主动式微波射频识别瓦斯传感器的设计与实现

作者:沈斌;刘新蕾;秦宪礼 刊名:矿业安全与环保 上传者:彭小林

【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、作用距离远、功耗低和移动灵活等优点。

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射频识别(RFID)是一种通过射频信号非接触式的识别目标对象并获取相关数据的自动识别技术,识别过程无须人工干预,可工作于各种恶劣环境[1]。根据射频卡的数据调制方式可分为主动式和被动式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,数据容量小,识别距离短(小于10m)[2-3]。主动式RFID系统具有信息实时性强、数据容量大、读写速度快、可远程读取等优点。随着微型集成电路技术和微机械加工制造技术的进步,以及低功耗IC技术方面的突破,微型智能低功耗主动射频卡得到了发展。采用高速低功耗单片机STC12LE5412AD和无线射频芯片nRF905构成主动式微波射频识别瓦斯传感器(以下简称无线瓦斯传感器),通过无线通信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,较好地克服了目前矿井瓦斯监测的各种“盲区”,这对减少或避免矿井瓦斯灾害事故具有十分重要的意义。1基于无线瓦斯传感器的主动式RFID系统概述基于无线瓦斯传感器的主动式RFID系统由作为射频卡的无线瓦斯传感器和作为阅读器的无线接收基站两部分组成。无线接收基站是只读装置,包含射频接收模块、控制模块及与射频卡耦合的元件(电感线圈或天线等),此外还有连接上位机的通讯接口以便将所获得的数据传给上位机。无线瓦斯传感器为信号发射源,由信号检测模块、控制模块、射频发射模块和电池等组成。一个基站能与多个传感器通信,其结构框图如图1所示。系统工作于微波频段,微波RFID系统为电磁耦合系统,适用于识别距离远、读写速率高的场合。系统利用射频卡自身的射频能量主动发送数据给阅读器,无线通讯调制方式为GFSK调频方式,速率100kbit/s。2无线瓦斯传感器硬件设计无线瓦斯传感器将无线射频技术与瓦斯检测技术相结合,实现了瓦斯检测信号的无线传输。其硬件结构由瓦斯传感器(LXK-3)、信号调理电路、控制单元、LED、声光报警电路、调校电路、无线发射模块(nRF905)、锂电电源等组成,如图2所示。图2无线瓦斯传感器硬件结构框图2.1瓦斯检测电路瓦斯检测电路由瓦斯传感器、信号调理电路和A/D转换器组成。瓦斯传感器的检测采用载体催化原理,主要电路为由催化元件、补偿元件、高稳定性电阻组成的惠斯登电桥。电桥在纯净空气中保持平衡,当遇到含瓦斯气体的空气时,催化元件产生催化反应(无焰燃烧)温度增高,阻值变化,电桥失去平衡,输出电压信号[4],该电压信号经放大和A/D转换后被单片机接收。采用LMV358放大器对电压信号进行放大,应选用合适的匹配电阻,控制放大倍数为20倍左右,以避免因放大倍数过大而造成A/D转换后的数值无法被单片机处理。A/D转换由单片机自带的A/D转换口完成,省去了A/D转换模块,减少了外围电路,提高了系统集成度。2.2单片机控制系统传感器的主控制芯片选用宏晶公司的新一代高速/低功耗单片机STC12LE5412AD[5],该单片机采用单时钟/机器周期(1T),比普通8051单片机快12倍;集成8通道10位ADC端口,为系统省去A/D转换模块;具有高速SPI端口,能满足同无线通信芯片的高速数据传输;超低功耗设计、ESD保护、抗4kV快速脉冲干扰和宽电压防电源抖动等特性,使其能较好地应用于煤矿井下环境。传感器的单片机控制系统由单片机、声光报警器、LED显示器和传感器调校电路组成。单片机接收A

参考文献

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