一種基于RFID技術(shù)嵌入式礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)礦山的安全管理，設(shè)計(jì)一種基于RFID技術(shù)的礦山安全智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用MF RC500專用讀寫芯片，以嵌入式處理器作為信號(hào)控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了礦山溫濕度、瓦斯檢測(cè)和定位監(jiān)測(cè)功能。
關(guān)鍵詞：RFID；STM32F103RBT6；ARM；nRF24L01；智能監(jiān)控

0 引言
    目前在大部分的中小型礦山中還不能全面的使用高端電子產(chǎn)品，效益好的礦山里用上了GPRS定位系統(tǒng)，但因成本過高不能應(yīng)用到每一個(gè)工人的身上。由此設(shè)計(jì)了這套基于射頻技術(shù)的礦山安全監(jiān)控系統(tǒng)，這套設(shè)備具有比GPRS更高的發(fā)射頻率為2．4 GHz，具有更強(qiáng)的穿透能力。一個(gè)總臺(tái)可同時(shí)監(jiān)控125個(gè)分點(diǎn)的溫度、濕度和瓦斯?jié)舛戎狄约八趨^(qū)域礦工的具體身份、位置信息，可根據(jù)實(shí)際的環(huán)境設(shè)定各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)警值。

1 硬件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)由微處理器、傳感器、A／D轉(zhuǎn)換(STM32F103RBT6內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器)、鍵盤控制、顯示電路、備用電源組成，硬件電路框圖如圖1所示。系統(tǒng)中分點(diǎn)微控制器和總臺(tái)微控制器均采用STM32F103RBT6。分點(diǎn)微控制器主要采集傳感器所收集的環(huán)境數(shù)據(jù)；通過射頻模塊收集各分點(diǎn)在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的礦工具體位置、身份數(shù)據(jù)；控制射頻模塊將收集的各項(xiàng)信息傳送給控制總臺(tái)。總臺(tái)微控制器主要控制射頻收發(fā)總臺(tái)收集各分點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)；出現(xiàn)危機(jī)情況時(shí)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；通過鍵盤接收人為信息調(diào)整系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)；將總臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)信息如實(shí)的顯示在顯示器上。在各個(gè)模塊中還添加了UPS電源模塊，防止出現(xiàn)特殊情況斷電使各個(gè)模塊不能正常工作。

1．1 傳感檢測(cè)電路
    溫度采集模塊采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的一線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，測(cè)溫范圍是-55～125℃，與單片機(jī)交換信息僅需要一根I／O線，其讀／寫及溫度轉(zhuǎn)換的功率也可來源于數(shù)據(jù)總線，而無需額外電源，節(jié)省I／O口且成本不高。
    線性電壓式集成濕度傳感器HM1500LF濕度測(cè)量范圍為5％～99％RH，HM1500采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度呈線性關(guān)系的電壓值。通過A／D轉(zhuǎn)換后可得到非常精確的濕度值。
    瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱇GS-20是以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。有極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且功耗低。用于對(duì)瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè)。工作溫度為-22～50℃；工作濕度范圍為0％～95％RH；采用直流電源供電，電壓范圍為3～5 V，非常適用于對(duì)瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè)。負(fù)載電阻RL上的電壓變化可以反映出傳感器敏感組件的電阻RS的變化。傳感器內(nèi)部電路如圖2所示。KGS-20輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后可得到非常精確的濃度值。

1．2 鍵盤和顯示電路
    為操作方便需要較多的控制按鈕，而總臺(tái)微控制器STC89C52RC有多余的I／O口，這里采用4x4的矩陣鍵盤接總臺(tái)微控制器P1口；設(shè)0～9十個(gè)數(shù)字鍵和6個(gè)功能鍵(開機(jī)、關(guān)機(jī)、選頻、調(diào)節(jié)、顯示、復(fù)位)。這樣操作起來簡單又直觀。
    中文字庫的128x64是一種具有4位／8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字，128個(gè)16×8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8x4行，16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。這樣就可以直觀的一次性顯示一個(gè)分點(diǎn)的所有信息。
    如圖3所示的顯示電路，可以根據(jù)當(dāng)時(shí)天氣或用戶的習(xí)慣調(diào)節(jié)液晶顯示器的亮度。

1．3 讀寫和控制模塊
    系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是讀寫器，它由微處理器、外圍擴(kuò)展器件、讀寫芯片、射頻天線、串行通信接口等幾部分組成。接上串行口和+5 V電源之后不僅可以讀卡而且可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。讀寫器是由STM32F103RBT6型ARM控制專用讀寫芯片(MF RC500)組成，其系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

1．4 數(shù)據(jù)收發(fā)控制
    無線射頻模塊收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，nRF24L01收發(fā)模式由器件配置字決定，具體配置將在器件配置部分詳細(xì)介紹。在Shock-BurstTM收發(fā)模式下，nRF24L01自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼，這樣數(shù)據(jù)就非常的準(zhǔn)確。本系統(tǒng)采用ShockBurstTM收發(fā)模式。

2 程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用C語言編程，在編寫程序時(shí)采用模塊化編程方法，將程序分為主程序、通信、鍵盤中斷、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、溫度數(shù)字信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換、鍵盤5個(gè)模塊。這樣增加了程序的可讀性、可移植性，使軟件的功能擴(kuò)展更靈活。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

3 結(jié)語
    本系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際的環(huán)境手動(dòng)設(shè)置各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的上下限報(bào)警值。射頻技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在各種惡劣的環(huán)境下可進(jìn)行無線監(jiān)控。一旦出現(xiàn)危機(jī)情況可在第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，人員搶救過程中可清楚的知道每位礦工的具體位置。在這套設(shè)備的監(jiān)控下將減少更多不必的損失，給更多的礦山工作人員帶來更大的安全指數(shù)。