基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研究与实现

1、.：.；分类号 密 级 UDC 学校代码 10500 XXXXX学校工程硕士学位论文基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研讨与实现英文标题： Reserch and Implementation of Environment Monitoring System for Underground Coal Mine Based on Internet of Things学位恳求人姓名：XXXXX恳求学位领域称号： 计算机技术指点教师姓名：XXX 教授 XXX 副教授二一三年三月PAGE 2 -分类号 密 级 UDC 学校代码 XXXX XXXXX学校工程硕士学位论文题 目 基于物联网的煤矿井下环境监

2、测系统的研讨与实现 英文标题 Reserch and Implementation of Environment Monitoring System for Underground Coal Mine Based on Internet of Things 研讨生姓名签名 XXX 校内导师姓名签名 XXX 职 称 教授 校外导师姓名签名 XXX 职 称 副教授 恳求学位领域称号 计算机技术 领域代码 论文争辩日期 学位授予日期 学院担任人签名 评阅人姓名 评阅人姓名 年 月 日XXX大学学位论文原创性声明和运用授权阐明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指点下，独立进展研讨任

3、务所获得的研讨成果。除文中曾经标明援用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体曾经发表或撰写过的研讨成果。对本文的研讨做出奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承当。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权运用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保管、运用学位论文的规定，即：学校有权保管并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进展检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保管和汇编本学位论文。学位论文作者签名： 指点教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日XXXX

4、 大 学 工 程 硕 士 学 位 论 文摘 要我国煤矿的开采大多为地下开采，地质复杂，任务环境非常恶劣，井下任务人员的生命财富平安难以得到有效保证，煤矿平安面临着艰苦的要挟。亟需加强煤矿消费平安监控，减少煤矿灾祸事故发生，更好的应对事故发生后进展及时抢救被困井下任务人员，最大程度降低国家和煤矿企业的财富损失。然而现有的井下环境检测系统具有检测区域不全面、不能及时进展定位、扩展性差等缺乏。物联网是在互联网的根底上，经过射频识别、无线通讯、传感器网络技术，衔接设备，进展信息交换和通讯的虚拟网络。无线传感器网络技术可以实时感知环境信息，可以相互传送信息，到达数据的实时监测，运用前景非常广泛。基于此，

5、本文结合煤矿井下环境特性，采用物联网技术，研讨并实现了基于物联网的煤矿井下环境监测管理系统，对煤矿平安消费具有重要意义。基于物联网的煤矿井下环境监测系统，以无线传感器网络为支撑，将监测信息包括多种环境形状参数、任务人员位置等，会聚后实时传送到地面监控中心数据库，进展分析处置，为用户或者煤矿企业管理者提供数据支持。系统完成了煤矿平安监测系统功能模块的设计开发，实现了煤矿井下环境检测系统的数据实时采集、处置与传输、人员定位、环境监测与预警、信息共享等功能，提高煤矿消费的平安性。关键字：煤矿井下，物联网，数据发掘，环境监测AbstractChinas coal mining is mainly ca

6、rried out underground with the complicated geological conditions and the adverse working environment, which is directly related to life property safety of the coal miner. Coal mine safety production is facing the great challenge, thus it is very urgent to strengthen monitoring on the production safe

7、ty, which can effectively reduce occurrences of the coalmine accident, and immediate rescue the trapped miners, guarantee safe operation and lower enterprises loss. However, the current underground environment detection system has some shortcomings, such as limited detection underground area, bad re

8、al time capability, poor expansibility The Internet of Things refers to uniquely identifiable objects and their virtual representations in an Internet-like structure, connecting devices by radio frequency identification, wireless communication, sensor network, the exchange of information and communi

9、cations. All kinds of the environment information can be obtained by the WSN technology in time. WSN consists of spatially distributed sensors to monitor environmental conditions, such as temperature, and to cooperatively pass their data via the network to control center, which has broad application

10、 range. Therefore, this paper develops the environmental monitoring and management system of coal mine based on the IOT technology, combining with the requirement of the characteristics of coal mine environment, and has great signification for coal mine safety production.The environmental monitoring

11、 system of coal mine based on the IOT, the various environmental parameters and the orientation of the miners can be got by the WSN, which can give the information to monitor center in time. The system function module is designed and the functions of all kinds of environment monitoring parameters, e

12、nvironmental monitoring and early warning, information sharing, miners location are achieved, the safety production of coal mine is improved.Keywords: Coal mine, IOT, data mining, environmental monitoring目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc355357828 摘 要 PAGEREF _Toc355357828 h 3 HYPERLINK l _Toc3553

13、57829 Abstract PAGEREF _Toc355357829 h 4 HYPERLINK l _Toc355357830 目 录 PAGEREF _Toc355357830 h 5 HYPERLINK l _Toc355357831 第一章 绪论 PAGEREF _Toc355357831 h 6 HYPERLINK l _Toc355357832 1.1 课题背景与意义 PAGEREF _Toc355357832 h 6 HYPERLINK l _Toc355357833 1.2 国内外研讨现状 PAGEREF _Toc355357833 h 8 HYPERLINK l _Toc

