基于射頻識(shí)別技術(shù)的煤礦安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)

引言

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

RFID系統(tǒng)

射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification Technology）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，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，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體，長(zhǎng)距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識(shí)別距離可達(dá)幾十米。

典型的RFID系統(tǒng)包括可編程數(shù)據(jù)的電子標(biāo)簽，讀寫(xiě)器以及處理數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)三個(gè)部分。電子標(biāo)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)線收發(fā)模塊、控制模塊和接口電路組成，通過(guò)調(diào)制的RF通道向標(biāo)簽發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)，標(biāo)簽回答識(shí)別信息，然后由讀寫(xiě)器把信號(hào)送到計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)處理設(shè)備。

在實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別物體的表面，其中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。讀寫(xiě)器通過(guò)天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入該磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)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(jī)并進(jìn)行相關(guān)處理，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的，射頻識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)可分為低頻、中頻和高頻系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)一般工作在100-500KHz，中頻系統(tǒng)工作在10-15MHz左右，主要用于識(shí)別距離短，成本低的應(yīng)用中，高頻系統(tǒng)可達(dá)850-950MHz及2.4-6GHz的微波段，適用于識(shí)別距離長(zhǎng)，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)速率高的場(chǎng)合。

RFID系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是非接觸識(shí)別，因此可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽及高速運(yùn)動(dòng)的標(biāo)簽，它采用無(wú)線通信方式，無(wú)需外露電觸點(diǎn)，電子標(biāo)簽的芯片按不同的應(yīng)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是廣播發(fā)射式射頻識(shí)別系統(tǒng)，井下所有監(jiān)控點(diǎn)使用的RFID均采用有源工作方式。井下監(jiān)控點(diǎn)分為兩種形式：固定監(jiān)控點(diǎn)和移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)，根據(jù)RFID的工作原理，固定監(jiān)控點(diǎn)上的RFID相當(dāng)于只收不發(fā)的讀寫(xiě)器，移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)上的RFID相當(dāng)于電子標(biāo)簽。

本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，并具有抗干擾能力強(qiáng)、通信速率高、體積小巧、功耗低、性能穩(wěn)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(shè)計(jì)時(shí)RFID采用的工作頻率為433MHz，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，證明在傳輸距離及數(shù)據(jù)可靠性等方面。可以達(dá)到本系統(tǒng)的功能要求。

◇ 有害氣體濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

對(duì)氣體傳感器采集的數(shù)據(jù)（一般為有害氣體，如甲烷）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，便可保存在微控制器MCU中，該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)井下網(wǎng)絡(luò)最終傳送至監(jiān)管中心的PC操作平臺(tái)，計(jì)算機(jī)將氣體濃度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)一步判斷是否處于安全范圍內(nèi)，若超過(guò)規(guī)定閾值則自動(dòng)報(bào)警。

◇ 井下人員及重要設(shè)備查詢及考勤

本系統(tǒng)可將RFID接收到的信息定時(shí)傳送至遠(yuǎn)端監(jiān)管中心的PC中，以便實(shí)時(shí)檢測(cè)井下人員及重要設(shè)備的分布情況，通過(guò)操作平臺(tái)軟件可以查詢各個(gè)RFID所在具體位置并根據(jù)需要迅速進(jìn)行人員及設(shè)備的調(diào)配。同時(shí)，利用保存在PC機(jī)中的數(shù)據(jù)也可實(shí)現(xiàn)工作人員的考勤功能。

◇ 安全保障

本系統(tǒng)的安全保障功能主要有丟失報(bào)警和救護(hù)搜尋兩大功能，其中丟失報(bào)警主要是在工作人員工作超過(guò)規(guī)定時(shí)間，或者超過(guò)規(guī)定位置時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行的自動(dòng)報(bào)警并操作平臺(tái)上提供相關(guān)人員名單，而救護(hù)搜尋則主要用于對(duì)礦難現(xiàn)場(chǎng)被困人員進(jìn)行搜尋和定位，以便于開(kāi)展救護(hù)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(tǒng)可以提供功能完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，以便隨時(shí)調(diào)用該煤礦在一段時(shí)間內(nèi)的氣體環(huán)境數(shù)據(jù)以及相關(guān)人員和設(shè)備的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從而以利于科學(xué)研究和對(duì)人員設(shè)備等進(jìn)行管理。

系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

本煤礦安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

◇ 井下部分

井下部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，分為兩個(gè)部分：移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)和固定監(jiān)控點(diǎn)。移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)包括工作人員和重要設(shè)備上的RFID，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，固定監(jiān)控點(diǎn)包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器，微控制器和RFID模塊，完成對(duì)有害氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集信息的傳輸，并對(duì)人員和設(shè)備提供實(shí)時(shí)位置檢測(cè)，井下部分的固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用有線通信方式，利用串行USART接口進(jìn)行連接，采用RS-232串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。

