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(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。PC根據(jù)收到的數(shù)據(jù)可以實(shí)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(diǎn)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。

    射頻識別技術(shù)

    射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification Technology）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(dá)幾十米。

    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，讀寫器以及處理數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端計算機(jī)三個部分。電子標(biāo)簽也就是射頻卡，具有智能讀寫及加密通信的能力。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(jī)或者其他數(shù)據(jù)處理設(shè)備。

    在實(shí)際應(yīng)用中，電子標(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(jìn)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(jī)并進(jìn)行相關(guān)處理，從而達(dá)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(略)

    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(dá)850MH-950MHz及2.4GHz-6GHz的微波段，適用于識別距離長，讀寫數(shù)據(jù)速率高的場合。

    RFID的特點(diǎn)及在本設(shè)計中的應(yīng)用

    RFID系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是非接觸識別，因此可以同時識別多個電子標(biāo)簽及高速運(yùn)動的標(biāo)簽。它以無線方式通信，無需外露電觸點(diǎn)，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(diǎn)使用的RFID均采用有源工作方式。井下監(jiān)控點(diǎn)分為兩種形式：固定監(jiān)控點(diǎn)和移動監(jiān)控點(diǎn)。根據(jù)RFID的工作原理，固定監(jiān)控點(diǎn)上的RFID相當(dāng)于只收不發(fā)的讀寫器，移動監(jiān)控點(diǎn)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(diǎn)。 收發(fā)分開設(shè)計的CC1000具有抗干擾能力強(qiáng)、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(diǎn)?？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(yàn)測試，證明在傳輸距離及數(shù)據(jù)可靠性等方面，可以達(dá)到本系統(tǒng)的功能要求。

    系統(tǒng)功能設(shè)計

    實(shí)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(jìn)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(jī)將氣體濃度數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)一步判斷是否處于安全范圍內(nèi)，若超過規(guī)定閾值則自動報警。

    井下人員及重要設(shè)備查詢及考勤功能

    系統(tǒng)將RFID接收到的信息定時傳送至遠(yuǎn)端監(jiān)管中心PC中，可實(shí)時檢測井下人員及重要設(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(jìn)行人員及設(shè)備的調(diào)配。同時，利用保存在PC機(jī)中的數(shù)據(jù)也可實(shí)現(xiàn)工作人員的考勤功能。

    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)人員名單。

    救護(hù)搜尋：對礦難現(xiàn)場被困人員進(jìn)行搜尋和定位，可以便于開展救護(hù)工作。

    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內(nèi)的氣體環(huán)境數(shù)據(jù)以及相關(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(jìn)行管理。 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

    整個系統(tǒng)由兩個部分組成：井上部分和井下部分，如圖2。

    圖2 整個智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(略)

    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(diǎn)和固定監(jiān)控點(diǎn)。移動監(jiān)控點(diǎn)包括工作人員和重要設(shè)備上的RFID，可以進(jìn)行實(shí)時定位。固定監(jiān)控點(diǎn)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(shí)時監(jiān)測和采集信息的傳輸，并對人員和設(shè)備提供實(shí)時位置檢測。井下部分的固定監(jiān)測點(diǎn)采用有線通信方式，利用串行USART接口進(jìn)行連接，采用RS－232串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)。

    圖3 井下固定監(jiān)控點(diǎn)總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖(略)

    井下固定監(jiān)控點(diǎn)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?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單成本也較低，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)連接使用USART接口。整個井下部分與井上部采用RS－485串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。固定監(jiān)控點(diǎn)S放置于井口，主要負(fù)責(zé)井下監(jiān)控點(diǎn)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(diǎn)S結(jié)構(gòu)圖(略)

    井下固定監(jiān)控點(diǎn)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(jìn)入MCU，RFID模塊與MCU使用I2C總線進(jìn)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(diǎn)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，井上工作平臺及井下固定監(jiān)控點(diǎn)同時報警。

    圖5 井下固定監(jiān)控點(diǎn)C結(jié)構(gòu)圖(略)

    井下移動監(jiān)控點(diǎn)與固定監(jiān)控點(diǎn)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，與其他模塊均不相同。在與固定監(jiān)控點(diǎn)上的射頻模塊進(jìn)行通信時，實(shí)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)控點(diǎn)的位置信息進(jìn)行了登記和存儲。當(dāng)上傳的信息包含有與他們進(jìn)行無線通信的移動監(jiān)控點(diǎn)的編號信息時，就表明佩帶和安裝該移動監(jiān)控點(diǎn)的人員及設(shè)備很接近該固定監(jiān)控點(diǎn)，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(diǎn)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(kuò)充系統(tǒng)功能。LED可以顯示工作地點(diǎn)射頻信號的強(qiáng)度，另外，移動監(jiān)控點(diǎn)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(diǎn)結(jié)構(gòu)圖(略)

    井上部分

    井上部分主要是軟件操作平臺，按照功能劃分為2個子系統(tǒng)：實(shí)時監(jiān)控子系統(tǒng)和信息管理子系統(tǒng)。

    實(shí)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RS 485接口標(biāo)準(zhǔn)與井下第一固定監(jiān)控點(diǎn)S進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其功能主要為：完成監(jiān)控點(diǎn)的信息采集、實(shí)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(diǎn)信息的錄入、修改、查詢和統(tǒng)計。

    開發(fā)平臺為：Windows XP + Visual Basic 6.0 企業(yè)版。

    本系統(tǒng)的一些特點(diǎn)

    使用總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    煤礦開采是不斷進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)就可增加一個節(jié)點(diǎn)，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(kuò)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(diǎn)的分布使用了總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可靠性好；移動監(jiān)控點(diǎn)參照越區(qū)切換的概念在固定監(jiān)控點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)，可以達(dá)到較高的識別率。

    操作平臺操作方便易用

    利用VB作為開發(fā)平臺，用戶界面友好，易于掌握和操作。數(shù)據(jù)定時被存儲于數(shù)據(jù)庫中，可以實(shí)現(xiàn)信息聯(lián)網(wǎng)，功能齊全、穩(wěn)定性好，減少了管理人員的工作量。

    結(jié)束語

    這種智能化監(jiān)控系統(tǒng)是以煤礦安全生產(chǎn)為基礎(chǔ)，射頻識別模塊（RFID）為主要設(shè)備，有線通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，監(jiān)管中心的PC為中樞的新型智能化計算機(jī)管理系統(tǒng)，綜合運(yùn)用了多種通信技術(shù)，突破了傳統(tǒng)煤礦安全管理模式，是煤礦安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的新趨勢。
 
文章來源：華東師范大學(xué)信息學(xué)院