基于RFID和無線傳感的礦井實時定位預警系統

陳 勇， 石 南， 陳永光

（1.南京龍淵微電子科技有限公司 江蘇 南京 211106；2.河海大學 研究生院，江蘇 南京 211100）

據統計，在中國，百萬噸煤死亡率是美國的160倍、印度的10倍。相對比，我國礦山生產安全事故總量仍然居高不下，礦山安全生產形勢依然嚴峻。隨著國家對礦山安全生產的日益重視，我國大中型礦山部分裝備了安全監控系統，雖一定程度上減少事故的發生，但仍存在很多問題，主要體現在:1）現有安全監控系統還在報警的層面上，預警功能不強；2）現有安全監控系統多為二維GIS管理，井上人員難以直觀、精準地掌握井下人員位置及作業情況；3）一旦礦山災害發生，缺乏可靠井下人員信息，災害信息，救護效率低。基于無線射頻識別技術及無線傳感網絡技術（Wireless Sensor Network，WSN）技術的礦山實時三維定位及災害預警平臺針對以上問題，對井下人員、移動設備進行三維定位，隨時掌控井下人員、設備生產分布情況；對井下巷道的各項安全參數進行安全監測，對可能發生的災害及時預警，防止災害發生；對礦山災害事故現場的人員位置、人員數量、事故原因等信息進行查詢及三維顯示，為災后搶救提供重要的科學參考信息[1-2]。

1 整體介紹

為更好地保障礦井工作人員的安全生產.實時地掌握礦井下的人員及設備的分布情況是必須的[3]。比如，某時某個礦工在哪個坑道作業。為此，在每一個坑道、工作面分岔入口處放置一套信息讀取發送裝置。信息讀取發送裝置由讀卡器和無線發射裝置組成。在交叉道口放置一套信息接收裝置和前端服務器。當礦工或設備進人分岔道時，首先是讀卡器讀出標簽中礦工或設備的相關信息并由無線發射裝置把信息發送給信息接收裝置。

基于RFID和無線傳感器網絡的礦山實時三維定位與災害預警系統監測系統。包括無線射頻標識模塊、實時三維定位模塊、監測數據采集與分析模塊、災害預警模塊、災害分析模塊和地面遠程控制主機。

圖1 整體框圖Fig.1 Whole block diagram

實時三維定位模塊讀取無線射頻標識模塊中的信息，并將所述的信息傳輸至監測數據采集與分析模塊；監測數據采集與分析模塊將采集和分析后的信息傳輸至災害預警模塊；災害分析模塊讀取災害預警模塊輸出的信息，并上傳至地面遠程控制主機。

作為本系統設計的一種優化結構：所述實時三維定位模塊包含無線傳感模塊，射頻卡管理模塊、三維定位查詢模塊、三維定位顯示模塊和無線傳輸模塊；無線傳感模塊讀取無線射頻標識模塊中的信息，并將讀取的信息傳輸至射頻卡管理模塊和三維定位查詢模塊；三維定位查詢模塊根據無線射頻標識模塊中的信息進行定位查詢，并將定位信息顯示在三維定位顯示模塊中，從而實時定位。

2 系統具體實現

2.1 傳感器檢測模塊

所述傳感器檢測模塊包括溫濕度傳感器、末級微控制器及末級ZigBee收發器；所述溫濕度傳感器[4]采集溫濕度信息，并將溫濕度信息進行A/D轉換后傳輸至末級微控制器；所述末級微控制器對接收到的信息進行判斷處理，并通過末級ZigBee收發器傳輸至路由器傳輸模塊。如圖2所示。

圖2 傳感器檢測模塊Fig.2 Sensor module

2.2 總體模塊

本系統所設計的基于RFID和無線傳感的礦井實時定位預警系統基于無線射頻識別技術和無線傳感網絡技術，實現井下工作人員、井下移動設備的三維定位，實現井下巷道工作環境的各種參數（如溫度、濕度、井巷通風風速、有害氣體含量等，的實時監測[5]，分析實時監測數據，預警井下數據異常區域，防止災害發生，分析災害發生位置、原因及發生時井下人員、移動設備等信息，為災后救援工作提供有價值的決策參考。

圖3 整體模塊Fig.3 Overall module

在具體的實施例中，平臺初始化后，自動加載服務器地圖管理數據庫中最新井下三維數字地圖，如果地圖加載失敗，轉入地圖管理系統進行維護更新后再加載，直至三維數字地圖加載成功。系統對無線網絡節點進行故障遍歷檢測，如有無線傳感器網絡節點、射頻卡讀卡器等存在故障，查詢定位故障點，通過軟件維修故障點，如無法通過軟件維護，則標識故障點后進行系統下硬件維修。加載正常后，啟動所有無線傳感器和射頻卡讀卡器，讀取相關監測信息，通過井下系統數據總線錄入至主機數據庫中，同時對所監測數據進行災害預警分析，如發現監測數據異常，啟動災害預警系統，對災害區域內人員預警，啟動預警通訊系統，通知人員撤離或進行安全避險。

3 系統軟件設計

如下圖所述是礦井溫濕度監測系統流程圖[6]。軟件實現過程：系統在軟硬件初始化后由溫濕度傳感器采集溫濕度，然后將溫濕度數據封裝在ZigBee協議中。通過ZigBee協議發送數據到龍芯SOC路由節點，龍芯SOC路由節點將數據發送到http服務器，最后手機、平板電腦、網頁通過http服務器得到溫濕度數據。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

4 結 論

文中采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

1）本系統是基于RFID及WSN技術的礦山實時三維定位及災害預警系統，運用了目前國際最新的三維體視化技術、無線傳感網絡技術、射頻識別技術，精準地對井下工作人員、移動設備進行實時三維、定位，對巷道環境安全進行監測預警；2）本系統是基于RFID及WSN技術的礦山實時三維定位及災害預警系統能夠使井上人員能夠通過三維交互界面直觀地掌握井下安全與生產工作情況；3）本系統是基于RFID及WSN技術的礦山實時三維定位及災害預警系統采取無線網絡和非接觸式射頻卡識別技術，平臺鋪設靈活性強，監控范圍廣泛，不僅可以三維全方位監控，有效提高礦山安全監測效率，而且對于預防礦山災害發生和災后救助工作都有著重要的作用。

[1]王超，張仕宇.基于WSN的礦井監控系統網關設計與實現[J].網絡與通信，2010（3）：50-52.

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[2]解海東，李松林.基于物聯網的智能礦山體系研究[J].工礦自動化，2011（3）：63-66.

XIE Hai-dong，LI Song-lin.Research of intelligent mine system based on internet of things[J].Industry and Mine Automation，2011（3）：63-66.

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TANG Hai-yan，YU Cheng-bo.Environmental monitoring system for mine based on WSN[J].Journal of Chongqing University of Technology，2011（5）：105-109.

[4]陸端.RFID技術在礦井人員定位中的應用研究[D].鎮江：江蘇大學，2007.

[5]黃巍.基于RFID技術的礦井定位系統[J].煤炭技術，2011（12）：90-93.

HUANG Wei.Mine positioning system based on RFID technology[J].Coal Technology，2011（12）：90-93.

[6]高玉芹.基于RFID和WSN的煤礦安全監控系統 [J].儀表技術與傳感器，2007（12）：76-79.

GAO Yu-qin.Coal mine safety monitoring system based on RFID and WSN[J].Instrument Technique and Sensor，2007（12）：76-79.