文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)08-0016-04
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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