基于RFID和無線傳感的礦井實(shí)時(shí)定位預(yù)警系統(tǒng)

陳 勇， 石 南， 陳永光

（1.南京龍淵微電子科技有限公司 江蘇 南京 211106；2.河海大學(xué) 研究生院，江蘇 南京 211100）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)，百萬噸煤死亡率是美國(guó)的160倍、印度的10倍。相對(duì)比，我國(guó)礦山生產(chǎn)安全事故總量仍然居高不下，礦山安全生產(chǎn)形勢(shì)依然嚴(yán)峻。隨著國(guó)家對(duì)礦山安全生產(chǎn)的日益重視，我國(guó)大中型礦山部分裝備了安全監(jiān)控系統(tǒng)，雖一定程度上減少事故的發(fā)生，但仍存在很多問題，主要體現(xiàn)在:1）現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)還在報(bào)警的層面上，預(yù)警功能不強(qiáng)；2）現(xiàn)有安全監(jiān)控系統(tǒng)多為二維GIS管理，井上人員難以直觀、精準(zhǔn)地掌握井下人員位置及作業(yè)情況；3）一旦礦山災(zāi)害發(fā)生，缺乏可靠井下人員信息，災(zāi)害信息，救護(hù)效率低?；跓o線射頻識(shí)別技術(shù)及無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wireless Sensor Network，WSN）技術(shù)的礦山實(shí)時(shí)三維定位及災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)針對(duì)以上問題，對(duì)井下人員、移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行三維定位，隨時(shí)掌控井下人員、設(shè)備生產(chǎn)分布情況；對(duì)井下巷道的各項(xiàng)安全參數(shù)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，對(duì)可能發(fā)生的災(zāi)害及時(shí)預(yù)警，防止災(zāi)害發(fā)生；對(duì)礦山災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)的人員位置、人員數(shù)量、事故原因等信息進(jìn)行查詢及三維顯示，為災(zāi)后搶救提供重要的科學(xué)參考信息[1-2]。

1 整體介紹

為更好地保障礦井工作人員的安全生產(chǎn).實(shí)時(shí)地掌握礦井下的人員及設(shè)備的分布情況是必須的[3]。比如，某時(shí)某個(gè)礦工在哪個(gè)坑道作業(yè)。為此，在每一個(gè)坑道、工作面分岔入口處放置一套信息讀取發(fā)送裝置。信息讀取發(fā)送裝置由讀卡器和無線發(fā)射裝置組成。在交叉道口放置一套信息接收裝置和前端服務(wù)器。當(dāng)?shù)V工或設(shè)備進(jìn)人分岔道時(shí)，首先是讀卡器讀出標(biāo)簽中礦工或設(shè)備的相關(guān)信息并由無線發(fā)射裝置把信息發(fā)送給信息接收裝置。

基于RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的礦山實(shí)時(shí)三維定位與災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括無線射頻標(biāo)識(shí)模塊、實(shí)時(shí)三維定位模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析模塊、災(zāi)害預(yù)警模塊、災(zāi)害分析模塊和地面遠(yuǎn)程控制主機(jī)。

圖1 整體框圖Fig.1 Whole block diagram

實(shí)時(shí)三維定位模塊讀取無線射頻標(biāo)識(shí)模塊中的信息，并將所述的信息傳輸至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析模塊；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析模塊將采集和分析后的信息傳輸至災(zāi)害預(yù)警模塊；災(zāi)害分析模塊讀取災(zāi)害預(yù)警模塊輸出的信息，并上傳至地面遠(yuǎn)程控制主機(jī)。

作為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)：所述實(shí)時(shí)三維定位模塊包含無線傳感模塊，射頻卡管理模塊、三維定位查詢模塊、三維定位顯示模塊和無線傳輸模塊；無線傳感模塊讀取無線射頻標(biāo)識(shí)模塊中的信息，并將讀取的信息傳輸至射頻卡管理模塊和三維定位查詢模塊；三維定位查詢模塊根據(jù)無線射頻標(biāo)識(shí)模塊中的信息進(jìn)行定位查詢，并將定位信息顯示在三維定位顯示模塊中，從而實(shí)時(shí)定位。

