主动式微波射频识别瓦斯传感器的设计与实现.pdf

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1、2010年4月矿业安全与环保第37卷第2期主动式微波射频识别瓦斯传感器的设计与实现沈斌，刘新蕾，秦宪礼(1．黑龙江科技学院安全工程学院，黑龙江哈尔滨150027；2．中钢吉林铁合金股份有限公司，吉林吉林132002)摘要：为解决目前煤矿井下固定瓦斯传感器不能方便地随着采掘工作面的推进而跟踪前进和不易在窄小的巷道布置瓦斯监测点的问题，设计了一种基于无线射频技术的主动式微波射频识别瓦斯传感器。在模块化设计其硬件结构的基础上编制了简洁的控制软件，研究了井下巷道环境的无线通信特点，并据此确定了无线通信方式，给出了传感器与阅读器间的无线通信流程及其关键技术。该传感器具有监测实时性强、数据容量大

2、、作用距离远、功耗低和移动灵活等优点。关键词：无线瓦斯传感器；射频识别；nRF905；单片机中图分类号：TD76文献标志码：A文章编号：1008—4495(2010)02—0027—03射频识别(RFID)是一种通过射频信号非接触地克服了目前矿井瓦斯监测的各种“盲区”，这对减式的识别目标对象并获取相关数据的自动识别技少或避免矿井瓦斯灾害事故具有十分重要的意义。术，识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环1基于无线瓦斯传感器的主动式RFID系境J。根据射频卡的数据调制方式可分为主动式和统概述被动式2种。当前RFID技术在煤矿主要应用于井下人员定位考勤系统，均采用被动识别方式，数据容基于

3、无线瓦斯传感器的主动式RFID系统由作量小，识别距离短(小于10m)E2-3]。主动式RF1D为射频卡的无线瓦斯传感器和作为阅读器的无线接系统具有信息实时性强、数据容量大、读写速度快、收基站两部分组成。无线接收基站是只读装置，包可远程读取等优点。随着微型集成电路技术和微机含射频接收模块、控制模块及与射频卡耦合的元件械加工制造技术的进步，以及低功耗IC技术方面的(电感线圈或天线等)，此外还有连接上位机的通讯突破，微型智能低功耗主动射频卡得到了发展。接口以便将所获得的数据传给上位机。无线瓦斯传采用高速低功耗单片机STC12LE5412AD和无感器为信号发射源，由信号检测模块、控制模块、射

4、线射频芯片nRF905构成主动式微波射频识别瓦斯频发射模块和电池等组成。一个基站能与多个传感传感器(以下简称无线瓦斯传感器)，通过无线通信器通信，其结构框图如图1所示。协议组成以连接在矿井监控系统通讯网络上的无线接收基站为中心的无线瓦斯监测网络，将监控系统的单一瓦斯传感器终端扩展成一个星型无线瓦斯监测网络，扩大了瓦斯监测范围。同时无线瓦斯传感器可以很方便地随着工作面向前推进而跟踪前进，并且容易在一些窄小的巷道布置瓦斯监测点，较好收稿日期：2009—05一l1；2009—1l一26修订基金项目：黑龙江省重大科技攻关项目(GA04A501)；黑龙江省教育厅科学技术研究项目(1055127

5、9)作者简介：沈斌(1983一)，男，浙江长兴人，黑龙江科技学院安全工程学院助教，研究方向为矿山安全监测监控技术。图1主动式RFID系统示意图E—mail：shenbinll21@163．corn。·27·2010年4月矿业安全与环保第37卷第2期系统工作于微波频段，微波RFID系统为电磁耦合收A／D转换值后，通过LED显示器显示数据，同时系统，适用于识别距离远、读写速率高的场合。系统利判断是否超过预设值，若超限则进行声光报警。用射频卡自身的射频能量主动发送数据给阅读器，无线MCU通过SPI口将传感器地址、瓦斯浓度数据和通通讯调制方式为GFSK调频方式，速率100kbit／s。信匹配

6、地址等数据传输给无线发射模块，由无线发射模块完成监测数据发射，同时该数据能被阅读器2无线瓦斯传感器硬件设计接收并传输到监控中心。为减少传感器的能耗，在无线瓦斯传感器将无线射频技术与瓦斯检测技监测过程中，每次都暂存当前浓度数据作为下次监术相结合，实现了瓦斯检测信号的无线传输。其硬测浓度的一个比较值，当下次检测到的浓度值与其件结构由瓦斯传感器(LXK一3)、信号调理电路、控差值超过0．1时，才允许发射浓度数据，这样将有效制单元、LED、声光报警电路、调校电路、无线发射模减少无线发射能耗和有线网络的数据量。块(nRF905)、锂电电源等组成，如图2所示。2．3无线通信模块无线通信模块由单片

7、射频收发器芯片nRFg05、高频天线电路及单端鞭状天线组成。nRF905由1个完全集成的频率调制器、1个带解调器的接收器、1个功率放大器、1个晶体震荡器和1个调节器组成，工作在433／868／915MHz的ISM频道，且频道间能以小于650Ixs的时间快速切换。电流消耗很低，在最大发射功率10dB·Ill时，发射电流仅为11mA。天线采用带增益的50Q单端鞭状天线，频率图2无线瓦斯传感器硬件结构框图范围可选择。nRF905内部有5个寄存器：状态寄存器、配置