

1绪论

煤矿生产事关人民群众的生命和财产安全，一贯受到企业和政府的高度重视。

国家规定凡开工的矿井必须配备井下人员管理系统（定位和考勤）和通信设备。

但传统井下通信和定位手段和设备系统存在较多不足，存在着井下定位考勤精度较低、无线移动通信能力缺乏、各系统独立建设造成部分重复建设和通信资源效率低下、技术体制落后标准化程度低和井下电气设备防爆等级偏低，本质安全型设备的采用还不够普遍等一系列问题和不足，在抗井下灾害和应急救援方面发挥的作用有限。

这种情况已经不能适应现代数字化矿山建设的需要。

面对当前矿山信息化建设的迫切需要和建设本质安全型煤矿的趋势，一套完善的矿用综合通信系统是不可或缺的，本文所设计的矿用综合通信系统由“矿用人员管理系统”和“煤矿无线通信系统”两个使用统一设备、在逻辑上独立的子系统组成，集人员定位、手机通信、实时数据传输、视频监控和广播等功能为一体。

该矿用综合通信系统可用于各种井工矿山如煤矿、金属和非金属矿等，也可以用于隧道（洞）、地铁等巷道施工现场，还可以用于工厂、电厂等工业需要工业自动化改造的环境。

1.1课题研究背景

近年来矿山自动化是矿山企业发展的热门话题，随着信息技术在矿山生产过程中的应用，矿山系统开始向自动化、系统化、多元化发展，矿山系统是一个复杂的、动态的、开放的巨大的系统，各个组成部分之间相互影响、相互制约。

对于这样的系统要想最大化的发挥其能力和效益的话，就需要我们快速、准确地了解其各个系统运行情况及特点，并从科学的角度做出准确的决策，将系统配套、统一起来，而矿山自动化系统很好的解决了这一问题。

自20世纪下半叶起，德、英、美、澳等采煤技术先进国家，大力推广自动化、信息化技术，在井上、井下生产、安全等各环节，对主要设备均实现了子系统自动化生产控制和监测，并采用计算机网络技术，将所有子系统通过联网，实现全矿井生产和安全系统的综合控制、监测和监视，使生产效率大大提高，安全状况彻底改善，获得了巨大的效果。

国内煤矿数字化的发展过程与国外采煤发达国家相似，走先单机自动化、单个环节的生产过程自动化，再完成全矿井的数字化的发展路线。

国际上随着实时矿山测量、GPS实时导航与遥控、GIS管理与辅助决策和3DGM的应用，一些大型露天矿山（包括我国的平朔、霍林河矿区）已可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划，并与采场设备相联系，形成动态管理与遥控指挥系统。

此外，专家系统、神经网络、模糊逻辑、自适应模式识别、遗传算法等人工智能技术、GPS技术、并行计算技术、射频识别技术以及面向岩石力学问题的全局优化方法、遥感技术等已在智能矿山地质勘探调查与测量、智能矿山设计、智能矿山开采、计划与控制、矿山灾害遥感预报等研究领域得到应用。

在国内自建国以来，中国矿业经过半个世纪的快速发展，已建成国有矿山近万座，集体矿山和其他非国有矿山20多万座，年开采矿石量超过50亿t，从业人员2100万，带动了300座以采矿和矿产品加工为支柱产业的矿业城市的兴起（其中煤炭城市54座）。

乡及乡以上的矿产采选业产值占GDP的6.27%（1997年）；全国固体矿产产值占世界产值的16.5%（1996年），居世界第二位，能源矿产产值占世界的9.1%（1996年），居世界第三位。

中国已由一个矿业弱国跃入世界矿业大国的行列。

中国矿山行业的信息化建设虽然有了较大发展，但总体状况仍然很不乐观。

中国矿山在矿山勘察、规划、设计、生产、管理、全过程监控等信息化“软”领域，与发达采矿国家的差距越来越大。

矿山企业作为资源开发的主体，其信息化是矿业信息化的重要组成部分之一。

矿山信息化即是挖掘先进的管理理念，应用先进的信息技术去整合矿山现有的生产、经营、设计、管理，及时地为矿业“三层决策”系统提供准确而有效的数据信息，以便对市场需求做出迅速反应，进而提升矿业管理、组织结构、业务流程的变革和延伸。

1.2课题研究意义及现状

信息化建设已成为我国的一项重要的战略国策，国家“十五规划”中明确指出：

“信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，也是我国产业升级和实现工业化、现代化的关键环节。

要把推进国民经济和社会信息化放在优先位置。

”并提出“坚持以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染小、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子”的战略方针。