井下固定監(jiān)控點(diǎn)之間采用總線型網(wǎng)絡(luò)連接，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示，這種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單成本也比較低，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)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(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，固定監(jiān)控點(diǎn)S放置于井口，主要負(fù)責(zé)井下監(jiān)控點(diǎn)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(zhuǎn)換器，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

井下固定監(jiān)控點(diǎn)C結(jié)構(gòu)如圖5所示，傳感器采集的各類氣體（主要為有害氣體，也可以包括空氣溫度，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(guò)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入MCU，RFID模塊與MCU使用I2C總線進(jìn)行通信，MCU保存這兩個(gè)部分的數(shù)據(jù)，同時(shí)向固定監(jiān)控點(diǎn)S不斷發(fā)送輸送請(qǐng)求，得到S允許后通過(guò)USART接口將數(shù)據(jù)送入傳輸網(wǎng)絡(luò)中。MCU的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)定時(shí)自動(dòng)刷新，當(dāng)有害氣體濃度超過(guò)安全閾值時(shí)，井上工作平臺(tái)及井下固定監(jiān)控點(diǎn)同時(shí)報(bào)警。

井下移動(dòng)監(jiān)控與固定監(jiān)控點(diǎn)之間是無(wú)線傳輸，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(hào)，與其他模塊均不相同。在與固定監(jiān)控點(diǎn)上的射頻模塊進(jìn)行通信時(shí)，實(shí)際上傳輸?shù)木褪沁@個(gè)特殊的編號(hào)，監(jiān)控中心的軟件平臺(tái)已經(jīng)將固定監(jiān)控點(diǎn)的位置信息進(jìn)行了登記和存儲(chǔ)，當(dāng)上傳的信息包含有與他們進(jìn)行無(wú)線通信的移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)的編號(hào)信息時(shí)，就表明佩戴和安裝該移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)的人員及設(shè)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(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖6所示是其移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)結(jié)構(gòu)，圖中，射頻識(shí)別模塊的特殊編號(hào)預(yù)存儲(chǔ)于微控制器中，通過(guò)I2C總線傳輸至RFID中，并不斷向外發(fā)送這個(gè)特殊的編號(hào)，采用總線傳輸和預(yù)留串行接口主要是為了以后便于擴(kuò)充系統(tǒng)功能，LED可以顯示工作地點(diǎn)射頻信號(hào)的強(qiáng)度，另外，移動(dòng)監(jiān)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(tái)，按照功能可劃分為2個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)和信息管理子系統(tǒng)，其中實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)是整個(gè)智能化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，監(jiān)管中心的PC通過(guò)RS 485接口標(biāo)準(zhǔn)與井下第一固定監(jiān)控點(diǎn)S進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其功能主要為：完成監(jiān)控點(diǎn)的信息采集，實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)，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(shè)備的位置信息，這些龐大的數(shù)據(jù)量經(jīng)過(guò)壓縮后都被保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，這是信息聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

而管理子系統(tǒng)的主要功能是對(duì)移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)信息的錄入、修改、查詢和統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為：Windows XP+Visual Basic 6.0企業(yè)版。

◇ 結(jié)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(jié)構(gòu)不能合理的增加節(jié)點(diǎn)數(shù)目，就會(huì)給系統(tǒng)的使用造成不便，在本設(shè)計(jì)中，總線型網(wǎng)絡(luò)只需增加一段電纜和固定監(jiān)控點(diǎn)就可以增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這使得智能化監(jiān)控系統(tǒng)可以隨著煤礦的開(kāi)采而不斷的擴(kuò)充。

射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫(xiě)距離是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，目前長(zhǎng)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)的價(jià)格還很貴，所以為避免過(guò)長(zhǎng)距離導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、不完整，本設(shè)計(jì)在采用有線傳輸?shù)那疤嵯?，固定監(jiān)控點(diǎn)的分布使用了總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可靠性好；移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)參照越區(qū)切換的概念在固定監(jiān)控點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，可以達(dá)到較高的識(shí)別率。操作平臺(tái)操作方易用。

本系統(tǒng)利用VB作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因此，用戶界面友好，易于掌握和操作，數(shù)據(jù)定時(shí)被存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以實(shí)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，這種智能化監(jiān)控系統(tǒng)是以煤礦安全生產(chǎn)為基礎(chǔ)，射頻識(shí)別模塊（RFID）為主要設(shè)備，有線通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，監(jiān)管中心的PC為中樞的新型智能化計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合運(yùn)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(tǒng)的一種新的趨勢(shì)。