引言

本文設計的智能化監控系統，主要是將礦井中采集的甲烷等有害氣體的濃度數據通過總線型網絡定時傳送到地面監管中心的PC中，使用軟件平臺進行數據存儲。PC根據收到的數據可以實時監測有害氣體的濃度，超過安全閾值可自動報警。同時，井下工作人員和重要設備配備的射頻識別（RFID）模塊通過井下固定監控點定時向監管中心傳送他們的位置數據，平時用做人員的考勤記錄和設備的管理與調度，一旦發生意外事故，將有利于人員和設備的救援與疏散。

射頻識別技術

射頻識別技術（Radio Frequency Identification Technology）是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環境，可以替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產品多用于交通上，識別距離可達幾十米。

RFID系統工作原理

典型的RFID系統包括可編程數據的電子標簽，讀寫器以及處理數據的遠端計算機三個部分。電子標簽也就是射頻卡，具有智能讀寫及加密通信的能力。讀寫器由無線收發模塊、控制模塊和接口電路組成，通過調制的RF通道向標簽發出請求信號，標簽回答識別信息，然后讀寫器把信號送到計算機或者其他數據處理設備。

在實際應用中，電子標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據。讀寫器通過天線發送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入該磁場時產生感應電流，同時利用此能量發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并進行相關處理，從而達到自動識別物體的目的。射頻識別系統的結構與信息傳遞方向見圖1。

RFID的分類

按照工作頻率的不同，RFID系統可分為低頻、中頻和高頻系統。低頻系統一般工作在100KHz-500KHz；中頻系統工作在10MHz-15MHz左右，主要適用于識別距離短，成本低的應用中；高頻系統可達850MH-950MHz及2.4GHz-6GHz的微波段，適用于識別距離長，讀寫數據速率高的場合。

RFID的特點及在本設計中的應用

RFID系統最大的特點就是非接觸識別，因此可以同時識別多個電子標簽及高速運動的標簽。它以無線方式通信，無需外露電觸點，電子標簽的芯片按不同的應用要求封裝，可以抵抗惡劣環境。

本設計采用廣播發射式射頻識別系統，井下所有監控點使用的RFID均采用有源工作方式。井下監控點分為兩種形式：固定監控點和移動監控點。根據RFID的工作原理，固定監控點上的RFID相當于只收不發的讀寫器，移動監控點上的RFID相當于電子標簽。

設計中使用的射頻芯片為Chipcom公司的CC1000，具有單片RF收發的特點。 收發分開設計的CC1000具有抗干擾能力強、通信速率高、體積小巧、功耗低、性能穩定、性能價格比高等優點?？紤]到成本等方面的問題，設計時RFID采用的工作頻率為433MHz，經過試驗測試，證明在傳輸距離及數據可靠性等方面，可以達到本系統的功能要求。

系統功能設計

實時監測有害氣體的濃度數據

將氣體傳感器采集的數據（一般為有害氣體，如甲烷）進行A/D轉換后，保存在微控制器MCU中，數據經過井下網絡傳輸，最終傳送至監管中心PC的操作平臺。計算機將氣體濃度數據存入數據庫，并進一步判斷是否處于安全范圍內，若超過規定閾值則自動報警。

井下人員及重要設備查詢及考勤功能

系統將RFID接收到的信息定時傳送至遠端監管中心PC中，可實時檢測井下人員及重要設備的分布情況。通過操作平臺軟件可以查詢各個RFID所在具體位置并根據需要迅速進行人員及設備的調配。同時，利用保存在PC機中的數據也可實現工作人員的考勤功能。

安全保障功能

丟失報警：當工作人員工作超過規定時間，或者超過規定位置，自動報警并在操作平臺上提供相關人員名單。

救護搜尋：對礦難現場被困人員進行搜尋和定位，可以便于開展救護工作。

信息聯網功能

作為整個煤礦的信息網的一部分，可以提供功能完善的數據庫，隨時調用該煤礦在一段時間內的氣體環境數據以及相關人員和設備的統計數據，以利于科學研究和對人員設備等進行管理。 系統組成與結構

