基于RFID的煤矿安全监控系统设计与实现*

雷 杏，黄 俊，廖志鹏

（重庆邮电大学 信号与信息处理重庆市重点实验室，重庆400065）

现有的煤矿安全监控系统存在诸多问题[1]：(1)采用有线网络，布局不便，成本较高且不易扩展；(2)监控节点位置相对固定，存在测量盲区，不能全面检测井下环境；(3)功能单一，仅限于环境参数检测，未设置井下作业人员主呼功能，不能及时获取其位置信息；(4)定位缺陷，主要采用GPS技术定位，其功耗大、成本高且抗干扰能力不强；(5)接口兼容性差，通信协议不完善，各厂家接口不能很好兼容。因此，有线网络难于达到动态全方位监控的目的。

1 监控系统整体设计方案

针对煤矿对安全监控系统的需求，本文提出的基于RFID的煤矿安全监控系统，与现有系统对比，主要有以下优势[2]：

(1)采用无线传输网络，以无线方式将采集到的数据传输到监控分站，运行维护简便。

(2)可同时监测井下环境参数以及人员定位信息，加强安全生产可靠性。

(3)在危急情况下，井下作业人员可通过RFID标签主动向外发出求救信号。

煤矿安全监控系统是一个以实现对井下环境实时数据的采集、存储和监控综合的数据平台，系统包括井下数据采集节点、井下嵌入式监控分站以及地面监控中心三部分，如图1所示。

数据采集节点用于采集井下数据，节点采用低功耗单片机MSP430F2122作为主控芯片，同时以RFID技术实现井下无线通信，以提高其抗干扰性能。

嵌入式监控分站是系统设计的核心部分，分站以ARM作为核心处理器，通过RFID射频模块接收井下安全参数，并通过以太网将其上传至地面监控中心，同时接收地面监控中心下达的控制命令。

地面监控中心软件采用Access数据库和C++技术，为用户提供了友好的操作界面，主要显示井下安全信息，并完成存储和处理工作。

2 数据采集节点设计

数据采集节点主要功能是获取井下安全参数，包括井下环境参数和井下人员定位信息。

2.1 采集节点组成

环境参数采集节点由传感器模块、主控模块以及射频无线收发模块组成，如图2所示(环境信息采集节点则舍去紧急呼叫模块)。

2.2 采集节点硬件设计方案

目前多采用有线网络采集井下信息，由于井下环境复杂且较为恶劣，有线方案存在诸多问题，故本系统在设计中采用RFID无线通信技术完成采集节点信息的传递。射频无线收发模块采用CYRF6936作为无线通信芯片，主控模块采用TI公司的嵌入式单片机MSP430F2122，以满足数据采集节点低功耗需求。

本方案采用MH-440V/D红外气体传感器采集瓦斯浓度。传感器VCC端接5 V电源，GND端接电源地，RXD端接单片机的TXD，TXD端接单片机的RXD。单片机直接通过传感器的UART接口读出气体浓度值。如图3所示。

采集节点与监控分站通信均采用CYRF6936无线通信芯片，该芯片通信距离为10 m，传输速度为 250 kb/s，具有低成本、低功耗、高性能等优点[3]。在硬件设计中，MSP430F2122通过SPI控制CYRF6936，增强型串行外设接口(SPI)提供了一个访问全双工同步串行总线的能力。SPI共有 4个信号，分别为：串行时钟（SCK）、主输入从输出(MISO)、主输出从输入(MOSI)、从选择(NSS)。MSP-430F2122单片机分别采用 P3.0、P3.4、P3.5、P2.3这 4个端口完成SPI通信，如图4所示。

2.3 采集节点通信频点以及防碰撞设计

考虑矿井下通信环境恶劣，兼顾成本因素，设计中RFID均工作于2.4 GHz频段，实验数据验证了采用该频段不仅能保证通信质量且同时能保证抗干扰能力强。井下节点众多，通常在无线通信中采用TDMA（时分多址）来实现系统的防碰撞[4]。TDMA技术是将通信时间按照实际需求分为多个时隙，分配给井下的数据采集节点。在设计中监控分站周期性地发送同步信号，采集节点在完成初始化工作后进入接收状态，在收到同步信号后，按照一定算法将自己的ID送出。为了避免冲突碰撞，每一个采集节点有唯一ID。

3 监控分站设计

监控分站一方面通过无线收发模块接收数据采集节点所采集到的数据，上传至地面监控系统；另一方面接收地面监控系统指令完成对井下环境的监控。

3.1 监控分站硬件结构

综合成本和技术等因素，监控分站采用功耗较低且具有较强数据处理能力的32 bit ARM(S3C2440)作为核心处理器[5]，外围电路包括存储单元(Flash和SDRAM)、通信接口(CYRF6936)、JTAG电路、电源、支撑电路等五大模块，如图5所示。

3.2 通信帧定义

在井下采集节点及人员定位节点通过无线信道将相关信息发送至监控分站，由监控分站将相关实时传送至地面监控系统。发送数据采用自定义的数据帧格式，图6是监控分站向通信接口发送的数据格式。