14、355357834 1.3 论文研讨的主要内容及组织构造 PAGEREF _Toc355357834 h 10 HYPERLINK l _Toc355357835 第二章 煤矿井下环境监测系统的相关技术 PAGEREF _Toc355357835 h 11 HYPERLINK l _Toc355357836 2.1 物联网概念 PAGEREF _Toc355357836 h 11 HYPERLINK l _Toc355357837 2.2 物联网体系构造 PAGEREF _Toc355357837 h 12 HYPERLINK l _Toc355357838 2.3 物联网设计原那么 PAGE

15、REF _Toc355357838 h 14 HYPERLINK l _Toc355357839 2.3 物联网的关键技术 PAGEREF _Toc355357839 h 15 HYPERLINK l _Toc355357840 2.4 本章小结 PAGEREF _Toc355357840 h 18 HYPERLINK l _Toc355357841 第三章数据发掘在煤矿井下环境监测系统中的运用 PAGEREF _Toc355357841 h 19 HYPERLINK l _Toc355357842 3.1 数据发掘技术概述 PAGEREF _Toc355357842 h 19 HYPERLI

16、NK l _Toc355357843 3.1.1 数据发掘的定义 PAGEREF _Toc355357843 h 19 HYPERLINK l _Toc355357844 3.1.2 数据发掘的功能 PAGEREF _Toc355357844 h 20 HYPERLINK l _Toc355357845 3.1.3 数据发掘的过程 PAGEREF _Toc355357845 h 21 HYPERLINK l _Toc355357846 3.1.4 数据发掘的主要方法 PAGEREF _Toc355357846 h 22 HYPERLINK l _Toc355357847 3.2 数据发掘的意义

17、及运用 PAGEREF _Toc355357847 h 23 HYPERLINK l _Toc355357848 3.3 煤矿井下环境的数据发掘 PAGEREF _Toc355357848 h 23 HYPERLINK l _Toc355357849 3.3.1 井下环境模糊聚类分析 PAGEREF _Toc355357849 h 23 HYPERLINK l _Toc355357850 3.3.2 井下监测环境危险等级模糊评价 PAGEREF _Toc355357850 h 27 HYPERLINK l _Toc355357851 3.4本章小结 PAGEREF _Toc355357851

18、h 28 HYPERLINK l _Toc355357852 第四章 系统的体系构造与关键模块 PAGEREF _Toc355357852 h 28 HYPERLINK l _Toc355357853 4.1 系统的体系构造 PAGEREF _Toc355357853 h 28 HYPERLINK l _Toc355357854 4.2功能模块及关系 PAGEREF _Toc355357854 h 30 HYPERLINK l _Toc355357855 4.2.1系统功能模块 PAGEREF _Toc355357855 h 30 HYPERLINK l _Toc355357856 4.2.2

19、功能模块间关系 PAGEREF _Toc355357856 h 32 HYPERLINK l _Toc355357857 4.3 关键模块 PAGEREF _Toc355357857 h 32 HYPERLINK l _Toc355357858 4.3.1 GIS 模块 PAGEREF _Toc355357858 h 32 HYPERLINK l _Toc355357859 4.3.2 SMS短信息 PAGEREF _Toc355357859 h 34 HYPERLINK l _Toc355357860 4.3.3 数据传输 PAGEREF _Toc355357860 h 37 HYPERLI

20、NK l _Toc355357861 4.3.4 环境预告警 PAGEREF _Toc355357861 h 40 HYPERLINK l _Toc355357862 4.4 本章小结 PAGEREF _Toc355357862 h 40 HYPERLINK l _Toc355357863 第五章 煤炭井下环境监测系统的设计与实现 PAGEREF _Toc355357863 h 41 HYPERLINK l _Toc355357864 5.1 系统的需求分析 PAGEREF _Toc355357864 h 41 HYPERLINK l _Toc355357865 5.2 系统的设计目的 PAG

21、EREF _Toc355357865 h 41 HYPERLINK l _Toc355357866 5.3 系统设计 PAGEREF _Toc355357866 h 42 HYPERLINK l _Toc355357867 5.4 系统实现 PAGEREF _Toc355357867 h 44 HYPERLINK l _Toc355357868 5.4.1 系统开发环境 PAGEREF _Toc355357868 h 44 HYPERLINK l _Toc355357869 5.4.2监测系统的实现 PAGEREF _Toc355357869 h 44 HYPERLINK l _Toc3553

22、57870 5.5本章小结 PAGEREF _Toc355357870 h 49 HYPERLINK l _Toc355357871 第六章 总结与展望 PAGEREF _Toc355357871 h 49 HYPERLINK l _Toc355357872 6.1 任务总结 PAGEREF _Toc355357872 h 49 HYPERLINK l _Toc355357873 6.2 任务展望 PAGEREF _Toc355357873 h 50 HYPERLINK l _Toc355357874 参考文献 PAGEREF _Toc355357874 h 51 HYPERLINK l _T

