采用RFID模塊設計的煤礦安全生智能化監(jiān)控系統(tǒng)的特點介紹

　　引言

　　本文設計的智能化監(jiān)控系統(tǒng)，主要是將礦井中采集的甲烷等有害氣體的濃度數(shù)據(jù)通過總線型網(wǎng)絡定時傳送到地面監(jiān)管中心的PC中，使用軟件平臺進行數(shù)據(jù)存儲。PC根據(jù)收到的數(shù)據(jù)可以實時監(jiān)測有害氣體的濃度，超過安全閾值可自動報警。同時，井下工作人員和重要設備配備的射頻識別(RFID)模塊通過井下固定監(jiān)控點定時向監(jiān)管中心傳送他們的位置數(shù)據(jù)，平時用做人員的考勤記錄和設備的管理與調度，一旦發(fā)生意外事故，將有利于人員和設備的救援與疏散。

　　射頻識別技術

　　射頻識別技術(Radio Frequency Identification Technology)是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可以替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產品多用于交通上，識別距離可達幾十米。

　　RFID系統(tǒng)工作原理

　　典型的RFID系統(tǒng)包括可編程數(shù)據(jù)的電子標簽，讀寫器以及處理數(shù)據(jù)的遠端計算機三個部分。電子標簽也就是射頻卡，具有智能讀寫及加密通信的能力。讀寫器由無線收發(fā)模塊、控制模塊和接口電路組成，通過調制的RF通道向標簽發(fā)出請求信號，標簽回答識別信息，然后讀寫器把信號送到計算機或者其他數(shù)據(jù)處理設備。

　　在實際應用中，電子標簽附著在待識別物體的表面，其中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入該磁場時產生感應電流，同時利用此能量發(fā)送出自身編碼等信息，讀寫器讀取信息并解碼后傳送至主機并進行相關處理，從而達到自動識別物體的目的。射頻識別系統(tǒng)的結構與信息傳遞方向見圖1。

　　RFID的分類

　　按照工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)可分為低頻、中頻和高頻系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)一般工作在100KHz-500KHz;中頻系統(tǒng)工作在10MHz-15MHz左右，主要適用于識別距離短，成本低的應用中;高頻系統(tǒng)可達850MH-950MHz及2.4GHz-6GHz的微波段，適用于識別距離長，讀寫數(shù)據(jù)速率高的場合。

　　RFID的特點及在本設計中的應用

　　RFID系統(tǒng)最大的特點就是非接觸識別，因此可以同時識別多個電子標簽及高速運動的標簽。它以無線方式通信，無需外露電觸點，電子標簽的芯片按不同的應用要求封裝，可以抵抗惡劣環(huán)境。

　　本設計采用廣播發(fā)射式射頻識別系統(tǒng)，井下所有監(jiān)控點使用的RFID均采用有源工作方式。井下監(jiān)控點分為兩種形式：固定監(jiān)控點和移動監(jiān)控點。根據(jù)RFID的工作原理，固定監(jiān)控點上的RFID相當于只收不發(fā)的讀寫器，移動監(jiān)控點上的RFID相當于電子標簽。

　　設計中使用的射頻芯片為Chipcom公司的CC1000，具有單片RF收發(fā)的特點。 收發(fā)分開設計的CC1000具有抗干擾能力強、通信速率高、體積小巧、功耗低、性能穩(wěn)定、性能價格比高等優(yōu)點?？紤]到成本等方面的問題，設計時RFID采用的工作頻率為433MHz，經(jīng)過試驗測試，證明在傳輸距離及數(shù)據(jù)可靠性等方面，可以達到本系統(tǒng)的功能要求。

　　系統(tǒng)功能設計

　　實時監(jiān)測有害氣體的濃度數(shù)據(jù)

　　將氣體傳感器采集的數(shù)據(jù)(一般為有害氣體，如甲烷)進行A/D轉換后，保存在微控制器MCU中，數(shù)據(jù)經(jīng)過井下網(wǎng)絡傳輸，最終傳送至監(jiān)管中心PC的操作平臺。計算機將氣體濃度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并進一步判斷是否處于安全范圍內，若超過規(guī)定閾值則自動報警。

　　井下人員及重要設備查詢及考勤功能

　　系統(tǒng)將RFID接收到的信息定時傳送至遠端監(jiān)管中心PC中，可實時檢測井下人員及重要設備的分布情況。通過操作平臺軟件可以查詢各個RFID所在具體位置并根據(jù)需要迅速進行人員及設備的調配。同時，利用保存在PC機中的數(shù)據(jù)也可實現(xiàn)工作人員的考勤功能。

　　安全保障功能

　　丟失報警：當工作人員工作超過規(guī)定時間，或者超過規(guī)定位置，自動報警并在操作平臺上提供相關人員名單。

　　救護搜尋：對礦難現(xiàn)場被困人員進行搜尋和定位，可以便于開展救護工作。

　　信息聯(lián)網(wǎng)功能

　　作為整個煤礦的信息網(wǎng)的一部分，可以提供功能完善的數(shù)據(jù)庫，隨時調用該煤礦在一段時間內的氣體環(huán)境數(shù)據(jù)以及相關人員和設備的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以利于科學研究和對人員設備等進行管理。 系統(tǒng)組成與結構

　　整個系統(tǒng)由兩個部分組成：井上部分和井下部分，如圖2。

　　井下部分

　　井下部分是整個系統(tǒng)的核心，分為兩個部分：移動監(jiān)控點和固定監(jiān)控點。移動監(jiān)控點包括工作人員和重要設備上的RFID，可以進行實時定位。固定監(jiān)控點包括傳感器、A/D轉換器，微控制器和RFID模塊，完成對有害氣體的實時監(jiān)測和采集信息的傳輸，并對人員和設備提供實時位置檢測。井下部分的固定監(jiān)測點采用有線通信方式，利用串行USART接口進行連接，采用RS-232串行數(shù)據(jù)接口標準。