其中，帧开始以及结束标志分别占1 B，用于定位帧；ID1为发送该信息的读卡器标示，占1 B，每一个读卡器都有唯一的ID，且ID号和地理位置一一对应，根据该字节内容确定信息来源地；时间戳标识信息发送时间，占1 B，用于日后信息的维护与管理；信息类型字段占1 B，取值为0x00和0x01，分别代表井下瓦斯浓度信息和人员定位信息；ID2为标签编号，占 1 B，用于标识原始数据来源；监控数据占2 B，是具体的监控信息，为瓦斯浓度或用于人员定位的RSSI值。

系统中采用的通信帧结构清晰，易于提高接口兼容性，提供完善的通信协议架构。

3.3 人员定位算法设计

CYRF6936内置RSSI接收信号强度指示器，可通过读取RSSI寄存器获取接收到信号的信号强度。该系统定位算法是基于RSSI的测距定位方法，根据无线信号随距离衰减的规律来实现测距。

在井下通道中，于不同部位每隔一段距离安装一个读卡器，地面监控中心将ID号不同的读卡器的位置信息进行登记和存储,当上传的信息包含与某一进行无线通信的移动标签的ID编号信息时,表明佩戴该标签的人员位于该固定点读卡器有效监控范围内，以此判断标签位置,这些位置信息均存储于数据库中[6]。井下人员定位流程如图7所示。

如果有两台或更多不同的读卡器接收到相同标签的信息,说明标签位于多个读卡器接收有效范围内,监控中心主机要根据接收的信号强度进行比较,以信号强度强的作为移动标签当前的有效位置，从而实现人员定位。

设计中结合RFID技术实现定位，其功耗低，且工作于2.4 GHz频段，抗干扰能力强，适合井下使用。同时，矿井下实践证明，在巷道中距离10 m放置一个监控分站最为适宜，可以满足定位需求，且成本适中。系统中设置了人员主呼功能、提高了井下工作安全系数。

4 监控系统软件设计与实现

软件是安全监控系统重要组成部分，负责采集节点工作模式设置、数据采集、分析、处理以及存储。

4.1 数据采集节点软件设计

数据采集节点主要完成节点工作模式设置、数据包无线传输等功能。节点工作模式主要包括传感器采集数据时间间隔、单片机读取数据时间间隔、射频信号强度等。系统完成初始化设置后，定时器计时、到达单片机读取间隔时间、扫描传感器端口、采集环境参数、按照一定数据帧格式封装、通过射频模块上传至监控分站。同时通过中断机制实现采集节点接收上级发送的查询命令。数据采集节点工作流程如图8所示。

4.2 监控分站及地面监控中心软件设计

系统监控软件采用传统的C/S分布式架构，分为运行于井下监控分站上的中心服务器软件和运行于地面监控中心的中心客户端软件，简称LMS(Location Monitoring Server)和 LMC(Location Monitoring Client)[3]。 其中，LMS主要负责通信，获取井下安全数据；LMC主要完成监控数据的显示、处理。

LMS开发在Linux交叉编译环境下完成，LMS启动之后，初始化所有端口，创建套接字，监听LMC端是否有请求命令，以建立数据通道，同时初始化无线通信接口，准备从井下采集节点采集数据。LMC的开发环境为Microsoft Visual C++，采用MFC的基于对话框的结构，结合BCG技术向用户提供了一个友好的监控界面。

5 系统测试与性能分析

测试网络由两个监控节点：一个监控分站以及运行于Windows下的地面监控中心组成。图9为监控结果，分别显示监控A、B区瓦斯浓度监控值(实际应用中瓦斯浓度超过5%将引起爆炸)。系统完成一次监控耗时4～5 s左右，能够满足实时性要求。

本系统用于井下安全监控，地面监控调度中心的管理人员可以直接对井下安全情况进行实时监控，不仅能检测和记录井下环境、人员定位信息以及安全生产情况，以及时发现事故苗头，防患于未然，也为事后分析事故原因提供了有效的第一手资料。

[1]陈彩华，梅大成，刘彬.基于ARM-Linux的矿井安全监控系统设计与实现[J].西华大学学报：自然科学版，2011，30(1)：69-71.

[2]王雪莉，卢才武，顾清华，等.无线定位技术及其在地下矿山中的应用[J].金属矿山，2009(4)：121-125.

[3]田世君，张德民，徐志刚.基于ARM嵌入式操作系统定位终端的设计与实现[J].重庆邮电大学学报：自然科学版，2006，18(1)：75-78.

[4]田增山，苟举，何维.手机信号采集与传输技术设计与实现[J].重庆邮电大学学报：自然科学版，2011，23(2)：178-182.

[5]张凌，田增山，张光星.基于 ARM/GPRS/GPS的监控系统设计与实现[J].重庆邮电大学学报：自然科学版，2005，17(6)：700-703.

[6]汪玉凤，段丽华.井下人员定位系统精确定位[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2008，27(5)：725-727.