謝莉萍　馮鋒

摘要：在詳細(xì)介紹了RFID、WSN技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)中存在的問(wèn)題構(gòu)建了基于RFID與WSN融和的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。其中RFID技術(shù)用于目標(biāo)物如礦工的定位和識(shí)別；WSN技術(shù)用于目標(biāo)環(huán)境狀況如瓦斯?jié)舛?、空氣濕度、壓力等信息的監(jiān)測(cè)和井下信息的傳送。二者在技術(shù)上的互補(bǔ)互存，有效的解決了RFID數(shù)據(jù)在煤礦井下的傳輸問(wèn)題和感知礦井下存在的安全隱患等問(wèn)題，即使有礦難發(fā)生時(shí)也能對(duì)人員進(jìn)行快速定位和搜救。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；融合技術(shù)；煤礦安全

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）34-8180-03

煤炭在我國(guó)的能源消耗中有著不可或缺的地位，其中僅一次能源的消耗的70%來(lái)自于煤炭。但是由于我國(guó)煤礦開(kāi)采環(huán)境較為復(fù)雜并且井下環(huán)境惡劣，常常有礦難發(fā)生，給我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和礦工生命安全帶來(lái)了巨大的威脅，因此采用有效的科技手段對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控已成為迫在眉睫的任務(wù)。通過(guò)對(duì)許多重大的事故的分析，我們發(fā)現(xiàn)礦難的發(fā)生主要?dú)w咎于以下原因：地面與井下人員的信息溝通不及時(shí)；地面人員難以及時(shí)動(dòng)態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，進(jìn)行精確人員定位[1]；一旦煤礦事故發(fā)生，搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低，搜救效果差[2]，即使發(fā)生事故也不能及時(shí)有效的開(kāi)展救援工作。該文引入了射頻識(shí)別[3]（RadioFrequencyIdentification，RFID）技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensornetworks，WSN）技術(shù)，將二者融合后應(yīng)用與煤礦安全中，建立煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)用以解決以上問(wèn)題。

1RFID和WSN技術(shù)簡(jiǎn)介

RFID技術(shù)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻方式獲取物體的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)物體加以識(shí)別[4]，整個(gè)工作過(guò)程不需要人工干預(yù)，可工作于各種各樣的惡劣環(huán)境。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的信息，并發(fā)送給觀察者[5]。RFID技術(shù)具有雙向通信、性能可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其自身仍存在抗干擾性差、有效傳輸距離一般小于10米、采集的數(shù)據(jù)必須有網(wǎng)絡(luò)作為傳播媒介等缺點(diǎn)。而WSN技術(shù)恰好彌補(bǔ)了它的這些不足之處，在很大程度上增加了RFID技術(shù)的覆蓋范圍。其次，將這兩種技術(shù)進(jìn)行融合，也能使得無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)更精確的識(shí)別目標(biāo)物體。因此將RFID和WSN技術(shù)融合既可以利用RFID技術(shù)識(shí)別井下人員和設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行定位，又可以利用WSN技術(shù)采集井下的環(huán)境信息并傳輸數(shù)據(jù)，有效的解決了煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的安全問(wèn)題。

目前關(guān)于RFID與WSN的融合方式的研究主要有以下三種[6]：

1）RFID標(biāo)簽和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的融合

這種方式是將RFID標(biāo)簽和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)集成在一起，利用無(wú)線傳感網(wǎng)將自身采集的數(shù)據(jù)和RFID標(biāo)簽里存儲(chǔ)的信息這兩種數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行傳輸。這種集成方式對(duì)硬件的依賴性比較大并且成本高，不適合大規(guī)模實(shí)施。

2）RFID閱讀器和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的融合

這種方式是將RFID閱讀器與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相融合，融合后的RFID閱讀器同時(shí)具有識(shí)別和感知數(shù)據(jù)的能力，并能將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行傳輸，減少了有線傳輸中布線的麻煩和成本。

3）兩種設(shè)備的混合部署

這種方式是將RFID標(biāo)簽和WSN傳感器節(jié)點(diǎn)混合部署在應(yīng)用場(chǎng)合，是二者集成的最簡(jiǎn)單方式，不需要對(duì)硬件做任何的修改和改進(jìn)，只需要對(duì)軟件做相應(yīng)修改能夠同時(shí)處理這兩種不同的數(shù)據(jù)。這種方式雖然簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但是RFID閱讀器不能利用無(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2基于RFID與WSN融合的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)的目標(biāo)功能