因此，充分利用现代信息技术，实现矿业的可持续发展，达到资源开发与环境保护和谐统一，是“十一五”矿业发展规划要解决的重要任务之一。

矿山企业作为资源开发的主体，其信息化是矿业信息化的重要组成部分之一。

矿山信息化即是挖掘先进的管理理念，应用先进的信息技术去整合矿山现有的生产、经营、设计、管理，及时地为矿业“三层决策”（战术层、战略层、决策层）系统提供准确而有效的数据信息，以便对市场需求做出迅速反应，进而提升矿业经济核心竞争力的过程。

矿山信息化不仅是矿山信息技术的延伸，更重要的是矿业管理、组织结构、业务流程的变革和延伸

目前，我国煤炭行业根据实际生产需要,主流采用现场总线技术,它将系统的控制功能进一步下放，现场总线网络实际上是一种全数字化、全分散、可互操作、开放式的互联网络。

他专门用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联，是现场通信网络和控制系统的集成，但控制系统中如果有多种现场总线同时存在，用户希望将工业控制系统与数据信息网络实现无缝集成，真正实现企业级管控一体化，系统功能组态会变得相对复杂，另外在本质安全、系统可靠性、数据传输速度等方面存在一些技术瓶颈已不符合现代企业对信息的要求。

此时，工业以太网技术直接应用于工业现场设备间的通信已成大势所趋，随着以太网通信速率的提高、全双工通信、交换技术的发展，为以太网的通信确定性的解决提供了技术基础，从而消除了以太网直接应用于工业现场设备间通信的主要障碍，为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供了技术可能。

2001年9月，我国科技部发布了基于高速以太网技术的现场总线设备，其研究目标是：

攻克应用于工业控制现场的高速以太网的关键技术，其中包括解决以太网通信的实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等问题，同时研究开发相关高速以太网技术的现场设备、网络化控制系统和系统软件。

未来工业以太网将在工业企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作用。

1.3论文研究内容

本文主要以研究现代化矿山的各种应用业务为主，主要覆盖矿山中相关的系统，包括语音交换系统，数据交换系统，传输系统，图像系统，及各种工业系统。

论文主要包括需求分析，业务组织，方案分析与选择，方案设计。

2相关技术

2.1工业以太网技术

工业以太网是基于IEEE802.3（Ethernet）的强大的区域和单元网络。

利用工业以太网，SIMATICNET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。

企业内部互联网（Intranet），外部互联网（Extranet），以及国际互联网（Internet）提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。

继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网（FastEthernet，符合IEEE802.3u的标准）也已成功运行多年。

采用何种性能的以太网取决于用户的需要。

通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。

这主要表现普通商用以太网的产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要。

故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。

工业以太网的优势主要有：

（1）应用广泛

以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如VisualC++、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。

（2）通信速率高

10、100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s（如西门子Profibus-DP）。

显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

（3）资源共享能力强

随着Internet/Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联入互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。

（4）可持续发展潜力大

以太网的引入将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。

同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。

2.2现代交换技术及传输技术

为实现多个终端之间的通信，引入了交换节点，各个用户终端不再是两两相连，而是分别由一条通信线路连接到交换节点上，该交换节点就是通常所说的交换机，它完成交换的功能。

在通信网中，交换就是在通信的源和目的端之间建立通信信道，实现通信信息传送的过程。

引入交换节点后，用户终端只需要一对线对与交换机相连，节省了线路投资，组网灵活方便。

用户间通过交换设备连接方式使多个终端的通信成为可能。

用户终端与交换机之间连接的线路叫做用户线，交换机与交换机之间连接的线路叫做中继线，通信网的传输设备主要由用户线，中继线以及其他相关传输系统设备构成。

交换设备，传输设备和用户终端设备室通信网的基本组成部分，通常称为通信网的三要素。

图1.多个交换节点构成的通信网

目前常用的交换方式有ATM交换，IP交换，光交换，以及软交换。

传输技术指成分利用不同信道的传输能力构成一个完整的传输系统，使信息得以可靠传输的技术。

传输系统是通信系统的重要组成部分，传输技术主要依赖于具体信道的传输特性。

传输系统包括无线传输系统和有线传输系统。

本文主要讨论无线传输技术。

无线传输分为：

模拟微波传输和数字微波传输。

无线传输方式有视频基带传输，光纤传输，网络传输，微波传输，双绞线传输，宽频共缆传输，无线SmartAir传输。

其传输优点有；

（1）、综合成本低，性能更稳定。

只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装修好的场合；在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。

这时，采用无线监控可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。

（2）、组网灵活，可扩展性好，即插即用。

管理人员可以迅速将新的无线监控点加入到现有网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实现远程无线监控。

