基于RFID与WSN融合的煤矿安全监控系统

谢莉萍　冯锋

摘要：在详细介绍了RFID、WSN技术的基础上，针对我国煤矿安全生产中存在的问题构建了基于RFID与WSN融和的煤矿安全监控系统。其中RFID技术用于目标物如矿工的定位和识别；WSN技术用于目标环境状况如瓦斯浓度、空气湿度、压力等信息的监测和井下信息的传送。二者在技术上的互补互存，有效的解决了RFID数据在煤矿井下的传输问题和感知矿井下存在的安全隐患等问题，即使有矿难发生时也能对人员进行快速定位和搜救。

关键词：射频识别；无线传感器网络；融合技术；煤矿安全

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）34-8180-03

煤炭在我国的能源消耗中有着不可或缺的地位，其中仅一次能源的消耗的70%来自于煤炭。但是由于我国煤矿开采环境较为复杂并且井下环境恶劣，常常有矿难发生，给我国的经济和矿工生命安全带来了巨大的威胁，因此采用有效的科技手段对煤矿的安全生产进行监控已成为迫在眉睫的任务。通过对许多重大的事故的分析，我们发现矿难的发生主要归咎于以下原因：地面与井下人员的信息沟通不及时；地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确人员定位[1]；一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差[2]，即使发生事故也不能及时有效的开展救援工作。该文引入了射频识别[3]（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术和无线传感器网络（wirelesssensornetworks，WSN）技术，将二者融合后应用与煤矿安全中，建立煤矿安全监控系统用以解决以上问题。

1RFID和WSN技术简介

RFID技术是自动识别技术的一种，通过无线射频方式获取物体的相关数据，并对物体加以识别[4]，整个工作过程不需要人工干预，可工作于各种各样的恶劣环境。无线传感器网络是由部署在监测区域的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，能够感知、采集和处理网络覆盖区域内的信息，并发送给观察者[5]。RFID技术具有双向通信、性能可靠、寿命长等优点，但其自身仍存在抗干扰性差、有效传输距离一般小于10米、采集的数据必须有网络作为传播媒介等缺点。而WSN技术恰好弥补了它的这些不足之处，在很大程度上增加了RFID技术的覆盖范围。其次，将这两种技术进行融合，也能使得无线传感器节点更精确的识别目标物体。因此将RFID和WSN技术融合既可以利用RFID技术识别井下人员和设备，对其进行定位，又可以利用WSN技术采集井下的环境信息并传输数据，有效的解决了煤矿生产过程中的安全问题。

目前关于RFID与WSN的融合方式的研究主要有以下三种[6]：

1）RFID标签和无线传感器节点的融合

这种方式是将RFID标签和无线传感器节点集成在一起，利用无线传感网将自身采集的数据和RFID标签里存储的信息这两种数据同时进行传输。这种集成方式对硬件的依赖性比较大并且成本高，不适合大规模实施。

2）RFID阅读器和无线传感器节点的融合

这种方式是将RFID阅读器与无线传感器节点相融合，融合后的RFID阅读器同时具有识别和感知数据的能力，并能将采集到的数据通过无线传感网进行传输，减少了有线传输中布线的麻烦和成本。

3）两种设备的混合部署

这种方式是将RFID标签和WSN传感器节点混合部署在应用场合，是二者集成的最简单方式，不需要对硬件做任何的修改和改进，只需要对软件做相应修改能够同时处理这两种不同的数据。这种方式虽然简单容易实现，但是RFID阅读器不能利用无线传感网进行数据传输。

2基于RFID与WSN融合的煤矿安全监控系统系统

2.1系统的目标功能

2.1.1下井人员、设备的跟踪和查询

在井上的监控系统的终端绘制出井下的巷道分布、作业面图，并且能够动态显示各个巷道、作业区的人员的分布情况。同时能够根据员工和设备的编码或者员工的姓名查询当前该员工或设备的具体位置以及它们的历史运动轨迹。当有员工进入禁区或者没有按时上井的时候及时报警并显示相关员工的信息。

2.1.2环境信息采集

能够实时采集井下的瓦斯浓度、空气湿度、温度等环境信息，如果采集到的某项信息的指标超标会立即报警并显示报警区域。

2.1.3人员信息管理

存储管理所有员工的基本信息外，统计员工的上岗、离岗时间以及下井和上井时间，计算出每个员工的井下工作时间和出勤率等信息并存储在数据库中。

2.1.4事故急救

如果有事故发生，地面上的监控系统能够提供被困人员的数量、被困的具体位置等有效信息，使得能够有针对性的进行救援。

2.2系统的组成

由于井下环境复杂多样，不适合部署有线网络，但是RFID阅读器读取到的标签信息必须有网络作为载体传输到地面监控中心。因此在该文中我们将阅读器和传感器节点集并且称这种节点为智能节点。该智能节点不但可以读取电子标签信息，而且可以采集井下的环境信息并可以接收和发送数据。