2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器檢測(cè)模塊

所述傳感器檢測(cè)模塊包括溫濕度傳感器、末級(jí)微控制器及末級(jí)ZigBee收發(fā)器；所述溫濕度傳感器[4]采集溫濕度信息，并將溫濕度信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至末級(jí)微控制器；所述末級(jí)微控制器對(duì)接收到的信息進(jìn)行判斷處理，并通過末級(jí)ZigBee收發(fā)器傳輸至路由器傳輸模塊。如圖2所示。

圖2 傳感器檢測(cè)模塊Fig.2 Sensor module

2.2 總體模塊

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的基于RFID和無線傳感的礦井實(shí)時(shí)定位預(yù)警系統(tǒng)基于無線射頻識(shí)別技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下工作人員、井下移動(dòng)設(shè)備的三維定位，實(shí)現(xiàn)井下巷道工作環(huán)境的各種參數(shù)（如溫度、濕度、井巷通風(fēng)風(fēng)速、有害氣體含量等，的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[5]，分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)警井下數(shù)據(jù)異常區(qū)域，防止災(zāi)害發(fā)生，分析災(zāi)害發(fā)生位置、原因及發(fā)生時(shí)井下人員、移動(dòng)設(shè)備等信息，為災(zāi)后救援工作提供有價(jià)值的決策參考。

圖3 整體模塊Fig.3 Overall module

在具體的實(shí)施例中，平臺(tái)初始化后，自動(dòng)加載服務(wù)器地圖管理數(shù)據(jù)庫中最新井下三維數(shù)字地圖，如果地圖加載失敗，轉(zhuǎn)入地圖管理系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)更新后再加載，直至三維數(shù)字地圖加載成功。系統(tǒng)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行故障遍歷檢測(cè)，如有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、射頻卡讀卡器等存在故障，查詢定位故障點(diǎn)，通過軟件維修故障點(diǎn)，如無法通過軟件維護(hù)，則標(biāo)識(shí)故障點(diǎn)后進(jìn)行系統(tǒng)下硬件維修。加載正常后，啟動(dòng)所有無線傳感器和射頻卡讀卡器，讀取相關(guān)監(jiān)測(cè)信息，通過井下系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線錄入至主機(jī)數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)對(duì)所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警分析，如發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常，啟動(dòng)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)災(zāi)害區(qū)域內(nèi)人員預(yù)警，啟動(dòng)預(yù)警通訊系統(tǒng)，通知人員撤離或進(jìn)行安全避險(xiǎn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如下圖所述是礦井溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖[6]。軟件實(shí)現(xiàn)過程：系統(tǒng)在軟硬件初始化后由溫濕度傳感器采集溫濕度，然后將溫濕度數(shù)據(jù)封裝在ZigBee協(xié)議中。通過ZigBee協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到龍芯SOC路由節(jié)點(diǎn)，龍芯SOC路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到http服務(wù)器，最后手機(jī)、平板電腦、網(wǎng)頁通過http服務(wù)器得到溫濕度數(shù)據(jù)。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

4 結(jié) 論

文中采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1）本系統(tǒng)是基于RFID及WSN技術(shù)的礦山實(shí)時(shí)三維定位及災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，運(yùn)用了目前國(guó)際最新的三維體視化技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)，精準(zhǔn)地對(duì)井下工作人員、移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)三維、定位，對(duì)巷道環(huán)境安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警；2）本系統(tǒng)是基于RFID及WSN技術(shù)的礦山實(shí)時(shí)三維定位及災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)能夠使井上人員能夠通過三維交互界面直觀地掌握井下安全與生產(chǎn)工作情況；3）本系統(tǒng)是基于RFID及WSN技術(shù)的礦山實(shí)時(shí)三維定位及災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)采取無線網(wǎng)絡(luò)和非接觸式射頻卡識(shí)別技術(shù)，平臺(tái)鋪設(shè)靈活性強(qiáng)，監(jiān)控范圍廣泛，不僅可以三維全方位監(jiān)控，有效提高礦山安全監(jiān)測(cè)效率，而且對(duì)于預(yù)防礦山災(zāi)害發(fā)生和災(zāi)后救助工作都有著重要的作用。

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