（3）、维护费用低。

无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系统。

（4）、无线监控系统是监控和无线传输技术的结合，它可以将不同地点的现场信息实时通过无线通讯手段传送到无线监控中心，并且自动形成视频数据库便于日后的检索。

（5）、在无线监控系统中，无线监控中心实时得到被监控点的视频信息，并且该视频信息是连续、清晰的。

在无线监控点，通常使用摄像头对现场情况进行实时采集，摄像头通过无线视频传输设备相连，并通过由无线电波将数据信号发送到监控中心。

2.3RFID技术

射频识别是一种非接触式自动识别技术进行排序，可以自动识别的无线电频率信号的目标，迅速跟踪货物和交换数据。

身份查验工作无须人工操作，并能在各种严峻的环境下工作。

RFID技术可识别高速对象和多个标签同时识别，操作简单快捷。

RFID技术是产生于第二次世界大战，它是在继承传统的编码技术，其主要的核心部分是电子标签。

图2.RFID的组成

RFID系统由三部分组成

电子标签（Tag）：

由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；

读写器（Reader）：

具备读取和写入标签信息功能的设备，可设计为手持式或固定式；

天线（Antenna）：

在标签和读写器间传递射频信号。

有些系统还通过读写器的RS232或RS485接口与外部计算机（上位机主系统）连接，进行数据交换。

RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。

阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的子数据，从而达到自动识别物体的目的，图1所示便是RFID感应技术的基本原理图。

对于无源标签，阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至电脑主机进行有关处理。

在电磁场系统中，阅读器（Reader）发出一个电磁（EM）波，电磁波以一个球形波向前传播。

电子标签位于电磁场中，淹没在这样传播的电磁波中并从中收集一些能量。

在任何一个点上，可用能量的大小与该点距发射机的距离有关。

在目前有关的射频约束下，在大部分地区各向同性有效辐射功率限制在500mW，这样的辐射功能在915MHz，可近似达到1米。

有源标签由于内部装有电池，可以主动地向读写器发送射频信号，一般读写距离比较远。

无源标签和有源标签不同的特点使得它们可以用在不同需要的场合。

RFID技术的基本工作原理并不复杂：

标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。

3需求分析及系统结构

3.1需求分析

3.1.1功能需求

1.人员（机车）定位：

2语音通话。

3视频监控：

4广播：

5便携式瓦斯检测仪数据实时传输:

6.完整的生产调度指挥系统

3.1.2性能需求

3.2.1系统结构

如图所示，系统主要结构包括

3.2.1系统的主要功能

1）.人员（机车）定位：

该系统可对矿井入井人员/设备进行实时跟踪监测和定位，随时清楚掌握每个人员/设备在井下的位置及活动轨迹。

利用系统的日常考勤管理功能，对下井人员进行考勤管理

　　　该系统基于工业以太网技术的设计，传输采用了IEEE802系列标准技术，包括IEEE802.3、IEEE802.11和IEEE802.15.4等。

系统布设时，在井下需要进行人员跟踪的区域和巷道中，根据现场勘测结果和具体情况需要，安装一定数量的矿用本安型读卡分站，井下信号尽可能设计为覆盖全部巷道。

　　　规定每个下井人员必须佩带一个矿用本安型标识卡，当人员下井以后，只要其在井下网络信号覆盖范围内，在任何时刻任意一点，分站都可以感应到信号，并上传到信息工作站，经过软件处理，得出各具体信息（如：

是谁，在哪个位置，具体时间等），同时可把它动态显示（实时）在监控中心的大屏幕或电脑上，并作好备份。

井上人员可随时了解井下人员的状态。

一旦井下发生突发情况，井下人员可通过所携带的标识卡发出警报。

井下人员只要按标识卡上的报警按钮即可发出报警。

在井上监控室的动态显示界面会立即弹出红色报警信号并显示报警位置。

管理者可随时观看大屏幕或电脑上的井下人员及设备活动情况，并可查看任意区域、任何班组/个人的信息状况，并可进行全部或分组报表打印，历史数据查询，人员踪迹快放查看等，为管理带来极大的方便。

2）语音通话：

在上述网络基础之上，不需要另外布设线路，只需增加手机终端设备，就可以实现井下无线手机通话。

无线手机的电话号码是预先分配好并在手机中设置好的。

手机开机后会自动搜索基站信号，如果信号搜索成功，分站会为手机分配网络地址，这个地址在网络中是唯一的。

拥有了网络地址的手机会自动注册到位于地面调度室的SIP软交换服务器上，服务器会生成一张列表，把所有在线的手机号码与他们上报的当前网络地址对应排列，人员拨号时拨的是手机号码，而软交换机通过其保存的在线手机列表找到它们当时的网络地址，把信令信息转发给相应的网络地址，从而实现了拨号。

