基于射頻識別技術(shù)的煤礦安全智能化監控系統

引言

利用本文給出的智能化射頻識別監控系統可將礦井中采集的甲烷等有害氣體的濃度數據通過(guò)總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )定時(shí)傳送到地面監管中心的PC中，并使用軟件平臺進(jìn)行數據存儲，然后由PC根據收到的數據來(lái)實(shí)時(shí)檢測有害氣體的濃度，安全閾值可自動(dòng)報警，同時(shí)，井下工作人員和重要設備配備的視頻識別（RFID）模塊也可通過(guò)井下固定監控點(diǎn)定時(shí)向監管中心傳送他們的位置數據，該數據平時(shí)可用于人員的考勤記錄和設備的管理與調度，而一旦發(fā)生事故，它將有利于人員和設備的救援與疏散。

RFID系統

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification Technology）是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別工作無(wú)須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境，短距離射頻產(chǎn)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(chǎng)的流水線(xiàn)上跟蹤物體，長(cháng)距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米。

典型的RFID系統包括可編程數據的電子標簽，讀寫(xiě)器以及處理數據的遠端計算機三個(gè)部分。電子標簽也就是射頻卡，具有智能讀寫(xiě)及加密通信的能力，讀寫(xiě)器由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、控制模塊和接口電路組成，通過(guò)調制的RF通道向標簽發(fā)出請求信號，標簽回答識別信息，然后由讀寫(xiě)器把信號送到計算機或其他數據處理設備。

在實(shí)際應用中，電子標簽附著(zhù)在待識別物體的表面，其中保存有約定格式的電子數據。讀寫(xiě)器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當標簽進(jìn)入該磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應電流，同時(shí)利用此能量發(fā)送出自身編碼等信息，讀寫(xiě)器讀取信息并解碼后傳送至主機并進(jìn)行相關(guān)處理，從而達到自動(dòng)識別物體的目的，射頻識別系統的結構與信息傳遞方向見(jiàn)圖1所示。

按照工作頻率的不同，RFID系統可分為低頻、中頻和高頻系統。低頻系統一般工作在100-500KHz，中頻系統工作在10-15MHz左右，主要用于識別距離短，成本低的應用中，高頻系統可達850-950MHz及2.4-6GHz的微波段，適用于識別距離長(cháng)，讀寫(xiě)數據速率高的場(chǎng)合。

RFID系統的最大特點(diǎn)就是非接觸識別，因此可以同時(shí)識別多個(gè)電子標簽及高速運動(dòng)的標簽，它采用無(wú)線(xiàn)通信方式，無(wú)需外露電觸點(diǎn)，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。

基于RFID的煤礦安全智能化監控系統設計

本設計采用的是廣播發(fā)射式射頻識別系統，井下所有監控點(diǎn)使用的RFID均采用有源工作方式。井下監控點(diǎn)分為兩種形式：固定監控點(diǎn)和移動(dòng)監控點(diǎn)，根據RFID的工作原理，固定監控點(diǎn)上的RFID相當于只收不發(fā)的讀寫(xiě)器，移動(dòng)監控點(diǎn)上的RFID相當于電子標簽。

本設計使用的射頻芯片為Chipcom公司的CC1000，該芯片具有單片RF收發(fā)的特點(diǎn)，它的收發(fā)分開(kāi)設計，并具有抗干擾能力強、通信速率高、體積小巧、功耗低、性能穩定、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到成本等方面的問(wèn)題，設計時(shí)RFID采用的工作頻率為433MHz，經(jīng)過(guò)試驗測試，證明在傳輸距離及數據可靠性等方面?？梢赃_到本系統的功能要求。

