基于RFID技術(shù)煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究

目前，煤礦井下普遍存在入井人員管理困難，管理人員難以及時(shí)掌握井下人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，對(duì)井下人員的搶救缺乏可靠信息，搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低。引入和運(yùn)用煤礦井下人員定位系統(tǒng)，工作人員佩戴的電子標(biāo)簽通過(guò)井下監(jiān)控節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心傳送他們的位置信息，實(shí)時(shí)掌握每個(gè)人在井下的位置及活動(dòng)軌跡，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)將有積極作用，在一定程度上減少人員傷亡。平時(shí)，上傳的位置信息也可以用做工作人員的考勤記錄。
1　射頻識(shí)別技術(shù)
1、1　射頻識(shí)別發(fā)展
RFID是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的新型自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它利用無(wú)線傳輸方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別并交換信息的目的。近年來(lái)，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)得到了快速普及和推廣，自動(dòng)識(shí)別方法多種多樣：條形碼是一種應(yīng)用廣泛、廉價(jià)的自動(dòng)識(shí)別術(shù)，但條形碼信息量小，不能改寫(xiě)；有觸點(diǎn)排的IC卡是電子數(shù)據(jù)載體最普遍的結(jié)構(gòu)，但在許多情況下，機(jī)械觸點(diǎn)的接通是不可靠的；RFID卻可以讓物品實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化管理，其優(yōu)勢(shì)非常明顯：存儲(chǔ)信息量大，每一個(gè)產(chǎn)品擁有獨(dú)一無(wú)二的ID號(hào)；讀寫(xiě)不需要光源，可以透過(guò)外部材料讀取數(shù)據(jù)；使用壽命長(zhǎng)，能在惡劣環(huán)境下工作；能夠輕易嵌入或附著在不同形狀、類(lèi)型的產(chǎn)品上；讀取距離更遠(yuǎn)，可以寫(xiě)入及存取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的內(nèi)容動(dòng)態(tài)改變；能夠同時(shí)處理多個(gè)標(biāo)簽；標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存取有密碼保護(hù)，安全性更高；可以對(duì)RFID標(biāo)簽所附著的物體進(jìn)行追蹤定位。
1、2　射頻識(shí)別系統(tǒng)組成
射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由Tag、讀寫(xiě)器、天線等組成，一般還需要其他軟硬件的支持。

(1)讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)基本的功能模塊：高頻接口模塊(發(fā)送器和接收器)和控制單元兩部分。讀寫(xiě)器讀取電子標(biāo)簽中的信息，然后將信息發(fā)送到地面監(jiān)控中心。
(2)無(wú)源電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽由耦合元件和ASIC(IC)組成。無(wú)源電子標(biāo)簽，即沒(méi)有自己的電源供給的電子標(biāo)簽，由讀寫(xiě)器發(fā)出的高頻場(chǎng)提供能量。模擬前端配合解調(diào)器從電子標(biāo)簽天線吸收電流，整流后使電容充電，再經(jīng)穩(wěn)壓后為電子標(biāo)簽供電。
2 CAN總線技術(shù)
CAN是由ISO定義的串行通訊總線，最初應(yīng)用在80年代末的汽車(chē)工業(yè)里。它具有高位速率、高抗電磁干擾性、高可靠性而且能夠檢測(cè)到產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。CAN在微控制器之間需要互相通信或微控制器和遠(yuǎn)程的外圍器件要互相通信的情況下是一個(gè)理想的解決方法，在各種控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。
CAN采用了新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與RS485相比具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN具有多主節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)特性，總線利用率高，數(shù)據(jù)傳輸速度快，可擴(kuò)充性好，通訊距離長(zhǎng)，加中繼器通訊距離可達(dá)數(shù)十千米，具有可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，個(gè)別節(jié)點(diǎn)失效并不影響整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。另外，CAN的雙向通信彌補(bǔ)了RS485半雙工通信的缺陷，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的上傳，當(dāng)需要時(shí)還可以實(shí)時(shí)修改井下某監(jiān)控接點(diǎn)信息。比較可知，RS-485網(wǎng)絡(luò)除了硬件成本、開(kāi)發(fā)難度比CAN-bus網(wǎng)絡(luò)稍具優(yōu)勢(shì)外其他性能方面都沒(méi)有可比性。在產(chǎn)品更新速度特別快的今天，如果將產(chǎn)品的上市時(shí)間，產(chǎn)品的后期維護(hù)軟件開(kāi)發(fā)難度等計(jì)算在一起，RS-485的硬件成本優(yōu)勢(shì)也變得不十分明顯，因而用CAN總線取代RS-485總線是一種比較徹底的方案。
3　煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3、1　定位系統(tǒng)基本構(gòu)成