23、oc355357875 致 谢 PAGEREF _Toc355357875 h 55第一章 绪论近年来，随着计算机互联网技术的快速开展，网络的运用和开展曾经不能满足人与人之间正常的沟通的需求，物与物之间经过网络的信息交互成为人们追求的方向。物物相连的互联网即物联网技术将大大推进社会的开展与提高，曾经成为国内外研讨的热点。物联网技术运用到煤矿井下环境监测系统中，将大大提高煤矿平安消费现状，对煤矿的平安消费和国民经济的开展具有艰苦的现实意义。1.1 课题背景与意义我国是煤炭资源丰富的国家，煤炭储量多而广，同时也是煤炭消费大国，对煤炭资源比较依赖。我国95%以上的能源和80%以上的工业原料取自于煤矿

24、1。煤矿在未来相当长的时期内，作为主要能源的战略位置仍将不变。煤矿开采需求大量的矿工进展井下作业，由于矿井内部环境复杂，消费条件恶劣，给开采任务带来了一定的危险度，煤矿平安事故时有发生，矿工的生命财富难以有效保证，据统计，世界上每年发生煤炭平安事故导致矿工死亡的人数超越千人。煤矿开采平安管理对煤矿的消费起到支撑、保证作用，是煤矿消费的头等大事。虽然近年来煤矿平安消费任务获得了显著效果，一些煤矿企业开场开发并配备了煤矿平安消费监控系统，一定程度上减少了煤矿事故的发生，平安消费情况有所改善2,3。但是煤矿平安消费的依然严峻，井下开采消费配备落后，消费过程不能全面监控，尚不能有效遏制艰苦煤矿事故。事

25、故发生的后救援处置任务也存在着困难，被困矿工的分布和井下环境不能及时准确的掌握。一旦事故发生，没有井下矿工的实时准确信息，难以做出抢救的决策部署，抢救时期将会被延误。因此，对煤矿企业加强平安消费管理，不仅关系煤矿企业的开展，还将关系着国民经济的耐久快速开展。煤矿平安消费管理一直以“平安消费，预防为主为方针，是一项非常复杂的系统过程，包括对井下开采等过程的监控，井下矿工位置的跟踪，及其作业的组织等的管理，为煤矿安的全消费提供重要的信息支持与保证4。现代煤矿平安消费管理和信息的实时交互的需求剧烈，煤矿平安消费任务越来越遭到社会各级的关注，煤矿井下环境监测系统的研讨和开发日益迫切。井下环境包括温湿度

26、、瓦斯、一氧化碳等目的的监测为提高煤矿井下消费平安性提供有效的保证。瓦斯爆炸在我国煤矿事故中最为常见，百分之八十以上的煤矿事故由瓦斯引起的5。加强对煤矿井下环境参数的精确实时监测，并对其进展预警具有艰苦意义。现代煤矿平安消费管理消费过程中进展优化决策，提高消费效率，有效预防事故。灾祸发生时，需求及时实施救援任务，地面指挥中心经过检测系统实时准确了解井下环境以及矿工的位置情况信息，只需确定其准确位置后，才干开展有效的救援任务，将减少经济和人员的损失，实现这些功能，需求物联网技术的支持。将物联网技术运用到煤矿井下环境监测中，实现煤矿井下环境的实时、准确和全方位监测以及井下任务人员的位置跟踪等功能，

27、成为当前煤矿企业迫切需求处理的问题。开发基于物联网的煤矿井下环境监测系统不仅日常管理中发扬重要的作用，在井下事故发生时亦起到艰苦作用，对煤矿平安消费有重要的现实意义。物联网(Internet of Things,IoT)6，即物物相连的互联网，楼房、桥梁、矿井、工厂等地方放置各种传感器，传感器之间协同任务，数据传输利用有线的或者无线的方式，将实时采集的数据传送到监测端，实现数据的智能化处置及监测端对这些物体的实时有效监控、跟踪、定位和识别等。最终经过IoT提高消费效率和资源利用率。物联网运用集成度相当高的技术提供智能化的管理，实现事件物物之间的“平安、高效的“管理、控制7，使得实时监控数以万计

28、的终端成为能够8，大大推进社会的开展。随着物联网技术的快速开展，为煤矿井下环境监测提供有效的监测手段。在煤矿井下开采环境中，运转物联网技术实时监测井下环境目的，准确定位并跟踪矿工的位置信息，监控端实时显示监测到的根底信息，为煤矿井下环境监视、实时掌握矿工的作业信息提供可靠的数据支持。我国煤矿众多，开采环境恶劣，迫切需求提高煤矿消费平安性。开发煤矿物联网井下环境监测系统，实现煤矿井下各种环境参数监测、预警、井下任务人员的定位和跟踪等功能，利于煤矿企业平安消费，提高煤矿消费的监管力度，提高煤矿发惹事故后的救援效率，减少煤矿事故带来的经济损失，对保证煤矿井下任务人员的生命财富平安和煤矿企业的平安消费

