雷 杏，黃 俊，廖志鵬

（重慶郵電大學(xué) 信號(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）

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(luò)，布局不便，成本較高且不易擴(kuò)展；(2)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定，存在測(cè)量盲區(qū)，不能全面檢測(cè)井下環(huán)境；(3)功能單一，僅限于環(huán)境參數(shù)檢測(cè)，未設(shè)置井下作業(yè)人員主呼功能，不能及時(shí)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(qiáng)；(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(luò)難于達(dá)到動(dòng)態(tài)全方位監(jiān)控的目的。

1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

針對(duì)煤礦對(duì)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(duì)比，主要有以下優(yōu)勢(shì)[2]：

(1)采用無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，以無線方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控分站，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便。

(2)可同時(shí)監(jiān)測(cè)井下環(huán)境參數(shù)以及人員定位信息，加強(qiáng)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(biāo)簽主動(dòng)向外發(fā)出求救信號(hào)。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和監(jiān)控綜合的數(shù)據(jù)平臺(tái)，系統(tǒng)包括井下數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、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。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)用于采集井下數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)采用低功耗單片機(jī)MSP430F2122作為主控芯片，同時(shí)以RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下無線通信，以提高其抗干擾性能。

嵌入式監(jiān)控分站是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，分站以ARM作為核心處理器，通過RFID射頻模塊接收井下安全參數(shù)，并通過以太網(wǎng)將其上傳至地面監(jiān)控中心，同時(shí)接收地面監(jiān)控中心下達(dá)的控制命令。

地面監(jiān)控中心軟件采用Access數(shù)據(jù)庫和C++技術(shù)，為用戶提供了友好的操作界面，主要顯示井下安全信息，并完成存儲(chǔ)和處理工作。

2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要功能是獲取井下安全參數(shù)，包括井下環(huán)境參數(shù)和井下人員定位信息。

2.1 采集節(jié)點(diǎn)組成

環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、主控模塊以及射頻無線收發(fā)模塊組成，如圖2所示(環(huán)境信息采集節(jié)點(diǎn)則舍去緊急呼叫模塊)。

2.2 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)方案

目前多采用有線網(wǎng)絡(luò)采集井下信息，由于井下環(huán)境復(fù)雜且較為惡劣，有線方案存在諸多問題，故本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用RFID無線通信技術(shù)完成采集節(jié)點(diǎn)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(jī)MSP430F2122，以滿足數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)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)舛取鞲衅鱒CC端接5 V電源，GND端接電源地，RXD端接單片機(jī)的TXD，TXD端接單片機(jī)的RXD。單片機(jī)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(diǎn)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(diǎn)[3]。在硬件設(shè)計(jì)中，MSP430F2122通過SPI控制CYRF6936，增強(qiáng)型串行外設(shè)接口(SPI)提供了一個(gè)訪問全雙工同步串行總線的能力。SPI共有 4個(gè)信號(hào)，分別為：串行時(shí)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(jī)分別采用 P3.0、P3.4、P3.5、P2.3這 4個(gè)端口完成SPI通信，如圖4所示。

2.3 采集節(jié)點(diǎn)通信頻點(diǎn)以及防碰撞設(shè)計(jì)

考慮礦井下通信環(huán)境惡劣，兼顧成本因素，設(shè)計(jì)中RFID均工作于2.4 GHz頻段，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了采用該頻段不僅能保證通信質(zhì)量且同時(shí)能保證抗干擾能力強(qiáng)。井下節(jié)點(diǎn)眾多，通常在無線通信中采用TDMA（時(shí)分多址）來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的防碰撞[4]。TDMA技術(shù)是將通信時(shí)間按照實(shí)際需求分為多個(gè)時(shí)隙，分配給井下的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中監(jiān)控分站周期性地發(fā)送同步信號(hào)，采集節(jié)點(diǎn)在完成初始化工作后進(jìn)入接收狀態(tài)，在收到同步信號(hào)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(gè)采集節(jié)點(diǎn)有唯一ID。

3 監(jiān)控分站設(shè)計(jì)

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(diǎn)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(duì)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(qiáng)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(chǔ)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。

3.2 通信幀定義

在井下采集節(jié)點(diǎn)及人員定位節(jié)點(diǎn)通過無線信道將相關(guān)信息發(fā)送至監(jiān)控分站，由監(jiān)控分站將相關(guān)實(shí)時(shí)傳送至地面監(jiān)控系統(tǒng)。發(fā)送數(shù)據(jù)采用自定義的數(shù)據(jù)幀格式，圖6是監(jiān)控分站向通信接口發(fā)送的數(shù)據(jù)格式。