2.1.1下井人員、設(shè)備的跟蹤和查詢

在井上的監(jiān)控系統(tǒng)的終端繪制出井下的巷道分布、作業(yè)面圖，并且能夠動(dòng)態(tài)顯示各個(gè)巷道、作業(yè)區(qū)的人員的分布情況。同時(shí)能夠根據(jù)員工和設(shè)備的編碼或者員工的姓名查詢當(dāng)前該員工或設(shè)備的具體位置以及它們的歷史運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)有員工進(jìn)入禁區(qū)或者沒(méi)有按時(shí)上井的時(shí)候及時(shí)報(bào)警并顯示相關(guān)員工的信息。

2.1.2環(huán)境信息采集

能夠?qū)崟r(shí)采集井下的瓦斯?jié)舛取⒖諝鉂穸?、溫度等環(huán)境信息，如果采集到的某項(xiàng)信息的指標(biāo)超標(biāo)會(huì)立即報(bào)警并顯示報(bào)警區(qū)域。

2.1.3人員信息管理

存儲(chǔ)管理所有員工的基本信息外，統(tǒng)計(jì)員工的上崗、離崗時(shí)間以及下井和上井時(shí)間，計(jì)算出每個(gè)員工的井下工作時(shí)間和出勤率等信息并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.1.4事故急救

如果有事故發(fā)生，地面上的監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供被困人員的數(shù)量、被困的具體位置等有效信息，使得能夠有針對(duì)性的進(jìn)行救援。

2.2系統(tǒng)的組成

由于井下環(huán)境復(fù)雜多樣，不適合部署有線網(wǎng)絡(luò)，但是RFID閱讀器讀取到的標(biāo)簽信息必須有網(wǎng)絡(luò)作為載體傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心。因此在該文中我們將閱讀器和傳感器節(jié)點(diǎn)集并且稱這種節(jié)點(diǎn)為智能節(jié)點(diǎn)。該智能節(jié)點(diǎn)不但可以讀取電子標(biāo)簽信息，而且可以采集井下的環(huán)境信息并可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

該系統(tǒng)由地面上的監(jiān)控系統(tǒng)與井下的信息采集傳輸系統(tǒng)兩部分組成。其中井上監(jiān)控系統(tǒng)包括控制終端、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器用來(lái)接收、處理井下傳輸系統(tǒng)采集的信息，而數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)，動(dòng)態(tài)顯示井下各個(gè)巷道的環(huán)境信息、人員分布信息、各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)以及支持對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢功能和意外下進(jìn)行情況報(bào)警功能。

井下的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)主要由智能節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（帶有電子標(biāo)簽的礦工節(jié)點(diǎn)）構(gòu)成。智能節(jié)點(diǎn)在采集環(huán)境信息的同時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)其讀取范圍內(nèi)的員工或設(shè)備攜帶的電子標(biāo)簽進(jìn)行讀取，并將讀取到的信息和來(lái)自其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)融合以后傳送給中心協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再利用有線方式把數(shù)據(jù)傳送給井上監(jiān)控系統(tǒng)。

2.3系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

在系統(tǒng)中我們首先在工作人員的衣服或帽子上植入具有RFID標(biāo)簽的無(wú)線接收器。當(dāng)工作人員進(jìn)入到井下時(shí)，管道中安放的集成了閱讀器和傳感器的智能節(jié)點(diǎn)既可以探測(cè)到人員的位置信息，同時(shí)也可以采集到井下的瓦斯?jié)舛?、濕度等信息，完成?duì)井下作業(yè)人員的定位和井下環(huán)境信息的探測(cè)。如圖1所示。

在井下網(wǎng)絡(luò)部署中，我們采用基于ZigBee協(xié)議的樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因?yàn)闃?shù)狀網(wǎng)絡(luò)具有分布處理數(shù)據(jù)的能力，簇頭能夠?qū)⒔邮盏降拇貎?nèi)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行去掉冗余等處理后直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器或者逐跳的在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸。