29、具有艰苦意义。1.2 国内外研讨现状从20世纪60年代初期开场，国外就曾经开场研讨煤矿环境参数的监测。煤矿平安监测技术开展至今，阅历了4个开展阶段9。第一阶段采用空分制技术的煤矿监控系统，20世纪60年代的中期，英国、日本等国的煤矿中采用这中系统。早期的系统设计功能单一，监测参数少。第二阶段采用信道频分制技术的煤矿监控系统，其优点是大大减少传输信道的电缆芯数，被广泛运用。第三阶段是在集成电路出现以后，采用时分制为根底的监控系统。1976年，英国推出的MINOS 煤矿监测系统并进展了胜利的运用，开创了煤矿监测技术的开展的新局面。尤其在20世纪70年代，微型计算机的出现，美国、英国等国的煤矿监测系

30、统获得了快速开展。第四阶段是在20世纪80年代，以分布式微处置机为根底，利用高新技术(计算机技术、网络技术等)开发煤矿监控系统，其中以美国MSA 公司的 DAN6400 系统具有代表性10。物联网技术的开展和运用备受世界高度关注，2021年初，美国奥巴马政府将IBM公司提出的“智慧地球概念上升为国家经济振兴战略，同年，由欧盟委员会提出，明确物联网的重点领域及研讨道路，韩国通讯委员会确定物联网技术作为新的经济增长动力11。2021年，的提出，阐明将进一步推进物联网技术的向前开展12。世界主要兴隆国家包括美国、欧盟、日本等最早在煤矿平安监测系统中采用物联网技术，近几十年以来，相继开发了多种基于计算

31、机技术、传感技术、网络技术的煤矿监控系统。实现了地面监控中心对煤矿井下环境监测数据的有效处置和井下任务人员的定位等功能。例如，SCADA(美国)，TF-200(德国)等13。煤矿有线监控系统的开展相对较成熟，系统普遍采用工业总线作为根底，地面监控中心与井下监测系统经过电缆或者光纤衔接，煤矿平安监控效果较好。但是，有线监控系统存在一定的缺乏，往往不能监测井下全部开采区域，井下环境参数将不有效、全面的获取，给煤矿平安消费带来了隐患14。采用物联网技术的煤矿无线监控系统可以弥补有线监控系统的缺乏，针对煤矿井下实践情况，进展有效、灵敏的监测。国外许多研讨机构和学者曾经对无线传感技术在煤矿井下环境监控系

32、统进展大量而深化的研讨，获得了较好的成果15。我国针对煤矿井下环境监测技术的研讨起步较晚，与国外的监测技术相比，我国的监测技术还处在较浅的层次上，不能及时、准确的反响煤矿井下开采区域的任务情况，对煤矿企业正常消费的监管和科学决策将遭到严重影响。20世纪80年代初期，从兴隆国家引进了一批包括TF200、DAN6400等平安监控系统16。与此同时，结合我国煤矿消费情况，先后研制了不断完善的监控系统，如KJ2、KJ10、KJ80等,可以检测井下瓦斯、CO、温度等环境参数17。随着近几十年的开展，由于我国煤矿开采技术程度的限制，井下环境监测系统与国外相比还存在一定的间隔 。物联网的开展遭到我国政府的高

33、度注重。2021年8月，温家宝提出“感知中国战略。2021年的“两会两会任务报告中指出，加大物联网的研发和运用。在随后的2021、2021延续两年的“两会政府任务报告中都提到物联网，可见物联网作为新兴产业的开展具有重要的战略意义18。在煤矿平安消费领域引入物联网技术，具有艰苦的现实意义。无线传感网络技术具有无线通讯、快速组建等优点，在环境监测、定位、军事等领域运用前景宽广19。正逐渐被运用到煤矿井下环境监测系统中，但是现有的系统没有很好的协合任务，还存在缺乏，例如，根据煤矿井下环境监测的大量数据，不能给出井下任务区域的平安级别；井下任务员工的全方位实时准确定位跟踪等。目前，我国煤矿井下任务人员

34、的定位识别主要经过无线射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术来实现。RFID利用射频信号和空间耦合传输特性来实现自动识别的20。2006年第一季度，获得了煤炭行业的MA认证的基于RFID技术的井下人员定位系统，由国家煤矿检测局和维深电气有限责任公司结合设计。同年第二季度，备受瞩目的的发布，为煤矿开采的智能化、信息化提供了有效支撑21。基于RFID技术的井下人员定位系统很好的满足实时定位需求，但是还存在精度不高等问题，要实现高准确度的定位是未来开展的趋势。1.3 论文研讨的主要内容及组织构造根据现有煤矿井下环境监测系统的缺乏，结合煤矿井下开采的环

