一種基于RFID技術(shù)嵌入式礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 針對礦山的安全管理，設(shè)計一種基于RFID技術(shù)的礦山安全智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MF RC500專用讀寫芯片，以嵌入式處理器作為信號控制平臺，實現(xiàn)了礦山溫濕度、瓦斯檢測和定位監(jiān)測功能。

關(guān)鍵詞： RFID； STM32F103RBT6； ARM； nRF24L01； 智能監(jiān)控

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）03?0055?03

0 引 言

目前在大部分的中小型礦山中還不能全面的使用高端電子產(chǎn)品，效益好的礦山里用上了GPRS定位系統(tǒng)，但因成本過高不能應(yīng)用到每一個工人的身上。由此設(shè)計了這套基于射頻技術(shù)的礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)，這套設(shè)備具有比GPRS更高的發(fā)射頻率為2.4 GHz，具有更強的穿透能力。一個總臺可同時監(jiān)控125個分點的溫度、濕度和瓦斯?jié)舛戎狄约八趨^(qū)域礦工的具體身份、位置信息，可根據(jù)實際的環(huán)境設(shè)定各項檢測數(shù)據(jù)的報警值[1?3]。

1 硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計， 硬件結(jié)構(gòu)由微處理器、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換（STM32F103RBT6內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器）、鍵盤控制、顯示電路、備用電源組成，硬件電路框圖如圖1所示。系統(tǒng)中分點微控制器和總臺微控制器均采用STM32F103RBT6[4]。分點微控制器主要采集傳感器所收集的環(huán)境數(shù)據(jù)；通過射頻模塊收集各分點在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的礦工具體位置、身份數(shù)據(jù)；控制射頻模塊將收集的各項信息傳送給控制總臺。總臺微控制器主要控制射頻收發(fā)總臺收集各分點的具體數(shù)據(jù)；出現(xiàn)危機情況時啟動報警系統(tǒng)；通過鍵盤接收人為信息調(diào)整系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)；將總臺的運轉(zhuǎn)信息如實的顯示在顯示器上。在各個模塊中還添加了UPS電源模塊，防止出現(xiàn)特殊情況斷電使各個模塊不能正常工作。

1.1 傳感檢測電路

溫度采集模塊采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的一線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，測溫范圍是-55～125 ℃，與單片機交換信息僅需要一根I/O線，其讀/寫及溫度轉(zhuǎn)換的功率也可來源于數(shù)據(jù)總線，而無需額外電源，節(jié)省I/O口且成本不高[5]。

線性電壓式集成濕度傳感器HM1500LF濕度測量范圍為5%～99% RH， HM1500采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈線性關(guān)系的電壓值。通過A/D轉(zhuǎn)換后可得到非常精確的濕度值。

瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱇GS?20是以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃氣濃度檢測的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。有極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且功耗低。用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測。工作溫度為-22～50 ℃；工作濕度范圍為0%～95%RH；采用直流電源供電，電壓范圍為3～5 V，非常適用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測。負載電阻RL上的電壓變化可以反映出傳感器敏感組件的電阻RS的變化。傳感器內(nèi)部電路如圖2所示[6?7]。KGS?20輸出的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可得到非常精確的濃度值。

1.2 鍵盤和顯示電路

為操作方便需要較多的控制按鈕，而總臺微控制器STC89C52RC有多余的I/O口，這里采用4×4的矩陣鍵盤接總臺微控制器P1口；設(shè)0～9十個數(shù)字鍵和6個功能鍵（開機、關(guān)機、選頻、調(diào)節(jié)、顯示、復(fù)位）。這樣操作起來簡單又直觀。

中文字庫的128×64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64， 內(nèi)置8 192個16×16點漢字，128個16×8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行，16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。這樣就可以直觀的一次性顯示一個分點的所有信息。

如圖3所示的顯示電路，可以根據(jù)當(dāng)時天氣或用戶的習(xí)慣調(diào)節(jié)液晶顯示器的亮度。

1.3 讀寫和控制模塊

系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是讀寫器，它由微處理器、外圍擴展器件、讀寫芯片、射頻天線、串行通信接口等幾部分組成。接上串行口和+5 V電源之后不僅可以讀卡而且可以與計算機進行通信。讀寫器是由STM32F103RBT6型ARM控制專用讀寫芯片（MF RC500）組成，其系統(tǒng)原理圖如圖4所示[8?9]。

1.4 數(shù)據(jù)收發(fā)控制

無線射頻模塊收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，nRF24L01收發(fā)模式由器件配置字決定，具體配置將在器件配置部分詳細介紹。在ShockBurstTM收發(fā)模式下， nRF24L01自動處理字頭和CRC校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和CRC校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼，這樣數(shù)據(jù)就非常的準(zhǔn)確。本系統(tǒng)采用ShockBurstTM收發(fā)模式[10]。

2 程序設(shè)計

系統(tǒng)采用C語言編程，在編寫程序時采用模塊化編程方法，將程序分為主程序、通信、鍵盤中斷、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、溫度數(shù)字信號的采集和轉(zhuǎn)換、鍵盤5個模塊。這樣增加了程序的可讀性、可移植性，使軟件的功能擴展更靈活。程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)可以根據(jù)實際的環(huán)境手動設(shè)置各項檢測數(shù)據(jù)的上下限報警值。射頻技術(shù)具有很強的抗干擾能力，在各種惡劣的環(huán)境下可進行無線監(jiān)控。一旦出現(xiàn)危機情況可在第一時間發(fā)出警報，人員搶救過程中可清楚的知道每位礦工的具體位置。在這套設(shè)備的監(jiān)控下將減少更多不必的損失，給更多的礦山工作人員帶來更大的安全指數(shù)。

參考文獻

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