基于WSN和RFID融合技术的煤矿安全动态监测与预警机制研究及应用

Based on the main problem existing in the Chinese coal mining regions ,the project that its studied object is NingDong coal mine combines Wireless sensor network with RFID technology and applies them to the coal mine safety. In this project，we mainly focus on the key theory and technology about how to combine RFID with ZigBee wireless network, build mathematical model to solve the problem that RFID interferes with ZigBee wireless network and make a simulation, and develop anti-interference algorithm. In this project we will design the adaptive anti-collision RFID algorithms based on binary tree algorithm to minimize tag searching time and improve recognition efficiency. On the basis of taking some further research on RFID orientation and tracking technology, we will build the coal mine safety dynamic monitoring and warning mechanism based on the combining of ZigBee wireless sensor network and RFID technology. The former is used for environment monitoring, such as gas concentration, air humidity, pressure so on. The latter is used to position and identify target objects. Two sorts of technology are complementary and co-existing, which can efficiently solve the problem about RFID data transmission in the coal mine，find the hidden dangers in time in the pit，and quickly look for the missing miner if Mining accidents take place. This project will provide new theory and method for safety in coal mines, and play a very important role in the combining RFID with ZigBee technology.

本项目针对我国煤矿安全中存在的主要问题，以宁东煤矿为主要研究对象，将无线传感网和RFID技术相融合并应用到煤矿安全中。重点研究并解决RFID与ZigBee无线网络融合的关键理论和技术，建立RFID对ZigBee无线网络干扰的数学模型并进行仿真，开发抗干扰算法；拟提出基于二叉树分解的自适应RFID防碰撞算法，最大限度减少标签搜索时间，提高识别效率；在进一步研究RFID定位与跟踪技术的基础上，构建基于ZigBee无线传感网同RFID融合的煤矿安全动态监测与预警机制：前者用于目标环境状况如瓦斯浓度、空气湿度、压力等的监测，后者用于目标物体如矿工的定位和识别等，技术上的互补与相互依存，有效解决RFID数据在煤矿井下的传输问题，有效感知矿井下存在的安全隐患以及一旦矿难发生时人员的定位和搜救。项目研究将为煤矿安全技术提供新的理论和方法，对RFID和ZigBee无线网络融合技术进步起到重要推动作用。

项目针对我国煤矿安全中存在的主要问题，以宁东煤矿为主要研究对象，将ZigBee和RFID技术相融合并应用到煤矿安全中。重点研究并解决了RFID与ZigBee无线网络融合的关键理论和技术，构建了基于ZigBee无线传感网络同RFID融合的煤矿安全动态监测与预警机制，将带有RFID读写器的无线传感网节点散列布置在矿井下的各个坑道内，实现了对井下工作人员的定位和周围环境信息的采集，建立了对井下安全状况进行监测和预警的模型及系统。项目研究的主要内容及重要结果有：. （1）通过建立数学模型定量分析了RFID信息对ZigBee网络造成的性能影响，建立了干扰的数学模型并进行仿真，在此基础上开发了抗干扰算法，有效解决了RFID对ZigBee无线传感网络的干扰问题。. （2）在对射频识别技术防碰撞算法研究的基础上，研究了一种基于二叉树分解的自适应RFID防碰撞算法，最大限度的减少标签搜索时间，提高识别效率，同时也增强了矿井环境下无线传输的可靠性。. （3）在研究了现有定位算法的基础上，将RFID定位与ZigBee定位进行结合，同时应用模糊数学的相关理论和方法，采用区域估算、RSSI测距、sugeno模糊定位等理论，开发了基于RFID和ZigBee无线传感网的定位算法，有效提高了定位效率以及煤矿作业的安全性。. （4）通过硬件和软件两方面的设计，研究了一种普遍适用的集成方式，实时收集、处理大量的RFID标签和传感器两种不同的数据，通过筛选、分组和汇总后，为上层形成有效的数据包，从而实现了ZigBee和RFID从硬件到软件的融合。. （5）通过对ZigBee技术的研究和分析，从传感器技术、网络通信技术、无线传输技术和软件编程技术等方面综合考虑并且针对井下环境的多样性和复杂性，选择合适的网络拓扑结构，并对该网络性能进行仿真，从网络的安全性、节能型和健壮性等方面做了深入分析研究。. （6）项目组在理论研究和硬件设计的基础上，构建了基于ZigBee无线传感网络同RFID融合的煤矿安全动态监测与预警系统，并在宁东煤矿进行应用，收到了很好的应用效果。