其中，幀開始以及結(jié)束標(biāo)志分別占1 B，用于定位幀；ID1為發(fā)送該信息的讀卡器標(biāo)示，占1 B，每一個(gè)讀卡器都有唯一的ID，且ID號(hào)和地理位置一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)該字節(jié)內(nèi)容確定信息來源地；時(shí)間戳標(biāo)識(shí)信息發(fā)送時(shí)間，占1 B，用于日后信息的維護(hù)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(biāo)簽編號(hào)，占 1 B，用于標(biāo)識(shí)原始數(shù)據(jù)來源；監(jiān)控?cái)?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(shè)計(jì)

CYRF6936內(nèi)置RSSI接收信號(hào)強(qiáng)度指示器，可通過讀取RSSI寄存器獲取接收到信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。該系統(tǒng)定位算法是基于RSSI的測(cè)距定位方法，根據(jù)無線信號(hào)隨距離衰減的規(guī)律來實(shí)現(xiàn)測(cè)距。

在井下通道中，于不同部位每隔一段距離安裝一個(gè)讀卡器，地面監(jiān)控中心將ID號(hào)不同的讀卡器的位置信息進(jìn)行登記和存儲(chǔ),當(dāng)上傳的信息包含與某一進(jìn)行無線通信的移動(dòng)標(biāo)簽的ID編號(hào)信息時(shí),表明佩戴該標(biāo)簽的人員位于該固定點(diǎn)讀卡器有效監(jiān)控范圍內(nèi)，以此判斷標(biāo)簽位置,這些位置信息均存儲(chǔ)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(tái)或更多不同的讀卡器接收到相同標(biāo)簽的信息,說明標(biāo)簽位于多個(gè)讀卡器接收有效范圍內(nèi),監(jiān)控中心主機(jī)要根據(jù)接收的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行比較,以信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)的作為移動(dòng)標(biāo)簽當(dāng)前的有效位置，從而實(shí)現(xiàn)人員定位。

設(shè)計(jì)中結(jié)合RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位，其功耗低，且工作于2.4 GHz頻段，抗干擾能力強(qiáng)，適合井下使用。同時(shí)，礦井下實(shí)踐證明，在巷道中距離10 m放置一個(gè)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(shè)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件是安全監(jiān)控系統(tǒng)重要組成部分，負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)工作模式設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、分析、處理以及存儲(chǔ)。

4.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要完成節(jié)點(diǎn)工作模式設(shè)置、數(shù)據(jù)包無線傳輸?shù)裙δ?。?jié)點(diǎn)工作模式主要包括傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔、單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)間間隔、射頻信號(hào)強(qiáng)度等。系統(tǒng)完成初始化設(shè)置后，定時(shí)器計(jì)時(shí)、到達(dá)單片機(jī)讀取間隔時(shí)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(shí)通過中斷機(jī)制實(shí)現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)接收上級(jí)發(fā)送的查詢命令。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)

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(yùn)行于井下監(jiān)控分站上的中心服務(wù)器軟件和運(yùn)行于地面監(jiān)控中心的中心客戶端軟件，簡(jiǎn)稱LMS(Location Monitoring Server)和 LMC(Location Monitoring Client)[3]。 其中，LMS主要負(fù)責(zé)通信，獲取井下安全數(shù)據(jù)；LMC主要完成監(jiān)控?cái)?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(dòng)之后，初始化所有端口，創(chuàng)建套接字，監(jiān)聽LMC端是否有請(qǐng)求命令，以建立數(shù)據(jù)通道，同時(shí)初始化無線通信接口，準(zhǔn)備從井下采集節(jié)點(diǎn)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(duì)話框的結(jié)構(gòu)，結(jié)合BCG技術(shù)向用戶提供了一個(gè)友好的監(jiān)控界面。

5 系統(tǒng)測(cè)試與性能分析

測(cè)試網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)：一個(gè)監(jiān)控分站以及運(yùn)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(shí)際應(yīng)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(shí)4～5 s左右，能夠滿足實(shí)時(shí)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(duì)井下安全情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅能檢測(cè)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(shí)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。

[1]陳彩華，梅大成，劉彬.基于ARM-Linux的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，30(1)：69-71.

[2]王雪莉，盧才武，顧清華，等.無線定位技術(shù)及其在地下礦山中的應(yīng)用[J].金屬礦山，2009(4)：121-125.

[3]田世君，張德民，徐志剛.基于ARM嵌入式操作系統(tǒng)定位終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，18(1)：75-78.

[4]田增山，茍舉，何維.手機(jī)信號(hào)采集與傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，23(2)：178-182.

[5]張凌，田增山，張光星.基于 ARM/GPRS/GPS的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，17(6)：700-703.

[6]汪玉鳳，段麗華.井下人員定位系統(tǒng)精確定位[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，27(5)：725-727.