◇ 有害氣體濃度的實(shí)時(shí)監測

對氣體傳感器采集的數據（一般為有害氣體，如甲烷）進(jìn)行A/D轉換后，便可保存在微控制器MCU中，該數據經(jīng)過(guò)井下網(wǎng)絡(luò )最終傳送至監管中心的PC操作平臺，計算機將氣體濃度數據存入數據庫，并進(jìn)一步判斷是否處于安全范圍內，若超過(guò)規定閾值則自動(dòng)報警。

◇ 井下人員及重要設備查詢(xún)及考勤

本系統可將RFID接收到的信息定時(shí)傳送至遠端監管中心的PC中，以便實(shí)時(shí)檢測井下人員及重要設備的分布情況，通過(guò)操作平臺軟件可以查詢(xún)各個(gè)RFID所在具體位置并根據需要迅速進(jìn)行人員及設備的調配。同時(shí)，利用保存在PC機中的數據也可實(shí)現工作人員的考勤功能。

◇ 安全保障

本系統的安全保障功能主要有丟失報警和救護搜尋兩大功能，其中丟失報警主要是在工作人員工作超過(guò)規定時(shí)間，或者超過(guò)規定位置時(shí)，系統進(jìn)行的自動(dòng)報警并操作平臺上提供相關(guān)人員名單，而救護搜尋則主要用于對礦難現場(chǎng)被困人員進(jìn)行搜尋和定位，以便于開(kāi)展救護工作。

◇ 信息聯(lián)網(wǎng)

作為整個(gè)煤礦信息網(wǎng)的一部分，該系統可以提供功能完善的數據庫，以便隨時(shí)調用該煤礦在一段時(shí)間內的氣體環(huán)境數據以及相關(guān)人員和設備的統計數據，從而以利于科學(xué)研究和對人員設備等進(jìn)行管理。

系統的組成與結構

本煤礦安全智能化監控系統主要由井上部分和井下部分兩部分組成，圖2所示是其系統結構圖。

◇ 井下部分

井下部分是整個(gè)系統的核心，分為兩個(gè)部分：移動(dòng)監控點(diǎn)和固定監控點(diǎn)。移動(dòng)監控點(diǎn)包括工作人員和重要設備上的RFID，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，固定監控點(diǎn)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(shí)時(shí)監測和采集信息的傳輸，并對人員和設備提供實(shí)時(shí)位置檢測，井下部分的固定監測點(diǎn)采用有線(xiàn)通信方式，利用串行USART接口進(jìn)行連接，采用RS-232串行數據接口標準。

井下固定監控點(diǎn)之間采用總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )連接，其網(wǎng)絡(luò )結構如圖3所示，這種拓撲網(wǎng)絡(luò )結構比較簡(jiǎn)單成本也比較低，網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)連接使用USART接口，整個(gè)井下部分與井上部采用RS-485串行數據接口標準進(jìn)行通信，固定監控點(diǎn)S放置于井口，主要負責井下監控點(diǎn)與井上監管中心的信息交換，因此不需要RFID模塊和A/D轉換器，其具體結構如圖4所示。

井下固定監控點(diǎn)C結構如圖5所示，傳感器采集的各類(lèi)氣體（主要為有害氣體，也可以包括空氣溫度，根據不同煤礦環(huán)境選用不同氣體傳感器）的數據經(jīng)過(guò)A/D轉換后進(jìn)入MCU，RFID模塊與MCU使用I2C總線(xiàn)進(jìn)行通信，MCU保存這兩個(gè)部分的數據，同時(shí)向固定監控點(diǎn)S不斷發(fā)送輸送請求，得到S允許后通過(guò)USART接口將數據送入傳輸網(wǎng)絡(luò )中。MCU的數據存儲區定時(shí)自動(dòng)刷新，當有害氣體濃度超過(guò)安全閾值時(shí)，井上工作平臺及井下固定監控點(diǎn)同時(shí)報警。