ZigBee設(shè)備的傳輸距離為10m到75m之間，所以具體的實(shí)現(xiàn)方法是在井下的巷道中根據(jù)ZigBee節(jié)點(diǎn)的有效傳輸距離部署智能節(jié)點(diǎn)，以有利于數(shù)據(jù)的傳輸。節(jié)點(diǎn)部署以后，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇相當(dāng)于一塊較為固定的自組織網(wǎng)絡(luò)[7]。然后在每個(gè)簇內(nèi)選擇一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)用來(lái)接收和轉(zhuǎn)發(fā)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，選擇的簇頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)該處于簇內(nèi)的中心位置，使得其和簇中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離大概相等，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳遞數(shù)據(jù)時(shí)消耗基本相等的能量，從而可以避免某些節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰康倪^(guò)度消耗而失效。

在網(wǎng)絡(luò)中，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行融合處理后逐跳傳遞或者直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器。同時(shí)也負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器的命令，將其發(fā)送給該簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)。由于簇頭節(jié)點(diǎn)要不斷的接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此比其他普通節(jié)點(diǎn)更為消耗能量。所以和普通節(jié)點(diǎn)相比，簇頭節(jié)點(diǎn)應(yīng)給供與更大功力的電能。

簇頭節(jié)點(diǎn)將收集到環(huán)境信息和閱讀器探測(cè)到的人員位置的信息通過(guò)單跳或多跳方式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送到地面上的控制中心。最后由地面控制中心對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，將數(shù)據(jù)與系統(tǒng)中設(shè)定的安全值進(jìn)行比較。如果超過(guò)安全值，系統(tǒng)會(huì)彈出紅色警示信息并自動(dòng)傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳再送給工作人員身上的無(wú)線數(shù)據(jù)接收終端。此時(shí)終端報(bào)警，提示工作人員撤離。同時(shí)工作人員身上的無(wú)線數(shù)據(jù)接收終端也會(huì)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)所探測(cè)的環(huán)境變化的各項(xiàng)數(shù)據(jù)值，與終端設(shè)備中存儲(chǔ)的危險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)大于時(shí)自動(dòng)報(bào)警提示進(jìn)井人員撤離，鑒于終端設(shè)備體積小、存儲(chǔ)容量有限，只保留安全級(jí)、警示級(jí)、危險(xiǎn)級(jí)三個(gè)臨界值。

3結(jié)束語(yǔ)

近幾年RFID技術(shù)和WSN技術(shù)已經(jīng)成熟地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。在煤礦安全方面，已經(jīng)有大量的企業(yè)和學(xué)者致力于這兩種技術(shù)在煤礦安全監(jiān)控中的應(yīng)用，并且有大量的文獻(xiàn)和成熟產(chǎn)品面世。但是這些產(chǎn)品和研究?jī)H僅是對(duì)兩種技術(shù)的單獨(dú)應(yīng)用，沒(méi)有充分發(fā)揮二者結(jié)合以后所具有的優(yōu)勢(shì)。該文所研究的基于RFID與WSN融合的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是將RFID閱讀器與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相結(jié)合以后部署在井下的各個(gè)坑道，通過(guò)RFID實(shí)現(xiàn)對(duì)下井員工的跟蹤定位，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集井下的瓦斯?jié)舛?、空氣濕度等信息并把這些信息連同閱讀器采集的信息傳輸?shù)骄媳O(jiān)控中心，使得井下的整個(gè)狀態(tài)動(dòng)態(tài)展現(xiàn)在井上監(jiān)控人員面前。這樣不僅充分發(fā)揮了RFID技術(shù)的單品識(shí)別和定位功能，同時(shí)還有效的利用到了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境的感知能力和數(shù)據(jù)傳輸能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐春妹.無(wú)線礦井生命安全與救援系統(tǒng)[J].國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù)，2009（7）.

[2]耿宇缽.基于CS模式的礦用人員安全監(jiān)控系統(tǒng)[D].北京：北京交通大學(xué)，2006.

[3]SaracA，AbsiN.Dauzere-PeresS.AliteraturereviewontheimpactofRFIDtechnologiesonsupplychainmanagement[J].InternationalJournalofProductionEconomics，2010.

[4]黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)射頻識(shí)別：RFID，核心技術(shù)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5]孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]盧旭.RFID與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合技術(shù)研究[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（4）：21-22.

[7]張嘉怡，劉建文，武川輝.ZigBee技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008，4（34）：122-125.