整個系統由兩個部分組成：井上部分和井下部分，如圖2。

井下部分

井下部分是整個系統的核心，分為兩個部分：移動監控點和固定監控點。移動監控點包括工作人員和重要設備上的RFID，可以進行實時定位。固定監控點包括傳感器、A/D轉換器，微控制器和RFID模塊，完成對有害氣體的實時監測和采集信息的傳輸，并對人員和設備提供實時位置檢測。井下部分的固定監測點采用有線通信方式，利用串行USART接口進行連接，采用RS－232串行數據接口標準。

井下固定監控點之間采用總線型網絡連接，網絡結構如圖3。這種拓撲網絡結構比較簡單成本也較低，網絡各節點連接使用USART接口。整個井下部分與井上部采用RS－485串行數據接口標準進行通信。固定監控點S放置于井口，主要負責井下監控點與井上監管中心的信息交換，因此不需要RFID模塊和A/D轉換器，結構如圖4。

井下固定監控點C結構如圖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，根據不同煤礦環境選用不同氣體傳感器）的數據經過A/D轉換后進入MCU，RFID模塊與MCU使用I2C總線進行通信，MCU保存這兩個部分的數據，同時向固定監控點S不斷發送輸送請求，得到S允許后通過USART接口將數據送入傳輸網絡中。MCU的數據存儲區定時自動刷新。當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控點同時報警

井下移動監控點與固定監控點之間是無線傳輸。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。在與固定監控點上的射頻模塊進行通信時，實際上傳輸的就是這個特殊的編號，監控中心的軟件平臺已經將固定監控點的位置信息進行了登記和存儲。當上傳的信息包含有與他們進行無線通信的移動監控點的編號信息時，就表明佩帶和安裝該移動監控點的人員及設備很接近該固定監控點，從而判斷出移動RFID模塊的位置，這些位置信息均由系統存入數據庫。

移動監控點結構如圖6，射頻識別模塊的特殊編號預存儲于微控制器中，通過I2C總線傳輸至RFID中，并不斷向外發送這個特殊的編號。采用總線傳輸和預留串行接口主要是為了以后便于擴充系統功能。LED可以顯示工作地點射頻信號的強度，另外，移動監控點還配有電源控制開關，下井打開開關，上井給電池充電，便于使用。

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：實時監控子系統和信息管理子系統。

實時監控子系統是整個智能化監控系統的基礎，監管中心的PC通過RS 485接口標準與井下第一固定監控點S進行數據傳輸。其功能主要為：完成監控點的信息采集、實時處理和存儲。從井下上傳的信息不但包括各類有害氣體的濃度數據，還包括井下工作人員和設備的位置信息，這些龐大的數據量經過壓縮后都被保存在數據庫中，是信息聯網的基礎。

管理子系統的主要功能是對移動監控點信息的錄入、修改、查詢和統計。

開發平臺為：Windows XP + Visual Basic 6.0 企業版。

本系統的一些特點

使用總線型網絡拓撲結構

煤礦開采是不斷進行的，如果采用的網絡結構不能合理的增加節點數目，會給系統的使用造成不便。在本設計中，總線型網絡只需增加一段電纜和固定監控點就可增加一個節點，這使得智能化監控系統可以隨著煤礦的開采而不斷的擴充。

系統有較高的識別率和可靠性

射頻識別系統的讀寫距離是一個很關鍵的參數，目前長距離射頻識別系統的價格還很貴，所以為避免過長距離導致的數據傳輸不穩定、不完整，本設計在采用有線傳輸的前提下，固定監控點的分布使用了總線型網絡拓撲結構，系統可靠性好；移動監控點參照越區切換的概念在固定監控點之間傳輸數據，可以達到較高的識別率。 操作平臺操作方便易用

利用VB作為開發平臺，用戶界面友好，易于掌握和操作。數據定時被存儲于數據庫中，可以實現信息聯網，功能齊全、穩定性好，減少了管理人員的工作量。

結束語

這種智能化監控系統是以煤礦安全生產為基礎，射頻識別模塊（RFID）為主要設備，有線通信網絡為紐帶，監管中心的PC為中樞的新型智能化計算機管理系統，綜合運用了多種通信技術，突破了傳統煤礦安全管理模式，是煤礦安全生產管理系統的新趨勢。