《電子技術(shù)應用》
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基于RFID的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應用2012年第8期
雷 杏,黃 俊,廖志鵬
重慶郵電大學 信號與信息處理重慶市重點實驗室,重慶400065
摘要: 針對煤礦的惡劣環(huán)境對安全監(jiān)控系統(tǒng)所提出的要求,結(jié)合ARM及RFID技術(shù),提出一種基于RFID的煤礦安全監(jiān)控方案。設計的RFID系統(tǒng)主要以TI公司16位單片機MSP430F2122為標簽微控制器,以CYRF6936為射頻前端核心芯片,以MH-440甲烷傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊,監(jiān)控分站(讀卡器)以ARM9為主控制器。詳細介紹了數(shù)據(jù)采集節(jié)點以及監(jiān)控分站的硬件原理和軟件設計思想,給出了硬件原理圖及軟件設計流程。經(jīng)測試證明該系統(tǒng)具備良好的性能,適于井下使用。
中圖分類號: TN914.3
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)08-0016-04
Design and implementation of mine safety monitoring system based on RFID
Lei Xing,Huang Jun,Liao Zhipeng
Chongqing Key Laboratory of Signal and Information Processing,Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065,Chian
Abstract: Concerning the demands of the mine safety monitoring system, combined with the powerful handle ability of ARM and RFID non-contract technology , this paper puts forward a mine safety monitoring system based on RFID .The system choses MSP430F2122 as the micro controller , CYRF6936 as the main RF and the MH-440 as the data-collector while ARM9 server as the main controller of the monitoring subsystem. This paper describes the principle of the hardware and software while giving the detailed content of the design. The tests prove the good performance of the system and fitness to the environment of the mine.
Key words : RFID;safety monitoring;single-chip;wireless communication;sensor

    現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在諸多問題[1]:(1)采用有線網(wǎng)絡,布局不便,成本較高且不易擴展;(2)監(jiān)控節(jié)點位置相對固定,存在測量盲區(qū),不能全面檢測井下環(huán)境;(3)功能單一,僅限于環(huán)境參數(shù)檢測,未設置井下作業(yè)人員主呼功能,不能及時獲取其位置信息;(4)定位缺陷,主要采用GPS技術(shù)定位,其功耗大、成本高且抗干擾能力不強;(5)接口兼容性差,通信協(xié)議不完善,各廠家接口不能很好兼容。因此,有線網(wǎng)絡難于達到動態(tài)全方位監(jiān)控的目的。

1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設計方案
    針對煤礦對安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求,本文提出的基于RFID的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng),與現(xiàn)有系統(tǒng)對比,主要有以下優(yōu)勢[2]:
    (1)采用無線傳輸網(wǎng)絡,以無線方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控分站,運行維護簡便。
    (2)可同時監(jiān)測井下環(huán)境參數(shù)以及人員定位信息,加強安全生產(chǎn)可靠性。
    (3)在危急情況下,井下作業(yè)人員可通過RFID標簽主動向外發(fā)出求救信號。
    煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是一個以實現(xiàn)對井下環(huán)境實時數(shù)據(jù)的采集、存儲和監(jiān)控綜合的數(shù)據(jù)平臺,系統(tǒng)包括井下數(shù)據(jù)采集節(jié)點、井下嵌入式監(jiān)控分站以及地面監(jiān)控中心三部分,如圖1所示。
 

2.2 采集節(jié)點硬件設計方案
    目前多采用有線網(wǎng)絡采集井下信息,由于井下環(huán)境復雜且較為惡劣,有線方案存在諸多問題,故本系統(tǒng)在設計中采用RFID無線通信技術(shù)完成采集節(jié)點信息的傳遞。射頻無線收發(fā)模塊采用CYRF6936作為無線通信芯片,主控模塊采用TI公司的嵌入式單片機MSP430F2122,以滿足數(shù)據(jù)采集節(jié)點低功耗需求。
    本方案采用MH-440V/D 紅外氣體傳感器采集瓦斯?jié)舛?。傳感器VCC端接5 V電源,GND端接電源地,RXD端接單片機的TXD,TXD端接單片機的RXD。單片機直接通過傳感器的UART接口讀出氣體濃度值。如圖3所示。

