李建

（贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000）

當(dāng)前，我國(guó)的礦山依然是以中小型為主，受自身技術(shù)條件、經(jīng)濟(jì)條件等的影響，礦山企業(yè)想要引進(jìn)和推廣一些先進(jìn)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(jì)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(yùn)用到每個(gè)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(gè)重點(diǎn)研究的課題。運(yùn)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(duì)礦山環(huán)境及生產(chǎn)狀況的有效監(jiān)控，切實(shí)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(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，同時(shí)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(chǎng)，針對(duì)附著在物體表面，蘊(yùn)含豐富信息的電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別和讀取，然后將提取到的信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成后續(xù)處理工作。實(shí)際上，RFID技術(shù)也經(jīng)常被稱為電子標(biāo)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(yuǎn)的讀取距離和更長(zhǎng)的使用壽命，根據(jù)實(shí)際需要，技術(shù)人員可以對(duì)電子標(biāo)簽中蘊(yùn)含的信息進(jìn)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(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

為了方便系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行拓展，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，這里采用模塊化設(shè)計(jì)，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(diǎn)微控制器和總臺(tái)微控制器的設(shè)計(jì)中，經(jīng)過對(duì)比，最終選擇了STM32F103RBT6芯片。分點(diǎn)微控制器能夠完成與傳感器的信息交互，對(duì)其采集的環(huán)境信息進(jìn)行整理，同時(shí)也可以經(jīng)射頻模塊，對(duì)井下工作人員進(jìn)行準(zhǔn)確定位和身份識(shí)別，將采集到的各種數(shù)據(jù)信息經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線或者無線網(wǎng)輸送到總臺(tái)；總臺(tái)微控制器負(fù)責(zé)對(duì)分點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的管理，在檢測(cè)到危險(xiǎn)后，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)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(tái)信息。另外，UPS電源的加入，能夠在意外斷電時(shí)保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。這里對(duì)幾個(gè)比較關(guān)鍵的模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

2.1.1 傳感檢測(cè)電路

電路中的溫度采集模塊選擇DS18B20數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍在-55～125℃之間，可以在I/O線的支持下完成與單片機(jī)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(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)成本控制；對(duì)于機(jī)構(gòu)下濕度的檢測(cè)，選擇線性電壓式集成濕度傳感器HM1500LF，傳感器的測(cè)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(duì)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(dǎo)體氣體傳感器，專門針對(duì)可燃?xì)怏w溶度進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)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(tái)設(shè)置了數(shù)量較多的控制按鈕，考慮總臺(tái)微控制器STM32F103RBT6具備多余I/O接口，在設(shè)計(jì)中采用了4×4矩陣鍵盤，連接總臺(tái)微控制器P1口，鍵盤除基本數(shù)字鍵，還設(shè)置了開機(jī)、關(guān)機(jī)、調(diào)節(jié)等6個(gè)功能鍵，能夠?yàn)橄到y(tǒng)操作提供很大便利。中文字庫(kù)中存在128個(gè)16×8點(diǎn)ASCⅡ字符集以及8196個(gè)16×16點(diǎn)漢字。同時(shí)模塊本身的接口方式靈活，操作指令簡(jiǎn)單，能夠形成全中文人機(jī)交互圖形界面，對(duì)圖形或者8×4行，16×16點(diǎn)陣漢字進(jìn)行顯示，可以將一個(gè)分點(diǎn)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(xí)慣，對(duì)顯示器的亮度進(jìn)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(gè)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(kuò)展器件和串行通信接口，對(duì)串行口和5V電源進(jìn)行連接后，能夠在完成讀卡操作的同時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)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(dāng)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(duì)于字頭和CRC校驗(yàn)碼的自動(dòng)處理，在數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)，自動(dòng)為其加上字頭與CRC校驗(yàn)碼；在數(shù)據(jù)接收環(huán)節(jié)，同樣能夠自動(dòng)移除其中的字頭與CRC校驗(yàn)碼，通過這樣的方式來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩?，這里在數(shù)據(jù)收發(fā)模塊設(shè)計(jì)中，選擇Shock Burst TM收發(fā)模式。

2.2 程序設(shè)計(jì)

軟件程序的設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程，編程環(huán)節(jié)，運(yùn)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(hào)采集轉(zhuǎn)換模塊和鍵盤中斷模塊五個(gè)組成部分，能夠顯著增強(qiáng)系統(tǒng)程序的可讀性和可移植性，使得系統(tǒng)功能擴(kuò)展更加靈活。以總臺(tái)程序?yàn)槔?，具體流程如圖1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合實(shí)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(bào)警值，在檢測(cè)到相關(guān)數(shù)據(jù)超出限定范圍后，發(fā)出報(bào)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(qiáng)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(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控，在監(jiān)測(cè)到危機(jī)狀況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)送報(bào)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(dòng)礦山產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

圖1 總臺(tái)程序流程圖

[1]田磊．基于RFID技術(shù)的礦下智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．南京理工大學(xué),2013．

[2]張亮．基于RFID技術(shù)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．電子科技大學(xué),2013．

[3]駱舒萍．基于RFID技術(shù)的嵌入式停車場(chǎng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2017,33(1)：18-23．

[4]趙越．煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]．煤礦機(jī)電 ,2018,(1)：43-45,48．

[5]蔡金萍．基于嵌入式的高精度礦山安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．世界有色金屬 ,2017,(19)：23-24．

[6]孟海斌，張紅雨．基于有源RFID的極低功耗溫濕度傳感標(biāo)簽的設(shè)計(jì) [J]．微型機(jī)與應(yīng)用 ,2011,(5)：17,20．