基于RFID的煤礦安全監控系統設計與實現*

雷 杏，黃 俊，廖志鵬

（重慶郵電大學 信號與信息處理重慶市重點實驗室，重慶400065）

現有的煤礦安全監控系統存在諸多問題[1]：(1)采用有線網絡，布局不便，成本較高且不易擴展；(2)監控節點位置相對固定，存在測量盲區，不能全面檢測井下環境；(3)功能單一，僅限于環境參數檢測，未設置井下作業人員主呼功能，不能及時獲取其位置信息；(4)定位缺陷，主要采用GPS技術定位，其功耗大、成本高且抗干擾能力不強；(5)接口兼容性差，通信協議不完善，各廠家接口不能很好兼容。因此，有線網絡難于達到動態全方位監控的目的。

1 監控系統整體設計方案

針對煤礦對安全監控系統的需求，本文提出的基于RFID的煤礦安全監控系統，與現有系統對比，主要有以下優勢[2]：

(1)采用無線傳輸網絡，以無線方式將采集到的數據傳輸到監控分站，運行維護簡便。

(2)可同時監測井下環境參數以及人員定位信息，加強安全生產可靠性。

(3)在危急情況下，井下作業人員可通過RFID標簽主動向外發出求救信號。

煤礦安全監控系統是一個以實現對井下環境實時數據的采集、存儲和監控綜合的數據平臺，系統包括井下數據采集節點、井下嵌入式監控分站以及地面監控中心三部分，如圖1所示。

數據采集節點用于采集井下數據，節點采用低功耗單片機MSP430F2122作為主控芯片，同時以RFID技術實現井下無線通信，以提高其抗干擾性能。

嵌入式監控分站是系統設計的核心部分，分站以ARM作為核心處理器，通過RFID射頻模塊接收井下安全參數，并通過以太網將其上傳至地面監控中心，同時接收地面監控中心下達的控制命令。

地面監控中心軟件采用Access數據庫和C++技術，為用戶提供了友好的操作界面，主要顯示井下安全信息，并完成存儲和處理工作。

2 數據采集節點設計

數據采集節點主要功能是獲取井下安全參數，包括井下環境參數和井下人員定位信息。

2.1 采集節點組成

環境參數采集節點由傳感器模塊、主控模塊以及射頻無線收發模塊組成，如圖2所示(環境信息采集節點則舍去緊急呼叫模塊)。

2.2 采集節點硬件設計方案

目前多采用有線網絡采集井下信息，由于井下環境復雜且較為惡劣，有線方案存在諸多問題，故本系統在設計中采用RFID無線通信技術完成采集節點信息的傳遞。射頻無線收發模塊采用CYRF6936作為無線通信芯片，主控模塊采用TI公司的嵌入式單片機MSP430F2122，以滿足數據采集節點低功耗需求。

本方案采用MH-440V/D紅外氣體傳感器采集瓦斯濃度。傳感器VCC端接5 V電源，GND端接電源地，RXD端接單片機的TXD，TXD端接單片機的RXD。單片機直接通過傳感器的UART接口讀出氣體濃度值。如圖3所示。

采集節點與監控分站通信均采用CYRF6936無線通信芯片，該芯片通信距離為10 m，傳輸速度為 250 kb/s，具有低成本、低功耗、高性能等優點[3]。在硬件設計中，MSP430F2122通過SPI控制CYRF6936，增強型串行外設接口(SPI)提供了一個訪問全雙工同步串行總線的能力。SPI共有 4個信號，分別為：串行時鐘（SCK）、主輸入從輸出(MISO)、主輸出從輸入(MOSI)、從選擇(NSS)。MSP-430F2122單片機分別采用 P3.0、P3.4、P3.5、P2.3這 4個端口完成SPI通信，如圖4所示。

2.3 采集節點通信頻點以及防碰撞設計

考慮礦井下通信環境惡劣，兼顧成本因素，設計中RFID均工作于2.4 GHz頻段，實驗數據驗證了采用該頻段不僅能保證通信質量且同時能保證抗干擾能力強。井下節點眾多，通常在無線通信中采用TDMA（時分多址）來實現系統的防碰撞[4]。TDMA技術是將通信時間按照實際需求分為多個時隙，分配給井下的數據采集節點。在設計中監控分站周期性地發送同步信號，采集節點在完成初始化工作后進入接收狀態，在收到同步信號后，按照一定算法將自己的ID送出。為了避免沖突碰撞，每一個采集節點有唯一ID。

3 監控分站設計

監控分站一方面通過無線收發模塊接收數據采集節點所采集到的數據，上傳至地面監控系統；另一方面接收地面監控系統指令完成對井下環境的監控。

3.1 監控分站硬件結構

綜合成本和技術等因素，監控分站采用功耗較低且具有較強數據處理能力的32 bit ARM(S3C2440)作為核心處理器[5]，外圍電路包括存儲單元(Flash和SDRAM)、通信接口(CYRF6936)、JTAG電路、電源、支撐電路等五大模塊，如圖5所示。

3.2 通信幀定義

在井下采集節點及人員定位節點通過無線信道將相關信息發送至監控分站，由監控分站將相關實時傳送至地面監控系統。發送數據采用自定義的數據幀格式，圖6是監控分站向通信接口發送的數據格式。