系統(tǒng)由井上與井下兩部分設(shè)備組成。井上設(shè)備主要由監(jiān)控中心(包括服務(wù)器)及共享網(wǎng)絡(luò)終端等組成；井下設(shè)備以CAN總線作為主傳輸途徑，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的煤礦井下人員監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，配合天線、電子標(biāo)簽、傳輸介質(zhì)、中繼器R等與監(jiān)控中心掛接，從而實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)人員的定位和安全管理。
3、2　定位系統(tǒng)工作原理
定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)井下人員及設(shè)備安全監(jiān)測(cè)工作。在坑道、作業(yè)面的交叉道口安裝監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，入井工作人員按照要求佩戴安裝電子標(biāo)簽的腰帶，或佩戴裝有電子標(biāo)簽的安全帽。RFID讀寫(xiě)器通過(guò)固定頻率的射頻載波向電子標(biāo)簽傳送信號(hào)，電子標(biāo)簽(工作人員隨身佩戴)進(jìn)入讀寫(xiě)器的天線工作區(qū)域后被激活，并將載有個(gè)人信息的射頻信號(hào)經(jīng)卡內(nèi)收發(fā)模塊發(fā)射出去；讀寫(xiě)器天線接收到電子標(biāo)簽發(fā)來(lái)的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后，提取出個(gè)人信息，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線送至井上監(jiān)控中心，記錄井下工作人員經(jīng)過(guò)地點(diǎn)、時(shí)間、活動(dòng)軌跡等實(shí)時(shí)信息，還可自動(dòng)生成考勤作業(yè)的統(tǒng)計(jì)與管理等方面的報(bào)表資料，提高管理效益。
3、3　定位系統(tǒng)核心部件—RFID監(jiān)控節(jié)點(diǎn)
(1)RFID監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)由讀寫(xiě)器、微控制器(MCU)、CAN節(jié)點(diǎn)組成。設(shè)計(jì)中讀寫(xiě)器使用的射頻芯片是RI-STU-650A，它具有抗干擾能力強(qiáng)、通信速率高、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到成本等方面的問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)RFID采用的工作頻率為915MHz，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，證明在傳輸距離及數(shù)據(jù)可靠性等方面，可以達(dá)到本系統(tǒng)的功能要求。讀寫(xiě)器與微控制器89C51間利用SPI串行接口進(jìn)行通信。CAN節(jié)點(diǎn)由三部分所構(gòu)成：獨(dú)立CAN控制器SJA1000、CAN驅(qū)動(dòng)器82C250和高速光電耦合器6N137。為了增強(qiáng)CAN節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000并不是直接與82C250相連，而是通過(guò)高速光耦6N137與82C250相連，這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。
(2)RFID監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)是使用C51和匯編語(yǔ)言混合編程，包括復(fù)位模塊、防沖突模塊、讀寫(xiě)模塊、通信模塊。當(dāng)Tag被驗(yàn)證為合法時(shí)，讀寫(xiě)器才正式讀/寫(xiě)Tag數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)信息處理之后，由CAN總線上傳到地面監(jiān)控心。當(dāng)Tag被驗(yàn)證為非法時(shí)，讀寫(xiě)器轉(zhuǎn)到直接復(fù)位應(yīng)答狀態(tài)，等待下次讀寫(xiě)操作開(kāi)始。
3、4　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能
(1)考勤管理功能。通過(guò)操作平臺(tái)專用管理軟件對(duì)下井人員進(jìn)行下井次數(shù)、井下停留時(shí)間等信息分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，便于考核，實(shí)現(xiàn)工作人員的考勤統(tǒng)計(jì)管理功能和有關(guān)報(bào)表的打印。
(2)安全保障功能。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存下來(lái)的歷史數(shù)據(jù)信息，可迅速知道井下人員及重要設(shè)備的分布情況，一旦出現(xiàn)礦井災(zāi)難，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)被困人員進(jìn)行定位和搜尋，便于有效救護(hù)。
(3)生產(chǎn)調(diào)度功能。通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，可以查詢井下人員分布情況并根據(jù)需要迅速進(jìn)行人員調(diào)配，實(shí)現(xiàn)井下有限資源的優(yōu)化配置，達(dá)到事半功倍的效果。
4　總結(jié)
煤礦安全是煤礦生產(chǎn)永恒的主題，人員監(jiān)控與定位是實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的重要保證之一。為此本文對(duì)煤礦人員考勤管理系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研與分析，對(duì)當(dāng)前的定位技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種以RFID為核心，以CAN-bus通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的煤礦井下人員定位系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的目的，該系統(tǒng)極大地滿足了實(shí)時(shí)掌握煤礦入井人員的動(dòng)態(tài)分布及安全管理的需要，可實(shí)現(xiàn)考勤管理功能及快速指導(dǎo)礦井突發(fā)性事故的救護(hù)工作。