一种基于RFID技术嵌入式矿山安全监控系统设计

摘要：针对矿山的安全管理，设计一种基于RFID技术的矿山安全智能监控系统。系统采用MF RC500专用读写芯片，以嵌入式处理器作为信号控制平台，实现了矿山温湿度、瓦斯检测和定位监测功能。
关键词：RFID；STM32F103RBT6；ARM；nRF24L01；智能监控

0 引言
    目前在大部分的中小型矿山中还不能全面的使用高端电子产品，效益好的矿山里用上了GPRS定位系统，但因成本过高不能应用到每一个工人的身上。由此设计了这套基于射频技术的矿山安全监控系统，这套设备具有比GPRS更高的发射频率为2．4 GHz，具有更强的穿透能力。一个总台可同时监控125个分点的温度、湿度和瓦斯浓度值以及所在区域矿工的具体身份、位置信息，可根据实际的环境设定各项检测数据的报警值。

1 硬件设计
    整个系统采用模块化设计，硬件结构由微处理器、传感器、A／D转换(STM32F103RBT6内部A／D转换器)、键盘控制、显示电路、备用电源组成，硬件电路框图如图1所示。系统中分点微控制器和总台微控制器均采用STM32F103RBT6。分点微控制器主要采集传感器所收集的环境数据；通过射频模块收集各分点在监控区域内的矿工具体位置、身份数据；控制射频模块将收集的各项信息传送给控制总台。总台微控制器主要控制射频收发总台收集各分点的具体数据；出现危机情况时启动报警系统；通过键盘接收人为信息调整系统控制数据；将总台的运转信息如实的显示在显示器上。在各个模块中还添加了UPS电源模块，防止出现特殊情况断电使各个模块不能正常工作。

1．1 传感检测电路
    温度采集模块采用美国DALLAS公司生产的一线数字温度传感器DS18B20，测温范围是-55～125℃，与单片机交换信息仅需要一根I／O线，其读／写及温度转换的功率也可来源于数据总线，而无需额外电源，节省I／O口且成本不高。
    线性电压式集成湿度传感器HM1500LF湿度测量范围为5％～99％RH，HM1500采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈线性关系的电压值。通过A／D转换后可得到非常精确的湿度值。
    瓦斯浓度传感器KGS-20是以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。有极高灵敏度和极快的响应速度且功耗低。用于对瓦斯等可燃气浓度的检测。工作温度为-22～50℃；工作湿度范围为0％～95％RH；采用直流电源供电，电压范围为3～5 V，非常适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测。负载电阻RL上的电压变化可以反映出传感器敏感组件的电阻RS的变化。传感器内部电路如图2所示。KGS-20输出的模拟信号经A／D转换后可得到非常精确的浓度值。

1．2 键盘和显示电路
    为操作方便需要较多的控制按钮，而总台微控制器STC89C52RC有多余的I／O口，这里采用4x4的矩阵键盘接总台微控制器P1口；设0～9十个数字键和6个功能键(开机、关机、选频、调节、显示、复位)。这样操作起来简单又直观。
    中文字库的128x64是一种具有4位／8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8 192个16×16点汉字，128个16×8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8x4行，16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。这样就可以直观的一次性显示一个分点的所有信息。
    如图3所示的显示电路，可以根据当时天气或用户的习惯调节液晶显示器的亮度。

1．3 读写和控制模块
    系统的关键部件是读写器，它由微处理器、外围扩展器件、读写芯片、射频天线、串行通信接口等几部分组成。接上串行口和+5 V电源之后不仅可以读卡而且可以与计算机进行通信。读写器是由STM32F103RBT6型ARM控制专用读写芯片(MF RC500)组成，其系统原理图如图4所示。

1．4 数据收发控制
    无线射频模块收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，nRF24L01收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。在Shock-BurstTM收发模式下，nRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，这样数据就非常的准确。本系统采用ShockBurstTM收发模式。

2 程序设计
    系统采用C语言编程，在编写程序时采用模块化编程方法，将程序分为主程序、通信、键盘中断、模／数转换、温度数字信号的采集和转换、键盘5个模块。这样增加了程序的可读性、可移植性，使软件的功能扩展更灵活。程序设计流程图如图5所示。

3 结语
    本系统可以根据实际的环境手动设置各项检测数据的上下限报警值。射频技术具有很强的抗干扰能力，在各种恶劣的环境下可进行无线监控。一旦出现危机情况可在第一时间发出警报，人员抢救过程中可清楚的知道每位矿工的具体位置。在这套设备的监控下将减少更多不必的损失，给更多的矿山工作人员带来更大的安全指数。