图 4 井下固定监控点总线型网络结构图
井下固定监控点之间采用总线型网络连接，网络连接如图4所示。这种拓扑网络结构比较简单，成本也较低，网络各节点连接用USART接口。整个井下部分与井上部分采用RS－485串行数据接口总线标准进行通信。
固定监控点的结构如图5所示，传感器所采集的各类气体（主要为有害气体，也可以包括空气湿度，根据不同的煤矿选择不同的气体传感器）的数据经过A/D转换后进入MCU，
RFID模块与MCU同时进行通信，MCU保存这两部分的数据，并向数据通信接口不断发送输送请求。得到允许后通过USART接口将数据送入传送网络中。MCU的数据存储区定时自动刷新。当有害气体浓度超过安全阀值时，井上工作平台及井下固定监控点同时报警。
图 5 井下固定监控点结构图
井下移动监控点与固定监控点之间是无线传输。无论是移动还是固定，每个射频模块都有自己特殊的编号，与其它模块均不同。在与固定监控点上的射频模块进行通信时，实际上传输的就是这个特殊的编号，监控中心的软件平台已经将固定监控点位置信息进行了登记和存储。当上传的信息有与它们进行无线通信的移动监控点编号信息时，就表示佩戴和安装该移动监控点的人员及设备很接近该固定监控点，从而判断出
RFID模块的位置，这些位置信息均由系统存入数据库。
移动监控点的结构如图6所示，射频识别模块的特殊编号预存储于微控制器中，通过MCU传输至
RFID中，并不断向外发送这个特殊的编号。采用预留串行接口主要是为了以后扩充系统功能。LED可以显示工作地点的射频信号的强度。另外，移动监控点还可以配有电源控制开关，下井打开开关，上井给电池供电，便于使用。
图 6 井下移动监控点结构图
3.2.2 井上部分
井上部分主要是软件操作平台，按照功能划分为实时监控子系统和信息管理子系统。实时监控子系统是整个智能化监控系统的基础，监管小区的PC通过RS-485接口标准与数据通信接口进行数据传输，一卡通世界发布。其功能是完成监控点的信息采集、实时处理和存储。从井下上传的信息不但包括各类有害气体的浓度数据，还包括井下工作人员和设备的位置信息，这些庞大的数据经过压缩后都保存在数据库中作为信息联网的基础。信息管理子系统的主要功能是对移动监控点的信息进行录入、修改、查询和统计。
3.3 门禁系统设计 图7为门禁系统功能模块示意图。由图可见，矿道入口和每个开采面的入口都放有读卡器，这是为了确定井下矿工总人数和每个开采面的矿工人数，同时可以了解一些基本资料，例如，每个矿工的名字，年龄，每天的工作时间，考勤等等。
从门禁系统的功能来讲，只需要了解每个开采面的矿工人数及一些基本资料即可，无需很大的阅读范围，理论上讲，只用低频无源标签即可。为了与定位系统采用同一电子标签，这里门禁系统采用的也是高频标签。
图 7 门禁系统设计
3.4 定位模块 图8为基于
RFID的井下定位模块图。此模块的功能为定位井下重要仪器设备位置，运行路线，井下人员位置及井下人员在任一时间的活动轨迹。
图 8 定位系统设计
此模块中感应器采用高频有源的工作方式，工作频率定为915MHz。有源标签可以分别被带在施工人员身上和重要的仪器设备上，便于总体调度管理和定位。标签分别记录施工人员及仪器设备的重要信息。在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。
在开采面及巷道上，需要详细的仪器设备位置，运行路线，矿工位置定位及任一时刻井下人员的活动轨迹，所以选择高频有源标签。而且井下环境复杂，经常会出现坍塌，水淹等状况，高频可以有效的穿透石头，水，灰尘，悬浮颗粒等物体，所以可以适应各种环境。而且高频有源标签的作用距离较长，最长可达百米左右，这样可以在用最少数量的阅读器的前提下覆盖全部井下作业面，并可以有效的读出每个矿工的信息，而且可以同时读取多个标签，通过读取的位置信息进行定位。
3.5 系统特点
这种智能化煤矿监控系统以煤矿安全为基础，射频识别模块（
RFID）为主要设备，有线通信网络为纽带，功能齐全，稳定性好，减少了管理人员的工作量。该系统具有以下特点：
1、使用总线型网络拓扑结构：煤矿开采是不断进行的，如果采用的网络结构不能合理的增加节点数目，会给系统的使用造成不便。本设计中，总线型网络只需要增加一段电缆和固定监控点就可增加一个节点，可以使得智能化监控系统可以随着煤矿的开采而不断地扩充。
2、系统具有较高的识别率和可靠性：射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数，目前长距离射频识别系统的价格还很贵。所以为避免过长距离导致的数据传输不稳定、不完整，设计时在有线传输的前提下，固定监控点的分布使用了总线型网络拓扑结构，系统可靠性高。移动监控点参照越区切换的概念在固定监控点之间数传输据，可以达到高的识别率。
4．小结 将射频识别技术应用于矿井井下人员仪器设备定位管理系统，是通过建立一个完整、灵活和实时的井下人员及仪器定位管理系统，包括井下作业工人的计划安排、工人进出巷道的权限管理、巷道人员分布及定位、作业工人资料，仪器运行轨迹，设备调度等进行管理，来实现井下管理信息化，同时提高矿井开采生产管理和作业安全的水平。整个系统采用总线型网络连接，这种拓扑结构构成简单而且成本较低。这种智能化监控系统是以矿井安全生产为基础，射频识别模块（
RFID）为主要设备，有线通信网络为纽带，监管中心的PC 为中枢的新型智能化计算机管理系统，综合运用了多种通信技术，突破了传统矿井安全管理模式，是矿井安全生产管理系统的新趋势。
作者简介：
牛超超，男，1986 年生，山东新泰人，硕士研究生，研究方向：机械电子；
朱微维，女，1985 年生，江苏南通人，硕士研究生，研究方向：无线传感器网络；
李彦玮，女，1985 年生，河北衡水人，硕士研究生，研究方向：电路与系统。
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本文关键字：技术 煤矿井下 射频技术-RFID，通信技术 - 射频技术-RFID
