以RFID技術(shù)為基礎(chǔ)的嵌入式礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李建

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

當前，我國的礦山依然是以中小型為主，受自身技術(shù)條件、經(jīng)濟條件等的影響，礦山企業(yè)想要引進和推廣一些先進的電子產(chǎn)品，存在一定難度，即便部分礦山企業(yè)憑借自身良好的經(jīng)濟效益，引入了前沿產(chǎn)品，如GPS定位系統(tǒng)等，但是在成本的限制下，同樣無法運用到每個員工身上，在這種情況下，如何保障礦山生產(chǎn)安全就成了一個重點研究的課題。運用RFID技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建嵌入式礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對礦山環(huán)境及生產(chǎn)狀況的有效監(jiān)控，切實保障生產(chǎn)安全。

1 RFID技術(shù)概述

RFID（Radio Frequency Identification）指無線射頻技術(shù)，能夠以射頻信號自動識別目標對象，同時獲取有效數(shù)據(jù)信息，不需要人工操作，因此在許多行業(yè)和領(lǐng)域都有著廣泛的適用性。RFID的基本原理，是利用射頻技術(shù)構(gòu)建磁場，針對附著在物體表面，蘊含豐富信息的電子標簽進行識別和讀取，然后將提取到的信息傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)，完成后續(xù)處理工作。實際上，RFID技術(shù)也經(jīng)常被稱為電子標簽，在基本功能上與條形碼近似，不僅防水防磁，而且有著更遠的讀取距離和更長的使用壽命，根據(jù)實際需要，技術(shù)人員可以對電子標簽中蘊含的信息進行讀取、加密和修改操作，常用于資產(chǎn)管理、物流管理以及產(chǎn)品防偽等方面。

2 基于RFID技術(shù)的嵌入式礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

為了方便系統(tǒng)對系統(tǒng)功能進行拓展，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，這里采用模塊化設(shè)計，以微處理器、A/D轉(zhuǎn)換、傳感器、顯示電路、鍵盤控制以及備用電源構(gòu)完成硬件系統(tǒng)構(gòu)建，在分點微控制器和總臺微控制器的設(shè)計中，經(jīng)過對比，最終選擇了STM32F103RBT6芯片。分點微控制器能夠完成與傳感器的信息交互，對其采集的環(huán)境信息進行整理，同時也可以經(jīng)射頻模塊，對井下工作人員進行準確定位和身份識別，將采集到的各種數(shù)據(jù)信息經(jīng)現(xiàn)場總線或者無線網(wǎng)輸送到總臺；總臺微控制器負責對分點采集數(shù)據(jù)的管理，在檢測到危險后，會自動啟動報警系統(tǒng)，操作人員可以利用鍵盤模塊，向系統(tǒng)輸入相應(yīng)的控制和調(diào)整數(shù)據(jù)，在顯示器上顯示總臺信息。另外，UPS電源的加入，能夠在意外斷電時保證系統(tǒng)正常運行。這里對幾個比較關(guān)鍵的模塊設(shè)計進行簡單分析。

2.1.1 傳感檢測電路

電路中的溫度采集模塊選擇DS18B20數(shù)字溫度傳感器，測溫范圍在-55～125℃之間，可以在I/O線的支持下完成與單片機的信息交換，數(shù)據(jù)讀/寫和溫度轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)總線提供功率，在節(jié)約I/O端口的同時，也可以實現(xiàn)成本控制；對于機構(gòu)下濕度的檢測，選擇線性電壓式集成濕度傳感器HM1500LF，傳感器的測濕范圍5%～99%RH之間，采用恒壓供電，內(nèi)部設(shè)置有放大電力路，輸出的電壓與相對濕度呈線性關(guān)系，因此在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，可以得到井下工作環(huán)境的濕度值；瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱇GS-20本身的材料是二氧化錫，屬于一種半導體氣體傳感器，專門針對可燃氣體溶度進行檢測，不僅靈敏度高、響應(yīng)速度快，而且功耗較低。傳感器的能夠在-22～50℃的范圍內(nèi)正常工作，工作濕度為0%～95%RH，以直流電源供電，在對傳感器輸出的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換后，同樣可以得到異常精確的濃度值。

2.1.2 鍵盤與顯示電路

為了方便操作，系統(tǒng)在控制臺設(shè)置了數(shù)量較多的控制按鈕，考慮總臺微控制器STM32F103RBT6具備多余I/O接口，在設(shè)計中采用了4×4矩陣鍵盤，連接總臺微控制器P1口，鍵盤除基本數(shù)字鍵，還設(shè)置了開機、關(guān)機、調(diào)節(jié)等6個功能鍵，能夠為系統(tǒng)操作提供很大便利。中文字庫中存在128個16×8點ASCⅡ字符集以及8196個16×16點漢字。同時模塊本身的接口方式靈活，操作指令簡單，能夠形成全中文人機交互圖形界面，對圖形或者8×4行，16×16點陣漢字進行顯示，可以將一個分點中所有的信息一次性顯示出來。在使用過程中，用戶可以根據(jù)環(huán)境條件或者自身習慣，對顯示器的亮度進行調(diào)節(jié)。

2.1.3 讀寫與控制模塊

在安全監(jiān)控系統(tǒng)中，讀寫器是一個非常重要的部件，其本身包括了微處理器、讀寫芯片、射頻天線、外圍擴展器件和串行通信接口，對串行口和5V電源進行連接后，能夠在完成讀卡操作的同時，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)中。讀卡器作為讀寫與控制模塊的核心，應(yīng)該選擇專用的MF RC500芯片。

2.1.4 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

當前，系統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)的基本模式包括了直接收發(fā)和Shock Burst TM收發(fā)，結(jié)合器件配置字來決定nRFID24L01數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的設(shè)置。與直接收發(fā)模式相比，Shock Burst TM收發(fā)模式下，nRFID24L01能夠完成對于字頭和CRC校驗碼的自動處理，在數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)，自動為其加上字頭與CRC校驗碼；在數(shù)據(jù)接收環(huán)節(jié)，同樣能夠自動移除其中的字頭與CRC校驗碼，通過這樣的方式來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩裕@里在數(shù)據(jù)收發(fā)模塊設(shè)計中，選擇Shock Burst TM收發(fā)模式。

2.2 程序設(shè)計

軟件程序的設(shè)計采用C語言編程，編程環(huán)節(jié)，運用模塊化編程方法，可以將系統(tǒng)程序分為主程序模塊、通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、溫度數(shù)據(jù)信號采集轉(zhuǎn)換模塊和鍵盤中斷模塊五個組成部分，能夠顯著增強系統(tǒng)程序的可讀性和可移植性，使得系統(tǒng)功能擴展更加靈活。以總臺程序為例，具體流程如圖1所示。

3 結(jié)語

結(jié)合實踐結(jié)果分析，基于RFID的嵌入式礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)有著良好的應(yīng)用效果，可以由技術(shù)人員根據(jù)礦山具體情況，設(shè)置報警值，在檢測到相關(guān)數(shù)據(jù)超出限定范圍后，發(fā)出報警信息，提醒工作人員注意，做好相應(yīng)的防范工作。RFID技術(shù)本身具備較強的抗干擾能力，在各種惡劣環(huán)境條件下，都能夠保持正常運行，實現(xiàn)無線監(jiān)控，在監(jiān)測到危機狀況時，系統(tǒng)會立即發(fā)送報警信息，而其本身的定位功能也使得救援人員可以清楚了解被困礦工的位置，提升救援效率。通過系統(tǒng)應(yīng)用，能夠有效減少損失，推動礦山產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

圖1 總臺程序流程圖

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