该系统由地面上的监控系统与井下的信息采集传输系统两部分组成。其中井上监控系统包括控制终端、应用服务器和数据服务器。应用服务器用来接收、处理井下传输系统采集的信息，而数据服务器负责存储应用服务器发送来的数据，监控终端通过访问服务器中的数据库，动态显示井下各个巷道的环境信息、人员分布信息、各个设备的工作状态以及支持对历史数据的查询功能和意外下进行情况报警功能。

井下的数据采集传输系统主要由智能节点、协调器以及移动节点（带有电子标签的矿工节点）构成。智能节点在采集环境信息的同时对经过其读取范围内的员工或设备携带的电子标签进行读取，并将读取到的信息和来自其它节点的数据融合以后传送给中心协调器。协调器节点再利用有线方式把数据传送给井上监控系统。

2.3系统的实现方案

在系统中我们首先在工作人员的衣服或帽子上植入具有RFID标签的无线接收器。当工作人员进入到井下时，管道中安放的集成了阅读器和传感器的智能节点既可以探测到人员的位置信息，同时也可以采集到井下的瓦斯浓度、湿度等信息，完成对井下作业人员的定位和井下环境信息的探测。如图1所示。

在井下网络部署中，我们采用基于ZigBee协议的树状网络结构。因为树状网络具有分布处理数据的能力，簇头能够将接收到的簇内其他节点发送过来的数据进行去掉冗余等处理后直接发送给协调器或者逐跳的在网络内传输。

ZigBee设备的传输距离为10m到75m之间，所以具体的实现方法是在井下的巷道中根据ZigBee节点的有效传输距离部署智能节点，以有利于数据的传输。节点部署以后，网络中所有的节点分为若干个簇，每个簇相当于一块较为固定的自组织网络[7]。然后在每个簇内选择一个簇头节点用来接收和转发簇内节点采集的数据，选择的簇头节点应该处于簇内的中心位置，使得其和簇中每个节点的距离大概相等，那么每个节点在传递数据时消耗基本相等的能量，从而可以避免某些节点因为能量的过度消耗而失效。

在网络中，簇头节点负责接收簇内其他节点传送过来的数据，进行融合处理后逐跳传递或者直接发送给协调器。同时也负责接收协调器的命令，将其发送给该簇内的普通节点。由于簇头节点要不断的接收和转发数据，因此比其他普通节点更为消耗能量。所以和普通节点相比，簇头节点应给供与更大功力的电能。

簇头节点将收集到环境信息和阅读器探测到的人员位置的信息通过单跳或多跳方式发送给网络到网络协调器，再由网络协调器传送到地面上的控制中心。最后由地面控制中心对采集到的数据信息进行处理分析，将数据与系统中设定的安全值进行比较。如果超过安全值，系统会弹出红色警示信息并自动传送给网络协调器，网络协调器传再送给工作人员身上的无线数据接收终端。此时终端报警，提示工作人员撤离。同时工作人员身上的无线数据接收终端也会接收到传感器节点所探测的环境变化的各项数据值，与终端设备中存储的危险指标进行比对，当大于时自动报警提示进井人员撤离，鉴于终端设备体积小、存储容量有限，只保留安全级、警示级、危险级三个临界值。

3结束语

近几年RFID技术和WSN技术已经成熟地应用于各个行业。在煤矿安全方面，已经有大量的企业和学者致力于这两种技术在煤矿安全监控中的应用，并且有大量的文献和成熟产品面世。但是这些产品和研究仅仅是对两种技术的单独应用，没有充分发挥二者结合以后所具有的优势。该文所研究的基于RFID与WSN融合的煤矿安全监控系统是将RFID阅读器与无线传感器节点相结合以后部署在井下的各个坑道，通过RFID实现对下井员工的跟踪定位，通过无线传感器网络采集井下的瓦斯浓度、空气湿度等信息并把这些信息连同阅读器采集的信息传输到井上监控中心，使得井下的整个状态动态展现在井上监控人员面前。这样不仅充分发挥了RFID技术的单品识别和定位功能，同时还有效的利用到了无线传感器网络对环境的感知能力和数据传输能力。

参考文献：

[1]徐春妹.无线矿井生命安全与救援系统[J].国内外机电一体化技术，2009（7）.

[2]耿宇钵.基于CS模式的矿用人员安全监控系统[D].北京：北京交通大学，2006.

[3]SaracA，AbsiN.Dauzere-PeresS.AliteraturereviewontheimpactofRFIDtechnologiesonsupplychainmanagement[J].InternationalJournalofProductionEconomics，2010.

[4]黄玉兰.物联网射频识别：RFID，核心技术详解[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[5]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6]卢旭.RFID与无线传感器网络的融合技术研究[J].广东技术师范学院学报，2009（4）：21-22.

[7]张嘉怡，刘建文，武川辉.ZigBee技术在煤矿安全监测中的应用[J].中国测试技术，2008，4（34）：122-125.