井下移動(dòng)監控與固定監控點(diǎn)之間是無(wú)線(xiàn)傳輸，無(wú)論是移動(dòng)還是固定，每個(gè)射頻模塊都有自己特殊的編號，與其他模塊均不相同。在與固定監控點(diǎn)上的射頻模塊進(jìn)行通信時(shí)，實(shí)際上傳輸的就是這個(gè)特殊的編號，監控中心的軟件平臺已經(jīng)將固定監控點(diǎn)的位置信息進(jìn)行了登記和存儲，當上傳的信息包含有與他們進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信的移動(dòng)監控點(diǎn)的編號信息時(shí)，就表明佩戴和安裝該移動(dòng)監控點(diǎn)的人員及設備很接近該固定點(diǎn)，從而判斷出移動(dòng)RFID模塊的位置，這些位置信息均由系統存入數據庫。

圖6所示是其移動(dòng)監控點(diǎn)結構，圖中，射頻識別模塊的特殊編號預存儲于微控制器中，通過(guò)I2C總線(xiàn)傳輸至RFID中，并不斷向外發(fā)送這個(gè)特殊的編號，采用總線(xiàn)傳輸和預留串行接口主要是為了以后便于擴充系統功能，LED可以顯示工作地點(diǎn)射頻信號的強度，另外，移動(dòng)監控點(diǎn)還配有電源控制開(kāi)關(guān)，下井打開(kāi)開(kāi)關(guān)，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，按照功能可劃分為2個(gè)子系統，實(shí)時(shí)監控子系統和信息管理子系統，其中實(shí)時(shí)監控子系統是整個(gè)智能化監控系統的基礎，監管中心的PC通過(guò)RS 485接口標準與井下第一固定監控點(diǎn)S進(jìn)行數據傳輸，其功能主要為：完成監控點(diǎn)的信息采集，實(shí)時(shí)處理和存儲，從井下上傳的信息不但包括各類(lèi)有害氣體的濃度數據，還包括井下工作人員和設備的位置信息，這些龐大的數據量經(jīng)過(guò)壓縮后都被保存在數據庫中，這是信息聯(lián)網(wǎng)的基礎。

而管理子系統的主要功能是對移動(dòng)監控點(diǎn)信息的錄入、修改、查詢(xún)和統計，該系統的開(kāi)發(fā)平臺為：Windows XP+Visual Basic 6.0企業(yè)版。

◇ 結束語(yǔ)

煤礦開(kāi)采是不斷進(jìn)行的，如果采用的網(wǎng)絡(luò )結構不能合理的增加節點(diǎn)數目，就會(huì )給系統的使用造成不便，在本設計中，總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )只需增加一段電纜和固定監控點(diǎn)就可以增加一個(gè)節點(diǎn)，這使得智能化監控系統可以隨著(zhù)煤礦的開(kāi)采而不斷的擴充。

射頻識別系統的讀寫(xiě)距離是一個(gè)很關(guān)鍵的參數，目前長(cháng)距離射頻識別系統的價(jià)格還很貴，所以為避免過(guò)長(cháng)距離導致的數據傳輸不穩定、不完整，本設計在采用有線(xiàn)傳輸的前提下，固定監控點(diǎn)的分布使用了總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，系統可靠性好；移動(dòng)監控點(diǎn)參照越區切換的概念在固定監控點(diǎn)之間傳輸數據，可以達到較高的識別率。操作平臺操作方易用。

本系統利用VB作為開(kāi)發(fā)平臺，因此，用戶(hù)界面友好，易于掌握和操作，數據定時(shí)被存儲于數據庫中，可以實(shí)現信息聯(lián)網(wǎng)，功能齊全、穩定性好、減少了管理人員的工作量，這種智能化監控系統是以煤礦安全生產(chǎn)為基礎，射頻識別模塊（RFID）為主要設備，有線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )為紐帶，監管中心的PC為中樞的新型智能化計算機管理系統，該系統綜合運用了多種通信技術(shù)，突破了傳播煤礦安全管理模式，是煤礦安全生產(chǎn)管理系統的一種新的趨勢。