     采集節(jié)點與監(jiān)控分站通信均采用CYRF6936無線通信芯片,該芯片通信距離為10 m,傳輸速度為250 kb/s,具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)點[3]。在硬件設計中,MSP430F2122通過SPI控制CYRF6936,增強型串行外設接口(SPI)提供了一個訪問全雙工同步串行總線的能力。SPI共有4個信號,分別為:串行時鐘(SCK)、主輸入從輸出(MISO)、主輸出從輸入(MOSI)、從選擇(NSS)。MSP-430F2122單片機分別采用P3.0、P3.4、P3.5、P2.3這4個端口完成SPI通信,如圖4所示。


2.3 采集節(jié)點通信頻點以及防碰撞設計
    考慮礦井下通信環(huán)境惡劣,兼顧成本因素,設計中RFID均工作于2.4 GHz頻段,實驗數(shù)據(jù)驗證了采用該頻段不僅能保證通信質(zhì)量且同時能保證抗干擾能力強。井下節(jié)點眾多,通常在無線通信中采用TDMA(時分多址)來實現(xiàn)系統(tǒng)的防碰撞[4]。TDMA技術(shù)是將通信時間按照實際需求分為多個時隙,分配給井下的數(shù)據(jù)采集節(jié)點。在設計中監(jiān)控分站周期性地發(fā)送同步信號,采集節(jié)點在完成初始化工作后進入接收狀態(tài),在收到同步信號后,按照一定算法將自己的ID送出。為了避免沖突碰撞,每一個采集節(jié)點有唯一ID。
3 監(jiān)控分站設計
    監(jiān)控分站一方面通過無線收發(fā)模塊接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù),上傳至地面監(jiān)控系統(tǒng);另一方面接收地面監(jiān)控系統(tǒng)指令完成對井下環(huán)境的監(jiān)控。
3.1 監(jiān)控分站硬件結(jié)構(gòu)
    綜合成本和技術(shù)等因素,監(jiān)控分站采用功耗較低且具有較強數(shù)據(jù)處理能力的32 bit ARM(S3C2440)作為核心處理器[5],外圍電路包括存儲單元(Flash和SDRAM)、通信接口(CYRF6936)、JTAG電路、電源、支撐電路等五大模塊,如圖5所示。

 



    其中,幀開始以及結(jié)束標志分別占1 B,用于定位幀;ID1為發(fā)送該信息的讀卡器標示,占1 B,每一個讀卡器都有唯一的ID,且ID號和地理位置一一對應,根據(jù)該字節(jié)內(nèi)容確定信息來源地;時間戳標識信息發(fā)送時間,占1 B,用于日后信息的維護與管理;信息類型字段占1 B,取值為0x00和0x01,分別代表井下瓦斯?jié)舛刃畔⒑腿藛T定位信息;ID2為標簽編號,占1 B,用于標識原始數(shù)據(jù)來源;監(jiān)控數(shù)據(jù)占2 B,是具體的監(jiān)控信息,為瓦斯?jié)舛然蛴糜谌藛T定位的RSSI值。
    系統(tǒng)中采用的通信幀結(jié)構(gòu)清晰,易于提高接口兼容性,提供完善的通信協(xié)議架構(gòu)。
3.3 人員定位算法設計
    CYRF6936內(nèi)置RSSI接收信號強度指示器,可通過讀取RSSI寄存器獲取接收到信號的信號強度。該系統(tǒng)定位算法是基于RSSI的測距定位方法,根據(jù)無線信號隨距離衰減的規(guī)律來實現(xiàn)測距。
    在井下通道中,于不同部位每隔一段距離安裝一個讀卡器,地面監(jiān)控中心將ID號不同的讀卡器的位置信息進行登記和存儲,當上傳的信息包含與某一進行無線通信的移動標簽的ID編號信息時,表明佩戴該標簽的人員位于該固定點讀卡器有效監(jiān)控范圍內(nèi),以此判斷標簽位置,這些位置信息均存儲于數(shù)據(jù)庫中[6]。井下人員定位流程如圖7所示。

