基于RFID的煤礦廠安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)方案

1、 PAGE10 / NUMPAGES10基于RFID的煤礦廠安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)引言 本文設(shè)計的智能化監(jiān)控系統(tǒng)，主要是將礦井中采集的甲烷等有害氣體的濃度數(shù)據(jù)通過總線型網(wǎng)絡(luò)定時傳送到地面監(jiān)管中心的PC中，使用軟件平臺進行數(shù)據(jù)存儲。PC根據(jù)收到的數(shù)據(jù)可以實時監(jiān)測有害氣體的濃度，超過安全閾值可自動報警。同時，井下工作人員和重要設(shè)備配備的射頻識別（RFID）模塊通過井下固定監(jiān)控點定時向監(jiān)管中心傳送他們的位置數(shù)據(jù)，平時用做人員的考勤記錄和設(shè)備的管理與調(diào)度，一旦發(fā)生意外事故，將有利于人員和設(shè)備的救援與疏散。 1. 射頻識別技術(shù) 射頻識別技術(shù)（RadioFrequencyIdentificationTechn

2、ology）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(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。長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米。 2. RFID系統(tǒng)工作原理典型的RFID系統(tǒng)包括可編程數(shù)據(jù)的電子標(biāo)簽，讀寫器以與處理數(shù)據(jù)的遠端計算機三個部分。電子標(biāo)簽也就是射頻卡，具有智能讀寫與加密通信的能力。讀寫器由無線收發(fā)模塊、控制模塊和接口電路組成，通過調(diào)制的RF通道向標(biāo)簽發(fā)出請求信號，標(biāo)簽回答識別信息，然后讀寫器把信號送到計算機或者其他數(shù)據(jù)處理設(shè)備。 在實際應(yīng)用中，電

3、子標(biāo)簽附著在待識別物體的表面，其中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當(dāng)標(biāo)簽進入該磁場時產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時利用此能量發(fā)送出自身編碼等信息，讀寫器讀取信息并解碼后傳送至主機并進行相關(guān)處理，從而達到自動識別物體的目的。射頻識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與信息傳遞方向見圖1。圖1射頻識別系統(tǒng)構(gòu)成原理與信息傳遞示意圖2.1 RFID的分類 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100KHz-500KHz；中頻系統(tǒng)工作在10MHz-15MHz左右，主要適用于識別距離短，成本低的應(yīng)用中；高頻系統(tǒng)可達850MH-950MHz與2.4GHz-6GHz的微波

4、段，適用于識別距離長，讀寫數(shù)據(jù)速率高的場合。 2.2 RFID的特點與在本設(shè)計中的應(yīng)用RFID系統(tǒng)最大的特點就是非接觸識別，因此可以同時識別多個電子標(biāo)簽與高速運動的標(biāo)簽。它以無線方式通信，無需外露電觸點，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。 本設(shè)計采用廣播發(fā)射式射頻識別系統(tǒng)，井下所有監(jiān)控點使用的RFID均采用有源工作方式。井下監(jiān)控點分為兩種形式：固定監(jiān)控點和移動監(jiān)控點。根據(jù)RFID的工作原理，固定監(jiān)控點上的RFID相當(dāng)于只收不發(fā)的讀寫器，移動監(jiān)控點上的RFID相當(dāng)于電子標(biāo)簽。 設(shè)計中使用的射頻芯片為Chipcom公司的CC1000，具有單片RF收發(fā)的特點。收發(fā)分開設(shè)計的CC1

5、000具有抗干擾能力強、通信速率高、體積小巧、功耗低、性能穩(wěn)定、性能價格比高等優(yōu)點?？紤]到成本等方面的問題，設(shè)計時RFID采用的工作頻率為433MHz，經(jīng)過試驗測試，證明在傳輸距離與數(shù)據(jù)可靠性等方面，可以達到本系統(tǒng)的功能要求。 3. 系統(tǒng)功能設(shè)計 3.1 實時監(jiān)測有害氣體的濃度數(shù)據(jù) 將氣體傳感器采集的數(shù)據(jù)（一般為有害氣體，如甲烷）進行A/D轉(zhuǎn)換后，保存在微控制器MCU中，數(shù)據(jù)經(jīng)過井下網(wǎng)絡(luò)傳輸，最終傳送至監(jiān)管中心PC的操作平臺。計算機將氣體濃度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并進一步判斷是否處于安全圍，若超過規(guī)定閾值則自動報警。 3.2 井下人員與重要設(shè)備查詢與考勤功能系統(tǒng)將RFID接收到的信息定時傳送至遠端監(jiān)

6、管中心PC中，可實時檢測井下人員與重要設(shè)備的分布情況。通過操作平臺軟件可以查詢各個RFID所在具體位置并根據(jù)需要迅速進行人員與設(shè)備的調(diào)配。同時，利用保存在PC機中的數(shù)據(jù)也可實現(xiàn)工作人員的考勤功能。 3.3 安全保障功能 丟失報警：當(dāng)工作人員工作超過規(guī)定時間，或者超過規(guī)定位置，自動報警并在操作平臺上提供相關(guān)人員。 救護搜尋：對礦難現(xiàn)場被困人員進行搜尋和定位，可以便于開展救護工作。 3.4 信息聯(lián)網(wǎng)功能 作為整個煤礦的信息網(wǎng)的一部分，可以提供功能完善的數(shù)據(jù)庫，隨時調(diào)用該煤礦在一段時間的氣體環(huán)境數(shù)據(jù)以與相關(guān)人員和設(shè)備的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以利于科學(xué)研究和對人員設(shè)備等進行管理。系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu) 整個系統(tǒng)由兩個部分