完成拨号后，语音信息直接从一个手机（的网络地址）被发送到目的手机（的网络地址），从而实现了语音通信。

　　通过中继网关，井下移动通信网可以连接企业内部的办公电话网或外部公网，从而实现有线固定电话和井下无线手机的对通。

如果不设置防火墙，企业内部办公网则可以和井下无线网直接相通。

3）视频监控：

增加摄像机即可实现井下视频监控。

4）广播：

系统可接入广播装置，广播装置直接与本安分站相连，不需要另外敷设一套系统。

系统中所有设备及功能共用一个网络，为用户节约了大量资金的同时，也大大减少了繁杂线路的布设，减少了维护工作的同时也大大降低了企业的安全隐患。

5）便携式瓦斯检测仪数据实时传输:

在不需要重复建设通信线路，而是与定位和通信共享无线信号覆盖的情况下，系统可方便实现便携式瓦斯检测仪（由下井人员随身携带）实时检测数据传输到井上调度室大屏幕。

6）完整的生产调度指挥系统

基于最先进的IP安全生产调度指挥系统，该综合通信系统可以与现有程控调度机互联互通，形成双系统互为备份、互为补充、互联互通的通讯保障，解决了管理人员对设备技术了解的难度，提高了生产效率

4分系统设计

4.1.1矿用人员定位管理系统设计

人员定位管理是由监控中心主计算机在系统软件支持下，通过数据传输接口和生产场地铺设的通讯光/电缆，无间断、即时地对生产场地安装的无线数据采集器进行数据信息采集，无线数据采集器将自动采集有效识别距离内的标识卡的信息，并无间断、即时地通过传输网络将相关数据传送至监控中心。

数据信息经分析处理后，将工作人员（或机车等移动目标）动态分布在主计算机界面中得以实时反映，从而实现生产现场安全状态在中心数字化管理的目的。

遵循“统一发卡、统一装备、统一管理”的原则，将标识卡视为“上岗证”或“工作准入证”，按准许上岗人员实行“一人一卡”制。

根据电厂监测需求，在施工现场、关键设备、作业面等地点安装无线数据采集器，并通过电缆/光纤数据传输接口相互连接为高速工业以太网，从而构成完整通讯线路。

管理单位输入工作人员相关信息后，向工作人员颁发并装备标识卡。

系统数据库记录该标识卡相对应人员的基本信息，包括姓名、年龄、性别所属班组、所属工种、职务、本人照片、有效期等基本信息。

进入现场的工作人须随身携带标识卡，当持卡人员经过设置识别系统的地点时被系统识别。

系统将该卡号信息，通过系统传输网络，将持卡人通过的路段、时间等资料传输到监控进行数据管理，并可同时在地理信息大屏幕墙上出现提示信息，显示通过人员的姓名。

如果感应的无线标识卡号无效或进入限制通道，系统将自动报警，安全监控中心值班人员接到报警信号，立即执行相关安全工作管理程序。

4.1.1模块设计

1）.KJ399-F矿用本安型读卡分站

防爆标志为ExibⅠ。

该综合分站是一种多功能无线通信分站（基站），可综合用于识别人员佩带的无线标识卡和手机移动通信。

　　KJ399-F矿用本安型读卡分站具有通信分站和网络交换机的双重功能，使井下矿用综合通信系统（包括人员定位，手机移动通信，各种传感器数据传输，无线视频监控）只需要一个综合分站，不需要井下交换机（已经集成到分站中），也不需要基站控制器和中继器等设备，同时线路的布设中也大量减少了光缆的使用。

整个系统不仅简洁、可靠性高，便于安装和维护，更为用户节约了大量的资金。

　　KJ399-F综合分站的特点：

（1）多功能：

不仅可用于KJ399矿用人员管理系统，还可用于KTW134矿用无线通信系统和其他业务子系统；分站内置光电收发器，不需要井下交换机、基站控制器和中继器等设备。

（2）大范围内同时快速、可靠的识别许多KJ399-K矿用本安型标识卡，并具有微功率、识别率高、高抗干扰性、稳定可靠等优点。

　　（3）结构设计合理、体积小巧，轻便，非常便于安装和维护。

　　（4）传输距离远：

有线传输距离10千米以上，无线通信高达500米。

　　（5）可移动性：

分站无线通信方式提供了高度的便捷性，使设备可根据实际情况移动。

一旦某一区域不再需要使用，如采掘面的采掘工作全部完成，可把该区域内的分站移到其他需要的地方或者回收上来备用。

　　（6）具有多种电源接入方式，并具有备用电源供应急之用。

主要技术指标

重量：

8千克（含内置光电收发器）；

无线覆盖半径：

500米（截面积为20平方米时）

光缆最大传输距离：

不小于10千米；

分站与标识卡通信

接收灵敏度：

≤-75dBm；

无线通信距离：

>200米；

容量:

单个分站可容纳1千个标识卡。

分站与分站通信

无线频段：

2.4GHz；

有线：

单模光纤；

分站与手机通信

工作频段：

2.4GHz；

接收灵敏度：

≤-75dBm；

最大通信距离：

500米。

有线光信号接口数量：

3个以太网光信号接口；