    如果有兩臺或更多不同的讀卡器接收到相同標簽的信息,說明標簽位于多個讀卡器接收有效范圍內(nèi),監(jiān)控中心主機要根據(jù)接收的信號強度進行比較,以信號強度強的作為移動標簽當前的有效位置,從而實現(xiàn)人員定位。
    設計中結(jié)合RFID技術(shù)實現(xiàn)定位,其功耗低,且工作于2.4 GHz頻段,抗干擾能力強,適合井下使用。同時,礦井下實踐證明,在巷道中距離10 m放置一個監(jiān)控分站最為適宜,可以滿足定位需求,且成本適中。系統(tǒng)中設置了人員主呼功能、提高了井下工作安全系數(shù)。
4 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)
    軟件是安全監(jiān)控系統(tǒng)重要組成部分,負責采集節(jié)點工作模式設置、數(shù)據(jù)采集、分析、處理以及存儲。
4.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設計
    數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要完成節(jié)點工作模式設置、數(shù)據(jù)包無線傳輸?shù)裙δ?。?jié)點工作模式主要包括傳感器采集數(shù)據(jù)時間間隔、單片機讀取數(shù)據(jù)時間間隔、射頻信號強度等。系統(tǒng)完成初始化設置后,定時器計時、到達單片機讀取間隔時間、掃描傳感器端口、采集環(huán)境參數(shù)、按照一定數(shù)據(jù)幀格式封裝、通過射頻模塊上傳至監(jiān)控分站。同時通過中斷機制實現(xiàn)采集節(jié)點接收上級發(fā)送的查詢命令。數(shù)據(jù)采集節(jié)點工作流程如圖8所示。

4.2 監(jiān)控分站及地面監(jiān)控中心軟件設計
    系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用傳統(tǒng)的C/S分布式架構(gòu),分為運行于井下監(jiān)控分站上的中心服務器軟件和運行于地面監(jiān)控中心的中心客戶端軟件,簡稱LMS(Location Monitoring Server)和LMC(Location Monitoring Client)[3]。其中,LMS主要負責通信,獲取井下安全數(shù)據(jù);LMC主要完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的顯示、處理。
    LMS開發(fā)在Linux交叉編譯環(huán)境下完成,LMS啟動之后,初始化所有端口,創(chuàng)建套接字,監(jiān)聽LMC端是否有請求命令,以建立數(shù)據(jù)通道,同時初始化無線通信接口,準備從井下采集節(jié)點采集數(shù)據(jù)。LMC的開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual C++,采用MFC的基于對話框的結(jié)構(gòu),結(jié)合BCG技術(shù)向用戶提供了一個友好的監(jiān)控界面。
5 系統(tǒng)測試與性能分析
    測試網(wǎng)絡由兩個監(jiān)控節(jié)點:一個監(jiān)控分站以及運行于Windows下的地面監(jiān)控中心組成。圖9為監(jiān)控結(jié)果,分別顯示監(jiān)控A、B區(qū)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控值(實際應用中瓦斯?jié)舛瘸^5%將引起爆炸)。系統(tǒng)完成一次監(jiān)控耗時4~5 s左右,能夠滿足實時性要求。

    本系統(tǒng)用于井下安全監(jiān)控,地面監(jiān)控調(diào)度中心的管理人員可以直接對井下安全情況進行實時監(jiān)控,不僅能檢測和記錄井下環(huán)境、人員定位信息以及安全生產(chǎn)情況,以及時發(fā)現(xiàn)事故苗頭,防患于未然,也為事后分析事故原因提供了有效的第一手資料。
參考文獻
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