　　井下固定監(jiān)控點之間采用總線型網(wǎng)絡連接，網(wǎng)絡結構如圖3。這種拓撲網(wǎng)絡結構比較簡單成本也較低，網(wǎng)絡各節(jié)點連接使用USART接口。整個井下部分與井上部采用RS-485串行數(shù)據(jù)接口標準進行通信。固定監(jiān)控點S放置于井口，主要負責井下監(jiān)控點與井上監(jiān)管中心的信息交換，因此不需要RFID模塊和A/D轉換器，結構如圖4。

　　井下固定監(jiān)控點C結構如圖5所示，傳感器采集的各類氣體(主要為有害氣體，也可以包括空氣濕度，根據(jù)不同煤礦環(huán)境選用不同氣體傳感器)的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉換后進入MCU，RFID模塊與MCU使用I2C總線進行通信，MCU保存這兩個部分的數(shù)據(jù)，同時向固定監(jiān)控點S不斷發(fā)送輸送請求，得到S允許后通過USART接口將數(shù)據(jù)送入傳輸網(wǎng)絡中。MCU的數(shù)據(jù)存儲區(qū)定時自動刷新。當有害氣體濃度超過安全閾值時，井上工作平臺及井下固定監(jiān)控點同時報警

　　井下移動監(jiān)控點與固定監(jiān)控點之間是無線傳輸。無論是移動還是固定，每個射頻模塊都有自己特殊的編號，與其他模塊均不相同。在與固定監(jiān)控點上的射頻模塊進行通信時，實際上傳輸?shù)木褪沁@個特殊的編號，監(jiān)控中心的軟件平臺已經(jīng)將固定監(jiān)控點的位置信息進行了登記和存儲。當上傳的信息包含有與他們進行無線通信的移動監(jiān)控點的編號信息時，就表明佩帶和安裝該移動監(jiān)控點的人員及設備很接近該固定監(jiān)控點，從而判斷出移動RFID模塊的位置，這些位置信息均由系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫。

　　移動監(jiān)控點結構如圖6，射頻識別模塊的特殊編號預存儲于微控制器中，通過I2C總線傳輸至RFID中，并不斷向外發(fā)送這個特殊的編號。采用總線傳輸和預留串行接口主要是為了以后便于擴充系統(tǒng)功能。LED可以顯示工作地點射頻信號的強度，另外，移動監(jiān)控點還配有電源控制開關，下井打開開關，上井給電池充電，便于使用。

　　井上部分

　　井上部分主要是軟件操作平臺，按照功能劃分為2個子系統(tǒng)：實時監(jiān)控子系統(tǒng)和信息管理子系統(tǒng)。

　　實時監(jiān)控子系統(tǒng)是整個智能化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎，監(jiān)管中心的PC通過RS 485接口標準與井下第一固定監(jiān)控點S進行數(shù)據(jù)傳輸。其功能主要為：完成監(jiān)控點的信息采集、實時處理和存儲。從井下上傳的信息不但包括各類有害氣體的濃度數(shù)據(jù)，還包括井下工作人員和設備的位置信息，這些龐大的數(shù)據(jù)量經(jīng)過壓縮后都被保存在數(shù)據(jù)庫中，是信息聯(lián)網(wǎng)的基礎。

　　管理子系統(tǒng)的主要功能是對移動監(jiān)控點信息的錄入、修改、查詢和統(tǒng)計。

　　開發(fā)平臺為：Windows XP + Visual Basic 6.0 企業(yè)版。

　　本系統(tǒng)的一些特點

　　使用總線型網(wǎng)絡拓撲結構

　　煤礦開采是不斷進行的，如果采用的網(wǎng)絡結構不能合理的增加節(jié)點數(shù)目，會給系統(tǒng)的使用造成不便。在本設計中，總線型網(wǎng)絡只需增加一段電纜和固定監(jiān)控點就可增加一個節(jié)點，這使得智能化監(jiān)控系統(tǒng)可以隨著煤礦的開采而不斷的擴充。

　　系統(tǒng)有較高的識別率和可靠性

　　射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關鍵的參數(shù)，目前長距離射頻識別系統(tǒng)的價格還很貴，所以為避免過長距離導致的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、不完整，本設計在采用有線傳輸?shù)那疤嵯?，固定監(jiān)控點的分布使用了總線型網(wǎng)絡拓撲結構，系統(tǒng)可靠性好;移動監(jiān)控點參照越區(qū)切換的概念在固定監(jiān)控點之間傳輸數(shù)據(jù)，可以達到較高的識別率。 操作平臺操作方便易用

　　利用VB作為開發(fā)平臺，用戶界面友好，易于掌握和操作。數(shù)據(jù)定時被存儲于數(shù)據(jù)庫中，可以實現(xiàn)信息聯(lián)網(wǎng)，功能齊全、穩(wěn)定性好，減少了管理人員的工作量。

　　結束語

　　這種智能化監(jiān)控系統(tǒng)是以煤礦安全生產為基礎，射頻識別模塊(RFID)為主要設備，有線通信網(wǎng)絡為紐帶，監(jiān)管中心的PC為中樞的新型智能化計算機管理系統(tǒng)，綜合運用了多種通信技術，突破了傳統(tǒng)煤礦安全管理模式，是煤礦安全生產管理系統(tǒng)的新趨勢。