基于RFID與無線傳感器網絡的礦井安全系統*

徐立軍，段友蓮

(新疆工業高等?？茖W校，烏魯木齊830091)

1 引言

作者于2006年曾發表《基于RFID的煤礦井下人員定位系統》一文(測試技術學報2006增刊，175-180頁)，提出了一種基于RFID的煤礦井下人員定位系統，提供了一種煤礦井下移動目標的定位、跟蹤和通信解決方案，在一定程度上提高了煤礦井下安全監控與通信能力，但在實際應用中仍存在不足，主要體現在以下幾方面:

(1)該系統以有線網絡(CAN總線)為骨干通信系統，在礦難發生后一旦有線網絡通信中斷，受困人員無法與指揮中心取得聯系，致使定位、跟蹤與通信系統的功能失效。救援人員只能知道礦難發生瞬間人員的位置，而在礦難災害中對井下人員的定位和搜救是最為緊迫的任務。救援人員如果能在最短時間內找到被困人員，將極大提高救援效率，挽救被困人員的生命。

(2)應急救援通信僅能在指揮中心和救援人員之間展開，沒有包括最需要通信的被困人員。

(3)系統功能單一，沒有實現多種功能的有機結合。有線網絡的布置經常跟不上采掘面的掘進速度，造成大量的檢測死角和安全隱患，無法充分發揮井下通信系統的優點。

鑒于以上原因并結合煤礦井下安全監控無線傳感與通信技術的發展狀況，文章提出在現場總線網絡上掛接無線監控分站，實現對井下參數的采集和控制。

2 系統架構

在井下以一定的間隔布置帶有兩種網絡接口的無線接入點，以有線方式接入監控系統網絡，并可以以無線方式與移動無線傳感器節點交換信息［1］。

井下人員和設備佩戴的無線傳感器節點可起到移動信息源功能，采用成熟的主從式無線網絡控制協議，整個系統結構如圖1所示。

其中，人員佩戴的移動節點可以起到移動目標定位跟蹤、環境參數采集、處理和傳輸以及無線尋呼/對講、任務分配和協調控制等功能。

圖1 系統結構圖

礦難事故發生或井下有線通信遭到破壞后，井下傳感器節點通過對無線通道的偵聽，立即啟動自組織協議，形成無線應急通信網絡，處理過程如圖2所示。

圖2 礦難發生時的救援信息通信系統

礦難發生時，無線傳感器節點自組織形成應急救援通信網絡，大多情況下，井下會形成若干相互孤立的區域，所以，這種應急通信網絡能實現如下功能:

(1)孤島網絡內實現被困人員間的信息交流;

(2)救援人員可利用無線信號搜索被困人員，井下人員即使已經遇難，其佩戴的無線傳感器節點依然可以進行信息中繼，幫助搜尋其遺體;

(3)救援指揮中心可根據應急網絡提供的信息即時掌握井下環境參數和人員分布情況，快速做出最正確的決定［5］。

3 網絡通信協議的設計

網絡自組織通信協議主要包括物理層、數據鏈路層、網絡層及應用層。

(1)物理層

主要負責感知數據的信息采集，即施工點周圍環境參數的檢測，并對收集的數據進行抽樣，考慮到我國煤礦具體情況，建議該網絡采用無線電波載波媒體如 Zigbee技術，工作頻段為 915MHz或2.4GHz［4］。

(2)數據鏈路層

負責媒體訪問控制和建立節點之間可靠的通信連路，主要由媒體訪問控制MAC組成。系統采用基于預先規定的媒體訪問控制協議，首先由無線接入點即信宿節點向各個無線傳感器節點發送一個開始指令，無線傳感器節點接到指令信息，轉為接收狀態。各個無線傳感器節點收到來自信宿節點的開始指令后，由接收狀態轉為發送狀態，并按ID×2ms時間間隔逐個向信宿節點發送數據，這樣能避免由于信道中發生競爭沖突而造成數據包的丟失。

(3)網絡層

主要任務是發現和維護路由。

該網絡采用按需路由協議，即采用“路由請求/路由應答”機制來建立路由。當節點需要去往某未知目的節點路由時，廣播一個“路由請求”分組至源節點的所有鄰居。如果在鄰居節點中未發現目的節點，鄰居節點就轉發該“路由請求”分組，直到“路由請求”分組到達目的節點或到達直到去往目的節點路由的中間節點，這時再沿反向路由發送“路由應答”分組，該路由協議不僅可以實現鄰居節點間的單跳路由，也可以實現經多個中間節點轉發的多跳路由。

4 系統硬件設計及工作過程

鑒于目前RFID系統所面臨的問題，本課題設計了基于Zigbee技術的遠距離RFID系統，系統主要由以下三個部分組成:應答器、讀卡器和上位機?？傮w方案如圖3所示。

圖3 基于Zigbee技術的RFID系統結構圖

4.1 射頻芯片硬件選擇

系統采用Chipcon公司的CC2420作為無線通信設備，該器件是 Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發器，是一款較成熟的適用于Zigbee產品的RF器件［2］。

通訊節點與通訊接口之間的連接圖如圖4所示。

圖4 通訊節點與通訊接口之間的連接圖

4.2 系統工作過程

首先打開信宿節點和Zigbee節電電源開關，信宿節點發送開始指令，傳感器節點收到指令后，甲烷濃度傳感器和溫度傳感器從周圍環境采集瓦斯濃度和溫度，經過信號處理及A/D轉換、打包等處理，將數據包發送給信宿節點，信宿節點收到數據包后，經處理器進行數據處理，通過顯示模塊顯示實時數據，同時所有數據同步進行存儲，可隨時通過USB接口把數據輸入到計算機進行分析。當瓦斯濃度超限或有節點失效時，報警電路報警，在系統工作過程中，可設定傳感器采集頻率為1次/s［3］。

5 結束語

對該系統進行實驗室內可行性調試，接收信號結果如圖5所示。

實驗證明所設計系統電路符合設計及使用要求。

實驗室測試和實際環境中使用會有很多差異性，所以，在系統設計中還應該考慮另外一些很實用化的問題:

(1)煤礦井下電磁環境復雜，無線傳感器網絡易受干擾，應選擇電磁干擾和煤壁吸收相對較小的工作頻段和合適的信道編碼技術，以提高系統可靠性。

(2)應結合煤礦安全生產的實際，明確無線網絡在井下的應用場合和展開形式，詳細分析利用無線傳感器網絡構建應急通信系統的可能性。

(3)應設計高效的自組織算法和傳輸協議以有效保障網絡的動態重組。

(4)無線傳感器必須做到低成本、低功耗。

(5)基于煤礦安全角度考慮，井下所采用一切設備必須防爆、防潮，符合煤礦井下電氣設備通用要求。

圖5 接收數據波形

［1］ 楊維，馮錫生等.新一代全礦井無線信息系統理論與關鍵技術［J］.煤炭學報，2004，29(4):506-509.

［2］ 盛利.基于RFID和Zigbee技術煤礦井下人員跟蹤定位系統研究［J］.中國新技術新產品，2009(11):25.

［3］ 張敏，郭淑君.基于Zigbee技術的RFID應用實現［J］.解決方案，2010(5):34-37.

［4］ 劉宇，彭剛.一種基于Zigbee技術的RFID網絡構建方法［J］.廣西科學院學報，2010，26(4):455-457.

［5］ 崔遜學，趙湛，王成.無線傳感器網絡的領域應用與設計技術［M］.北京:國防工業出版社，2009.