35、境特点，本文研讨并实现了基于物联网的煤矿井下环境监测系统。基于物联网的煤矿井下环境监测系统，以无线传感器网络为支撑，将监测到的多种井下环境形状参数、任务人员位置等信息，会聚后实时传送到地面监控中心，进展分析处置，采用数据发掘技术，发掘出有用信息，为用户和煤矿企业管理者提供决策支持。系统完成了煤矿平安监测系统功能模块的设计开发，实现了煤矿井下环境检测系统的数据实时采集、处置与传输、人员定位、环境监测与预警、信息共享等功能，提高煤矿消费的平安性。论文主要从以下几个方面进展研讨：(1) 煤矿井下环境监测系统的相关技术研讨本文详细论述了物联网的概念、关键技术和体系构造及其运用，研讨当前井下环境监测系统

36、的开发现状，为基于物联网的煤矿环境井下环境监测系统的模块设计和开发提供了实际支持。(2) 数据发掘技术在煤矿井下环境监测系统中的运用文中提出运用数据发掘技术进展煤矿井下环境监测区域的危险等级划分，首先利用模糊聚类方法，划分不同的区域，然后利用模糊评判方法，评价监测区域的危险等级。(3) 煤矿井下环境监测系统的体系构造设计与关键模块设计实现根据模块化设计思想，对煤矿井下环境监测系统进展了总体构造分析和功能模块设计实现，利用视频监控、GIS、SMS等技术，开发基于物联网的煤矿井下环境监测系统，实现多角度、可视化、实时环境监控。本论文共分为六章，详细安排如下：第一章 绪论 论述了课题的背景和意义，阐

37、明了研讨的重要性。分析了国内外基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研讨现状，给出了本文研讨的主要内容和组织构造。第二章 煤矿井下环境监测系统的相关技术 论述了物联网的概念、根本构成、任务原理和关键技术。第三章 数据发掘在煤矿井下环境监测系统中的运用 引见了数据发掘技术的根本概念、过程，数据发掘的运用。利用模糊聚类方法，将煤矿井下监测空间划分不同的区域，然后利用模糊评判方法，评价监测区域的危险等级。第四章 煤矿井下环境监测系统的体系构造与关键模块 主要对基于物联网的煤矿井下环境监测系统的体系构造进展分析，接着给出了该系统的主要功能模块及其关系，最后论述了系统关键模块的功能与实现。第五章 煤矿井下环

38、境监测系统的设计与实现 给出了井下环境监测系统的需求分析和设计目的，在此根底上给出系统总体框架，然后对系统进展设计，最后实现基于物联网的煤矿井下环境监测系统。第二章 煤矿井下环境监测系统的相关技术煤矿井下环境监测系统是在物联网的三层技术架构下设计并实现的，监测采用物联网关键技术，物联网的三层技术架构分为感知层、网络层和运用层。本章重点论述物联网的概念、体系构造和关键技术等。2.1 物联网概念物联网技术代表着信息技术开展的方向，是基于互联网高速开展起来的，被称为互联网技术革命史上的第三次革命，为促进互联网的开展和社会的向前开展起到宏大的推进作用，引起世界的广泛关注，物联网衔接世界上成万上亿的物体

39、22。物体之间可以进展相互“交流，不用遭到人为的操控23。本质就是物联网采用了RFID、无线通讯技术等科学技术，完成事物间的通讯、识别，但是物联网的概念还没有得到世界各界的一致。20世纪90年代，出现了物联网(Internet of Things，IoT)的根本思想，最初的概念是由Kevin Ashton24于1999年提出的网络RFID系统，互联网与信息传感器相连，实现物品的智能化识别。物联网的概念随这信息技术的广泛的运用，也随着进一步开展。欧盟的25报告提出：物联网是一种网络，由具有运转在智能空间的虚拟个性、标识的物体或者对象组成，经过智慧的接口与环境、用户的上下文进展通讯。SRA26报告

40、以为：物联网以规范通讯协议为根底，是一种全球性动态网络，可以恣意自我配置，衔接的对象具有独一特征编码，经过智能界面无缝衔接，实现一切事物的互联与通讯和资源的共享。27由工信部电信研讨院发布，白皮书指出：物联网是网络的拓展和延伸，采用传感技术、无线通讯技术，对实现世界进展感知识别，并将感知信息进展传输与处置，最终实现物物间(包括物与物、人与物)的信息共享与交换，为现世界的科学管理与决策提供支持。信息社会世界峰会(WSIS)上，ITU28指出：物联网经过摄像头、激光扫描器、RFID、GPRS等设备，遵照规定的协议，衔接互联网与一切事物，事物之间相互通讯，实现智能化管理、跟踪、监控的一种网络。物联网

41、的特征有以下几个方面，对物体的感知，感知信息的处置，信息的传输，为互联网添加对外界的感知功能、信息处置功能和物体间交互功能。物联网用途非常广泛，运用前景宽广，将会给实现世界带来了宏大的便利29。2.2 物联网体系构造根据功能划分，构造复杂的物联网可分为三层：感知层、网络层、运用层30，如图 2-1 所示。图2-1 物联网体系构造感知层作为物联网的中心技术，感知层类似物联网的眼睛、手和皮肤，识别物体，获取包括环境形状、物体属性等信息，是联络信息世界和物理世界的纽带31。感知层的组成包括各种硬件：RFID、GPS、条码扫描器等各种传感器。感知层的关键技术有无线通讯技术、RFID技术等。网络层物联网