其中，幀開始以及結束標志分別占1 B，用于定位幀；ID1為發送該信息的讀卡器標示，占1 B，每一個讀卡器都有唯一的ID，且ID號和地理位置一一對應，根據該字節內容確定信息來源地；時間戳標識信息發送時間，占1 B，用于日后信息的維護與管理；信息類型字段占1 B，取值為0x00和0x01，分別代表井下瓦斯濃度信息和人員定位信息；ID2為標簽編號，占 1 B，用于標識原始數據來源；監控數據占2 B，是具體的監控信息，為瓦斯濃度或用于人員定位的RSSI值。

系統中采用的通信幀結構清晰，易于提高接口兼容性，提供完善的通信協議架構。

3.3 人員定位算法設計

CYRF6936內置RSSI接收信號強度指示器，可通過讀取RSSI寄存器獲取接收到信號的信號強度。該系統定位算法是基于RSSI的測距定位方法，根據無線信號隨距離衰減的規律來實現測距。

在井下通道中，于不同部位每隔一段距離安裝一個讀卡器，地面監控中心將ID號不同的讀卡器的位置信息進行登記和存儲,當上傳的信息包含與某一進行無線通信的移動標簽的ID編號信息時,表明佩戴該標簽的人員位于該固定點讀卡器有效監控范圍內，以此判斷標簽位置,這些位置信息均存儲于數據庫中[6]。井下人員定位流程如圖7所示。

如果有兩臺或更多不同的讀卡器接收到相同標簽的信息,說明標簽位于多個讀卡器接收有效范圍內,監控中心主機要根據接收的信號強度進行比較,以信號強度強的作為移動標簽當前的有效位置，從而實現人員定位。

設計中結合RFID技術實現定位，其功耗低，且工作于2.4 GHz頻段，抗干擾能力強，適合井下使用。同時，礦井下實踐證明，在巷道中距離10 m放置一個監控分站最為適宜，可以滿足定位需求，且成本適中。系統中設置了人員主呼功能、提高了井下工作安全系數。

4 監控系統軟件設計與實現

軟件是安全監控系統重要組成部分，負責采集節點工作模式設置、數據采集、分析、處理以及存儲。

4.1 數據采集節點軟件設計

數據采集節點主要完成節點工作模式設置、數據包無線傳輸等功能。節點工作模式主要包括傳感器采集數據時間間隔、單片機讀取數據時間間隔、射頻信號強度等。系統完成初始化設置后，定時器計時、到達單片機讀取間隔時間、掃描傳感器端口、采集環境參數、按照一定數據幀格式封裝、通過射頻模塊上傳至監控分站。同時通過中斷機制實現采集節點接收上級發送的查詢命令。數據采集節點工作流程如圖8所示。

4.2 監控分站及地面監控中心軟件設計

系統監控軟件采用傳統的C/S分布式架構，分為運行于井下監控分站上的中心服務器軟件和運行于地面監控中心的中心客戶端軟件，簡稱LMS(Location Monitoring Server)和 LMC(Location Monitoring Client)[3]。 其中，LMS主要負責通信，獲取井下安全數據；LMC主要完成監控數據的顯示、處理。

LMS開發在Linux交叉編譯環境下完成，LMS啟動之后，初始化所有端口，創建套接字，監聽LMC端是否有請求命令，以建立數據通道，同時初始化無線通信接口，準備從井下采集節點采集數據。LMC的開發環境為Microsoft Visual C++，采用MFC的基于對話框的結構，結合BCG技術向用戶提供了一個友好的監控界面。

5 系統測試與性能分析

測試網絡由兩個監控節點：一個監控分站以及運行于Windows下的地面監控中心組成。圖9為監控結果，分別顯示監控A、B區瓦斯濃度監控值(實際應用中瓦斯濃度超過5%將引起爆炸)。系統完成一次監控耗時4～5 s左右，能夠滿足實時性要求。

本系統用于井下安全監控，地面監控調度中心的管理人員可以直接對井下安全情況進行實時監控，不僅能檢測和記錄井下環境、人員定位信息以及安全生產情況，以及時發現事故苗頭，防患于未然，也為事后分析事故原因提供了有效的第一手資料。

[1]陳彩華，梅大成，劉彬.基于ARM-Linux的礦井安全監控系統設計與實現[J].西華大學學報：自然科學版，2011，30(1)：69-71.

[2]王雪莉，盧才武，顧清華，等.無線定位技術及其在地下礦山中的應用[J].金屬礦山，2009(4)：121-125.

[3]田世君，張德民，徐志剛.基于ARM嵌入式操作系統定位終端的設計與實現[J].重慶郵電大學學報：自然科學版，2006，18(1)：75-78.

[4]田增山，茍舉，何維.手機信號采集與傳輸技術設計與實現[J].重慶郵電大學學報：自然科學版，2011，23(2)：178-182.

[5]張凌，田增山，張光星.基于 ARM/GPRS/GPS的監控系統設計與實現[J].重慶郵電大學學報：自然科學版，2005，17(6)：700-703.

[6]汪玉鳳，段麗華.井下人員定位系統精確定位[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2008，27(5)：725-727.