7、組成：井上部分和井下部分，如圖2。 SQL Server數(shù)據(jù)庫固定監(jiān)測點 ZWindows XP/VB 井上部分井下部分固定監(jiān)測點 2固定監(jiān)測點 n固定監(jiān)測點 1 移動監(jiān)測點 1移動監(jiān)測點 2移動監(jiān)測點 n注：移動監(jiān)測點選擇最近的固定監(jiān)測點傳輸數(shù)據(jù) Z：表示總固定監(jiān)測點 圖2整個智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.5 井下部分 井下部分是整個系統(tǒng)的核心，分為兩個部分：移動監(jiān)控點和固定監(jiān)控點。移動監(jiān)控點包括工作人員和重要設(shè)備上的RFID，可以進行實時定位。固定監(jiān)控點包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器，微控制器和RFID模塊，完成對有害氣體的實時監(jiān)測和采集信息的傳輸，并對人員和設(shè)備提供實時位置檢測。井下部分的固定監(jiān)測點采

8、用有線通信方式，利用串行USART接口進行連接，采用RS232串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。 RRRRSCCCCCC：一樣的固定監(jiān)控點 S ： 生產(chǎn)線出口的固定監(jiān)控點 R： 中繼器圖3井下固定監(jiān)控點總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖井下固定監(jiān)控點之間采用總線型網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3。這種拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單成本也較低，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點連接使用USART接口。整個井下部分與井上部采用RS485串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)進行通信。固定監(jiān)控點S放置于井口，主要負責(zé)井下監(jiān)控點與井上監(jiān)管中心的信息交換，因此不需要RFID模塊和A/D轉(zhuǎn)換器，結(jié)構(gòu)如圖4。 圖4井下固定監(jiān)控點S結(jié)構(gòu)圖 井下固定監(jiān)控點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

9、體，也可以包括空氣濕度，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A/D轉(zhuǎn)換后進入MCU，RFID模塊與MCU使用I2C總線進行通信，MCU保存這兩個部分的數(shù)據(jù)，同時向固定監(jiān)控點S不斷發(fā)送輸送請求，得到S允許后通過USART接口將數(shù)據(jù)送入傳輸網(wǎng)絡(luò)中。MCU的數(shù)據(jù)存儲區(qū)定時自動刷新。 當(dāng)有害氣體濃度超過安全閾值時，井上工作平臺與井下固定監(jiān)控點同時報警 。圖5井下固定監(jiān)控點C結(jié)構(gòu)圖 井下移動監(jiān)控點與固定監(jiān)控點之間是無線傳輸。無論是移動還是固定，每個射頻模塊都有自己特殊的編號，與其他模塊均不一樣。在與固定監(jiān)控點上的射頻模塊進行通信時，實際上傳輸?shù)木褪沁@個特殊的編號，監(jiān)控中心的軟件平臺已經(jīng)將固定監(jiān)

10、控點的位置信息進行了登記和存儲。當(dāng)上傳的信息包含有與他們進行無線通信的移動監(jiān)控點的編號信息時，就表明佩帶和安裝該移動監(jiān)控點的人員與設(shè)備很接近該固定監(jiān)控點，從而判斷出移動RFID模塊的位置，這些位置信息均由系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫。 移動監(jiān)控點結(jié)構(gòu)如圖6，射頻識別模塊的特殊編號預(yù)存儲于微控制器中，通過I2C總線傳輸至RFID中，并不斷向外發(fā)送這個特殊的編號。采用總線傳輸和預(yù)留串行接口主要是為了以后便于擴充系統(tǒng)功能。LED可以顯示工作地點射頻信號的強度，另外，移動監(jiān)控點還配有電源控制開關(guān)，下井打開開關(guān)，上井給電池充電，便于使用。 圖6井下移動監(jiān)控點結(jié)構(gòu)圖3.6 井上部分 井上部分主要是軟件操作平臺，按照功能

11、劃分為2個子系統(tǒng)：實時監(jiān)控子系統(tǒng)和信息管理子系統(tǒng)。 實時監(jiān)控子系統(tǒng)是整個智能化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，監(jiān)管中心的PC通過RS485接口標(biāo)準(zhǔn)與井下第一固定監(jiān)控點S進行數(shù)據(jù)傳輸。其功能主要為：完成監(jiān)控點的信息采集、實時處理和存儲。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)過壓縮后都被保存在數(shù)據(jù)庫中，是信息聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。 管理子系統(tǒng)的主要功能是對移動監(jiān)控點信息的錄入、修改、查詢和統(tǒng)計。 開發(fā)平臺為：WindowsXP+VisualBasic6.0企業(yè)版。 本系統(tǒng)的一些特點 使用總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 煤礦開采是不斷進行的，如果采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能合理的增加節(jié)點數(shù)目，會給系統(tǒng)的使用造成不便。在本設(shè)計中，總線型網(wǎng)絡(luò)只需增加一段電纜和固定監(jiān)控點就可增加一個節(jié)點，這使得智能化監(jiān)控系統(tǒng)可以隨著煤礦的開采而不斷的擴充。 系統(tǒng)有較高的識別率和可靠性 射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關(guān)鍵的參數(shù)，目前長距離射頻識別系統(tǒng)的價格還很貴，所以為避免過長距離導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、不完整，本設(shè)計在采用有線傳輸?shù)那疤嵯?，固定監(jiān)控點的分布使用了總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可靠性好；移動監(jiān)控點參照越區(qū)切換的概念在固定監(jiān)控點之間傳輸數(shù)據(jù)，可以達到較高的識別率。操作平臺操作方便易用 利用VB作為