42、的网络层类似生物体的中枢神经，进展音讯的控制与传输，担任接受感知层的信息，进展相应的处置，并及时传送到运用层。网络层以互联网为根底，包括运用效力器和数据库等。网络层的关键技术有网络传送和交融技术、IP承载技术等。运用层物联网的运用层与目的需求结合，担任数据的显示、转换等，是物联网中的“实现者，满足行业的各种需求。运用层分为两个子层，分别是：运用效力子层和支撑平台32。前者是在后者的根底上，实现行业的详细运用，包括运输车辆、电力、环境监测等。后者提供包括数据处置在内的根底效力和各种接口效力，为资源的合理调度提供便利，实如今不同领域的运用。数据存储、发掘时物联网运用层的关键技术。2.3 物联网设计

43、原那么物联网的设计与创建需求遵照特定的原那么，主要包括以下几点33：多样性、互联性、时空性、巩固性和平安性。其中，多样性原那么指物联网传感节点类型不同，物联网体系构造也不同；互联性原那么指物联网体系中各个目的对象可以到达无缝衔接；时空性原那么指物联网体系构造的设计需求满足对时间、空间的需求；巩固性原那么指体系构造的稳定性；平安性原那么指体系构造能正常运转，可抵御各种攻击。按照设计原那么，物联网的创建需阅历以下步骤：识别物体，创建被识别物体联网系统，运用平台的搭建及运用效力系统的实现。STEP1物体识别在一定环境下，运用RFID技术标识特定物体34。在被识别物体上贴上条形码或者射频标签，被识别物

44、体就成为一个传感节点。STEP2创建被识别物体连网系统在STEP1的根底上，网络节点(包括有源和无源的节点)就可以被创建和提取。再设计节点间的通讯机制、目的检测机制等，实现信息的实时传送。STEP3 运用平台的搭建为实现物联网的运用架构，需求在搭建节点的网络系统后，设计并完善节点的账户管理、信息搜集与传输、设备控制等功能。网络系统搭建中，按照运用程序运用的接口规那么进展。假设在设计和搭建物联网系统中，不涉及曾经存在的物联网运用领域，可以将接口规那么变成一种规范。STEP4 效力运用系统的实现效力运用系统的设计和实现是在建立物联网运用框架后进展，系统包括两个部分：特定运用和根本运用部分，如图2-

45、2所示。图中的六项运用均与中间件有关。图 2-2 物联网运用系统逻辑构造2.3 物联网的关键技术物联网涉及到对现实世界物体的感知，信息的获取、处置和显示，物联网是一门综合性很强的学科，技术领域包括计算机、传感器、网络与通讯等。关键技术非常多，国际电信联盟物联网报告中，物联网的关键技术概括起来主要包括以下几个方面：RFID，传感器技术，智能技术和嵌入式技术35。RFID 技术射频识别即RFIDRadio Frequency IDentification技术，是自动识别技术的一种，又称电子标签、无线射频识别。经过射频信号及其空间耦合和传输特性进展的非接触双向通讯，实现物体的自动识别，进展相关数据的

46、读写36。常用的技术有高频、低频、超高频等。RFID系统有两部分组成，分别是阅读器(reader)和标签(tag)。Tag是用来存储物体对象的相关信息，其被安装在物体上，tag与物体对象是对应的关系。Reader由天线、耦合元件、芯片等组成，经过电磁场来读取存储在tag中的信息的设备。RFID具有非接触识别、数据读取快、平安性高等特点。RFID读写器也分挪动式的和固定式，RFID技术运用非常广泛，如门禁系统、交通监控、环境监测等。传感技术所谓传感技术就是结合多跳自组织传感器网络，各个传感器间相互协作感知，采集网络中物体的信息 37。对现实世界的感知是经过传感器搜集物体的物理、化学、生物量的转换

47、来实现的。传感节点作为传感网的四个根本对象实体之一，其它三个分别为：目的、感知物体和会聚节点，是传感网的根底组成部分，具有传输、会聚、处置信息的才干。无线传感网络就是有分布密集的传感节点组成，以无线通讯的方式构成的多跳自组织网络。具有两大特征：第一传感节点规划具有随机性；第二，节点之间具有良好的协作特征38。无线传感网络的目的是自动感知物体、处置信息，并将采集的信息实时发送给用户/数据管理中心39。其整体架构构造图如2-3所示。图2-3 无线传感节点构造无线传感网络具有部署方便、无线、独立任务、容错性高、扩展性好、覆盖区域广等优点，可以实现多个目的区域物体的实时、结合监测，将数据信息传送到外部

