基于RFID和无线传感的矿井实时定位预警系统

摘要：为了实现对矿山生产过程中三维定位和灾害预警监测，设计了一种基于RFID和无线传感的矿山实时定位预警系统，硬件包括无线射频标识模块、实时三维定位模块、监测数据采集与分析模块、灾害预警模块、灾害分析模块和地面远程控制主机。实际应用表明，该系统平台铺设灵活性强，监控范围广泛，可以三维全方位监控，有效提高矿山安全监测效率。
关键词：RFID；矿山；三维定位；灾害预警

    据统计，在中国，百万吨煤死亡率是美国的160倍、印度的10倍。相对比，我国矿山生产安全事故总量仍然居高不下，矿山安全生产形势依然严峻。随着国家对矿山安全生产的日益重视，我国大中型矿山部分装备了安全监控系统，虽一定程度上减少事故的发生，但仍存在很多问题，主要体现在：1)现有安全监控系统还在报警的层面上，预警功能不强；2)现有安全监控系统多为二维GIS管理，井上人员难以直观、精准地掌握井下人员位置及作业情况；3)一旦矿山灾害发生，缺乏可靠井下人员信息，灾害信息，救护效率低。基于无线射频识别技术及无线传感网络技术(Wireless Sensor Network，WSN)技术的矿山实时三维定位及灾害预警平台针对以上问题，对井下人员、移动设备进行三维定位，随时掌控井下人员、设备生产分布情况；对井下巷道的各项安全参数进行安全监测，对可能发生的灾害及时预警，防止灾害发生；对矿山灾害事故现场的人员位置、人员数量、事故原因等信息进行查询及三维显示，为灾后抢救提供重要的科学参考信息。

1 整体介绍
    为更好地保障矿井工作人员的安全生产，实时地掌握矿井下的人员及设备的分布情况是必须的。比如，某时某个矿工在哪个坑道作业。为此，在每一个坑道、工作面分岔入口处放置一套信息读取发送装置。信息读取发送装置由读卡器和无线发射装置组成。在交叉道口放置一套信息接收装置和前端服务器。当矿工或设备进入分岔道时，首先是读卡器读出标签中矿工或设备的相关信息并由无线发射装置把信息发送给信息接收装置。
    基于RFID和无线传感器网络的矿山实时三维定位与灾害预警系统监测系统。包括无线射频标识模块、实时三维定位模块、监测数据采集与分析模块、灾害预警模块、灾害分析模块和地面远程控制主机。

    实时三维定位模块读取无线射频标识模块中的信息，并将所述的信息传输至监测数据采集与分析模块；监测数据采集与分析模块将采集和分析后的信息传输至灾害预警模块；灾害分析模块读取灾害预警模块输出的信息，并上传至地面远程控制主机。
    作为本系统设计的一种优化结构：所述实时三维定位模块包含无线传感模块，射频卡管理模块、三维定位查询模块、三维定位显示模块和无线传输模块；无线传感模块读取无线射频标识模块中的信息，并将读取的信息传输至射频卡管理模块和三维定位查询模块；三维定位查询模块根据无线射频标识模块中的信息进行定位查询，并将定位信息显示在三维定位显示模块中，从而实时定位。

2 系统具体实现
2．1 传感器检测模块
    所述传感器检测模块包括温湿度传感器、末级微控制器及末级ZigBee收发器；所述温湿度传感器采集温湿度信息，并将温湿度信息进行A／D转换后传输至末级徽控制器；所述末级微控制器对接收到的信息进行判断处理，并通过末级ZigBee收发器传输至路由器传输模块。如图2所示。

2．2 总体模块
    本系统所设计的基于RFID和无线传感的矿井实时定位预警系统基于无线射频识别技术和无线传感网络技术，实现井下工作人员、井下移动设备的三维定位，实现井下巷道工作环境的各种参数(如温度、湿度、井巷通风风速、有害气体含量等，的实时监测，分析实时监测数据，预警井下数据异常区域，防止灾害发生，分析灾害发生位置、原因及发生时井下人员、移动设备等信息，为灾后救援工作提供有价值的决策参考。

    在具体的实施例中，平台初始化后，自动加载服务器地图管理数据库中最新井下三维数字地图，如果地图加载失败，转入地图管理系统进行维护更新后再加载，直至三维数字地图加载成功。系统对无线网络节点进行故障遍历检测，如有无线传感器网络节点、射频卡读卡器等存在故障，查询定位故障点，通过软件维修故障点，如无法通过软件维护，则标识故障点后进行系统下硬件维修。加载正常后，启动所有无线传感器和射频卡读卡器，读取相关监测信息，通过井下系统数据总线录入至主机数据库中，同时对所监测数据进行灾害预警分析，如发现监测数据异常，启动灾害预警系统，对灾害区域内人员预警，启动预警通讯系统，通知人员撤离或进行安全避险。

3 系统软件设计
    如下图所述是矿井温湿度监测系统流程图。软件实现过程：系统在软硬件初始化后由温湿度传感器采集温湿度，然后将温湿度数据封装在ZigBee协议中。通过ZigBee协议发送数据到龙芯SOC路由节点，龙芯SOC路由节点将数据发送到http服务器，最后手机、平板电脑、网页通过http服务器得到温湿度数据。

4 结论
    文中采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
    1)本系统是基于RFID及WSN技术的矿山实时三维定位及灾害预警系统，运用了目前国际最新的三维体视化技术、无线传感网络技术、射频识别技术，精准地对井下工作人员、移动设备进行实时三维、定位，对巷道环境安全进行监测预警；2)本系统是基于RFID及WSN技术的矿山实时三维定位及灾害预警系统能够使井上人员能够通过三维交互界面直观地掌握井下安全与生产工作情况；3)本系统是基于RFID及WSN技术的矿山实时三维定位及灾害预警系统采取无线网络和非接触式射频卡识别技术，平台铺设灵话性强，监控范围广泛，不仅可以三维全方位监控，有效提高矿山安全监测效率，而且对于预防矿山灾害发生和灾后救助工作都有着重要的作用。