基于RFID与无线传感器网络的矿井安全系统*

时间：2024-07-28

徐立军，段友莲

(新疆工业高等专科学校，乌鲁木齐830091)

1 引言

作者于2006年曾发表《基于RFID的煤矿井下人员定位系统》一文(测试技术学报2006增刊，175-180页)，提出了一种基于RFID的煤矿井下人员定位系统，提供了一种煤矿井下移动目标的定位、跟踪和通信解决方案，在一定程度上提高了煤矿井下安全监控与通信能力，但在实际应用中仍存在不足，主要体现在以下几方面:

(1)该系统以有线网络(CAN总线)为骨干通信系统，在矿难发生后一旦有线网络通信中断，受困人员无法与指挥中心取得联系，致使定位、跟踪与通信系统的功能失效。救援人员只能知道矿难发生瞬间人员的位置，而在矿难灾害中对井下人员的定位和搜救是最为紧迫的任务。救援人员如果能在最短时间内找到被困人员，将极大提高救援效率，挽救被困人员的生命。

(2)应急救援通信仅能在指挥中心和救援人员之间展开，没有包括最需要通信的被困人员。

(3)系统功能单一，没有实现多种功能的有机结合。有线网络的布置经常跟不上采掘面的掘进速度，造成大量的检测死角和安全隐患，无法充分发挥井下通信系统的优点。

鉴于以上原因并结合煤矿井下安全监控无线传感与通信技术的发展状况，文章提出在现场总线网络上挂接无线监控分站，实现对井下参数的采集和控制。

2 系统架构

在井下以一定的间隔布置带有两种网络接口的无线接入点，以有线方式接入监控系统网络，并可以以无线方式与移动无线传感器节点交换信息［1］。

井下人员和设备佩戴的无线传感器节点可起到移动信息源功能，采用成熟的主从式无线网络控制协议，整个系统结构如图1所示。

其中，人员佩戴的移动节点可以起到移动目标定位跟踪、环境参数采集、处理和传输以及无线寻呼/对讲、任务分配和协调控制等功能。

图1 系统结构图

矿难事故发生或井下有线通信遭到破坏后，井下传感器节点通过对无线通道的侦听，立即启动自组织协议，形成无线应急通信网络，处理过程如图2所示。

图2 矿难发生时的救援信息通信系统

矿难发生时，无线传感器节点自组织形成应急救援通信网络，大多情况下，井下会形成若干相互孤立的区域，所以，这种应急通信网络能实现如下功能:

(1)孤岛网络内实现被困人员间的信息交流;

(2)救援人员可利用无线信号搜索被困人员，井下人员即使已经遇难，其佩戴的无线传感器节点依然可以进行信息中继，帮助搜寻其遗体;

(3)救援指挥中心可根据应急网络提供的信息即时掌握井下环境参数和人员分布情况，快速做出最正确的决定［5］。

3 网络通信协议的设计

网络自组织通信协议主要包括物理层、数据链路层、网络层及应用层。

(1)物理层

主要负责感知数据的信息采集，即施工点周围环境参数的检测，并对收集的数据进行抽样，考虑到我国煤矿具体情况，建议该网络采用无线电波载波媒体如 Zigbee技术，工作频段为 915MHz或2.4GHz［4］。

(2)数据链路层

负责媒体访问控制和建立节点之间可靠的通信连路，主要由媒体访问控制MAC组成。系统采用基于预先规定的媒体访问控制协议，首先由无线接入点即信宿节点向各个无线传感器节点发送一个开始指令，无线传感器节点接到指令信息，转为接收状态。各个无线传感器节点收到来自信宿节点的开始指令后，由接收状态转为发送状态，并按ID×2ms时间间隔逐个向信宿节点发送数据，这样能避免由于信道中发生竞争冲突而造成数据包的丢失。

(3)网络层

主要任务是发现和维护路由。

该网络采用按需路由协议，即采用“路由请求/路由应答”机制来建立路由。当节点需要去往某未知目的节点路由时，广播一个“路由请求”分组至源节点的所有邻居。如果在邻居节点中未发现目的节点，邻居节点就转发该“路由请求”分组，直到“路由请求”分组到达目的节点或到达直到去往目的节点路由的中间节点，这时再沿反向路由发送“路由应答”分组，该路由协议不仅可以实现邻居节点间的单跳路由，也可以实现经多个中间节点转发的多跳路由。

4 系统硬件设计及工作过程

鉴于目前RFID系统所面临的问题，本课题设计了基于Zigbee技术的远距离RFID系统，系统主要由以下三个部分组成:应答器、读卡器和上位机。总体方案如图3所示。

图3 基于Zigbee技术的RFID系统结构图

4.1 射频芯片硬件选择

系统采用Chipcon公司的CC2420作为无线通信设备，该器件是 Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器，是一款较成熟的适用于Zigbee产品的RF器件［2］。

通讯节点与通讯接口之间的连接图如图4所示。

图4 通讯节点与通讯接口之间的连接图

4.2 系统工作过程

首先打开信宿节点和Zigbee节电电源开关，信宿节点发送开始指令，传感器节点收到指令后，甲烷浓度传感器和温度传感器从周围环境采集瓦斯浓度和温度，经过信号处理及A/D转换、打包等处理，将数据包发送给信宿节点，信宿节点收到数据包后，经处理器进行数据处理，通过显示模块显示实时数据，同时所有数据同步进行存储，可随时通过USB接口把数据输入到计算机进行分析。当瓦斯浓度超限或有节点失效时，报警电路报警，在系统工作过程中，可设定传感器采集频率为1次/s［3］。