48、网络，提供应需求用户。网络通讯技术信息可靠、平安的传输由网络通讯技术来实现，并经过网络通讯技术进展信息与控制信息的双向传送。物联网的网络有互联网、通讯网和广电网，按照传输介质分为无线、有线技术。前者较常用的有CDMA、ZigBee、GPRS等，本节将概述ZigBee的体系构造。ZigBee技术由ZigBee联盟(美国摩托罗拉公司、英国Invensys公司、日本三菱电气公司等)于2002年共同研讨开发出来的，具有开发简便、本钱低、功耗低等特点的短间隔 通讯技术。该技术体系构造是分层进展量化的，主要有四层构造，分别是：运用层、网络层、媒体控制层和物理层40，每一层完成义务需上层提供效力。如图2-4

49、所示。图2-4ZigBee 协议体系机构ZigBee协议规定的节点有终端设备、路由器和协调器等三种类型。第一种类型选用精简功能设备(Reduced Function Device,RFD)，而后两种类型选用全功能设备(Full Function Device, FFD)。其中FFD存储空间大、资源丰富，RFD相对资源少、存储空间小。ZigBee 按照一定拓扑构造进展通讯，目前有三种拓扑类型，分别是：星状、树状和网状网络41，如图2-5所示。图2-5ZigBee三种网络拓扑构造星状网络拓扑构造中的其他设备均与协调器交互，其构造简单，没有路由实现的作用，通常适用于区域范围较小的场景；作为星状网络的

50、延伸的树状网络，网络中节点分工明晰，规模大，是一种广义的星形拓扑，适用于中性网络；网状网络的中心是协调器，拓扑构造复杂，每个设备都具有路由功能，具有抗干扰、自愈才干强等特点。智能技术物联网中的对象越多，获取信息就越多，存储的数据信息量就越大。如何处置这些数据，对数据进展加工，发掘有用的信息，进展人工操作时不现实的，需求经过智能化平台进展分析处置，综合运转数据库技术、数据发掘技术、云计算技术等智能技术，对采集的数据进展处置，提取有价值的决策信息，实现对物联网中对象的实时智能管理。2.4 本章小结本章主要论述了物联网的概念、体系构造、设计原那么和关键技术，在关键技术中，重点引见了无线传感网络技术和

51、ZigBee技术。第三章数据发掘在煤矿井下环境监测系统中的运用煤矿井下环境监测数据呈海量级添加，对数据的处置与分析，传统方法效率低，也不能满足需求。文章提出用数据发掘技术进展煤矿井下环境监测区域的危险等级的划分，首先利用模糊聚类方法，划分不同的区域，然后利用模糊评判方法，评价监测区域的危险等级。3.1 数据发掘技术概述随着计算机网络技术的开展，数据采集和存储技术的快速提高，导致数据信息迅速膨胀，面对的不仅仅是局限在于一个区域、行业、或部门的数据，而是数据海洋。海量数据中，有价值信息的提取，将对企业的开展至关重要。如何从这些海量信息中提取有用的有价值的信息，“数据丰富data rich而“知识贫

52、乏knowledge poor42这一问题不断以来困扰着许多大型企业和公司。人们对这一问题研讨的深化，就构成了数据发掘技术这一学科。数据发掘是一门涉及数据库技术、人工智能、统计学等多学科的技术，开展过程43如表 3.1 所示：表2-1 数据发掘开展过程时间进化阶段特点主要消费厂家20世纪60年代数据搜索静态历史数据IBM、CDC20世纪80年代数据访问动态访问历史数据IBM、Microsoft20世纪90年代数据仓库各层次提供回溯的动态历史数据Arbor、Microstrategy现阶段数据发掘提供预测信息IBM、Pilot等3.1.1 数据发掘的定义数据发掘Data Mining ,DM，就

53、是从数据中搜索数据，发现和发掘知识。它和数据库知识发现Knowledge Discovery in Databases ,KDD亲密相关，是KDD的有效手段和过程之一，KDD的过程如图3.1所示。随着研讨的不断深化，数据发掘的定义从20世纪80年代以来，不断在完善。现阶段，全世界公认的数据发掘的定义是由Fayyad等44提出的。数据发掘是从现有的巨量数据中提取有价值的、隐含的知识，并对这些知识进展科学的分析、归纳和推理，提出一种新的方式，以便对未知进展决策和预测。从机器学习的过程来看，DM是从现有大量数据中发掘隐含的有用信息；从数据库的角度来看，数据发掘就是从数据库出发，根据现有存储的海量信息

54、进展发现有用知识的过程。比较通用的DM的了解是，从现有的大量数据中，同时这些数据具有量大、模糊、随机、不完全等特征，发掘出隐藏其中的、未知的有价值知识，并提供应用户或数据运用者的过程。3.1.2 数据发掘的功能数据发掘的义务是从数据库中自动发现方式，对未来的趋势和行为进展预测，给用户或者数据拥有者提供决策支持。在实践运用中，数据发掘具有分类、关联分析、自动预测行为、聚类、概念描画、偏向检测等功能45。(1)分类分类是找出一个类别的概念描画，具有一样的对象属性和特征，在数据发掘中运用最多，是对该类的内涵描画。分类的方法有一下几种：神经网络、决策树方、贝叶斯方等。首先根据训练数据集，建立组类的数据

