基于RFID的煤矿安全监控系统设计与实现

摘  要： 针对煤矿的恶劣环境对安全监控系统所提出的要求，结合ARM及RFID技术，提出一种基于RFID的煤矿安全监控方案。设计的RFID系统主要以TI公司16位单片机MSP430F2122为标签微控制器，以CYRF6936为射频前端核心芯片，以MH-440甲烷传感器作为数据采集模块，监控分站(读卡器)以ARM9为主控制器。详细介绍了数据采集节点以及监控分站的硬件原理和软件设计思想，给出了硬件原理图及软件设计流程。经测试证明该系统具备良好的性能，适于井下使用。
关键词： 射频识别；安全监控；单片机；无线通信；传感器
       现有的煤矿安全监控系统存在诸多问题[1]：(1)采用有线网络，布局不便，成本较高且不易扩展；(2)监控节点位置相对固定，存在测量盲区，不能全面检测井下环境；(3)功能单一，仅限于环境参数检测，未设置井下作业人员主呼功能，不能及时获取其位置信息；(4)定位缺陷，主要采用GPS技术定位，其功耗大、成本高且抗干扰能力不强；(5)接口兼容性差，通信协议不完善，各厂家接口不能很好兼容。因此，有线网络难于达到动态全方位监控的目的。
1 监控系统整体设计方案
     针对煤矿对安全监控系统的需求，本文提出的基于RFID的煤矿安全监控系统，与现有系统对比，主要有以下优势[2]：
     (1)采用无线传输网络，以无线方式将采集到的数据传输到监控分站，运行维护简便。
     (2)可同时监测井下环境参数以及人员定位信息，加强安全生产可靠性。
     (3)在危急情况下，井下作业人员可通过RFID标签主动向外发出求救信号。
     煤矿安全监控系统是一个以实现对井下环境实时数据的采集、存储和监控综合的数据平台，系统包括井下数据采集节点、井下嵌入式监控分站以及地面监控中心三部分，如图1所示。
  
   
   2.2 采集节点硬件设计方案
     目前多采用有线网络采集井下信息，由于井下环境复杂且较为恶劣，有线方案存在诸多问题，故本系统在设计中采用RFID无线通信技术完成采集节点信息的传递。射频无线收发模块采用CYRF6936作为无线通信芯片，主控模块采用TI公司的嵌入式单片机MSP430F2122，以满足数据采集节点低功耗需求。
     本方案采用MH-440V/D 红外气体传感器采集瓦斯浓度。传感器VCC端接5 V电源，GND端接电源地，RXD端接单片机的TXD，TXD端接单片机的RXD。单片机直接通过传感器的UART接口读出气体浓度值。如图3所示。
   
        采集节点与监控分站通信均采用CYRF6936无线通信芯片，该芯片通信距离为10 m，传输速度为250 kb/s，具有低成本、低功耗、高性能等优点[3]。在硬件设计中，MSP430F2122通过SPI控制CYRF6936，增强型串行外设接口(SPI)提供了一个访问全双工同步串行总线的能力。SPI共有4个信号，分别为：串行时钟（SCK）、主输入从输出(MISO)、主输出从输入(MOSI)、从选择(NSS)。MSP-430F2122单片机分别采用P3.0、P3.4、P3.5、P2.3这4个端口完成SPI通信，如图4所示。
   
   
2.3 采集节点通信频点以及防碰撞设计
     考虑矿井下通信环境恶劣，兼顾成本因素，设计中RFID均工作于2.4 GHz频段，实验数据验证了采用该频段不仅能保证通信质量且同时能保证抗干扰能力强。井下节点众多，通常在无线通信中采用TDMA（时分多址）来实现系统的防碰撞[4]。TDMA技术是将通信时间按照实际需求分为多个时隙，分配给井下的数据采集节点。在设计中监控分站周期性地发送同步信号，采集节点在完成初始化工作后进入接收状态，在收到同步信号后，按照一定算法将自己的ID送出。为了避免冲突碰撞，每一个采集节点有唯一ID。
3 监控分站设计
     监控分站一方面通过无线收发模块接收数据采集节点所采集到的数据，上传至地面监控系统；另一方面接收地面监控系统指令完成对井下环境的监控。
3.1 监控分站硬件结构
     综合成本和技术等因素，监控分站采用功耗较低且具有较强数据处理能力的32 bit ARM(S3C2440)作为核心处理器[5]，外围电路包括存储单元(Flash和SDRAM)、通信接口(CYRF6936)、JTAG电路、电源、支撑电路等五大模块，如图5所示。