55、的模型，然后用模型对未知对象类进展划分。(2)关联分析关联分析就是分析至少两个变量，从中发现能够出现的规律，是发现知识的一类重要方法。数据关联即从数据库中发现隐含的知识，主要包括：简单关联、时序关联和因果关联。关联规那么A=B就是满足A中条件的数据多半也同时满足B中条件。(3)自动预测行为数据发掘能从海量数据中提取具有潜在价值的知识和信息，给用户或企业管理者的科学决策提供重要的数据支持，传统的分析都是在表层的，无法进展深化的发掘分析。其中市场的预测就运用数据发掘技术，进展海量市场相关数据自动搜索，提取信息，进展分析归纳，为用户的最后决策提供有价值的信息。 (4)聚类概念聚类技术46最早在20世

56、纪80年代初由Mchalski提出，该技术同时思索划分出的内涵描画的类和对象间的间隔 ，突破了传统聚类技术的局限。聚类就是将数据分成多个簇或者类，同一簇中对象类似度高，不同簇中对象差别大；是概念描画和偏向分析的先决条件。聚类的方法包括：神经网络法、机器学习法等等。经过聚类提高对现实世界的认识，聚类分析运用广泛，有图像处置、环境分析等。(5) 概念描画和偏向检测概念描画就是对对象的属性特征进展概括，有特征性和区别性描画。前者描画的是一样特征，关注的是对象中的共性；后者描画的是对象间的区别。偏向检测就是一种对数据库中的存在的不符合数据普通特性的异常数据进展检测技术。常用的方法是在参照值和检测结果间

57、找差别数据，需求处置模型预测值和检测值的偏向、数据变异、和检测异常等隐含的信息。3.1.3 数据发掘的过程数据发掘是一个发掘潜在有用知识的过程，发掘出到达预期目的的过程是非常复杂的，不仅仅是对信息的简单过滤或承继，具有各自实现的步骤，进展数据的删选、归纳和分析等一系列操作，与现实中某一详细问题有着亲密的联络。从技术的角度来看，数据发掘过程主要有以下几个阶段，分别是：确定对象、数据预备、数据仓库、建立模型、发掘数据、及评价等。过程描画如下图 47。 图2-6 数据发掘过程图3-6表示了如何从最初的原始根底数据获取知识的过程，阅历的主要步骤如下：了解数据、预备数据、建立、评价数据发掘模型和获取结果

58、。1了解数据数据发掘最终是要获取知识，给用户提供决策支持。只需在发掘开场前，对所要发掘的对象、对象所在环境、用户需求等做出明确的认识，对要进展发掘的数据进展详细正确的了解，才可以运用数据发掘技术发掘数据。2预备数据预备数据阶段进展数据的梳理任务，主要包括数据的整理，分类，并将梳理好的数据按照一定的格式存储，为后阶段进展发掘做好预备。3建立、评价数据发掘模型针对预备数据阶段存储的数据，建立数据发掘模型，需求满足现实需求。接着对多建立的模型进展评价，选择数据发掘技术，采用发现的方式对所建立的模型进展评价，评价过程可以运用之前的数据，也可运用新数据。根据评价结果对模型进展完善，最终找出一个最适宜的模

59、型。4获取结果发掘结果的解释任务是数据发掘的最后阶段，结果为用户或者数据拥有者提供决策支持。3.1.4 数据发掘的主要方法常见的数据发掘的主要方法有48：关联规那么发掘法、聚类分析方法、神经网络、概念描画法等。在进展发掘的过程中，往往将几种发发结合在一同运用，而不是采用一种。1关联规那么发掘算法关联规那么描画的是对象间具有的关系的规律性，Apriori算法是关联规那么发掘算法中有效的一种，是一种发掘关联规那么的频繁项集算法，经过分析和发掘数据的关联性，发掘出信息在决策过程中具有重要价值。例如，确信度为85%的关联规那么page22页面page63页面，阐明85%的用户在访问了page22页面的

60、同时也访问了page63页面。2聚类分析方法聚类分析方法是对数据对象的属性特征进展划分，通常利用类似度函数进展划分对象间的类似性和差别性。每个类可以表示成一个簇，簇内对象都具有一样的属性特征，而不同簇中的对象差别很大。3神经网络神经网络Artificial Neural Network，ANN,主要针对大量关系复杂的数据，经过调整大量节点间的相互关系，进展信息处置，是一种模拟人的神经元功能，进展分布式并行信息处置的算法数学模型。ANN建立在人脑对客观世界认知的根底上，依托系统的复杂程度，进展信息的提取。4概念描画法概念描画(Concept Description，CD)，作为数据发掘的最根本描