煤礦井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭 亮，鹿 劍

（1.新疆產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

基于雷達(dá)后向散射（back scattering）通信的原理開發(fā)出來的RFID（radio frequency identification）技術(shù)是一種無線的、非接觸方式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[1]。它能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的非接觸式識(shí)別，并且可以加密、解密，已經(jīng)在公路交通、鐵路、煤礦等行業(yè)中得到了應(yīng)用。美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家對(duì)RFID應(yīng)用已經(jīng)較為普遍，我國目前仍處于起步階段，應(yīng)用范圍還不夠廣泛。

近年來，煤礦上發(fā)生重大事故逐年增多，國家對(duì)煤礦安全的投入也逐年增加，而現(xiàn)在我國煤礦井下人員的安全保障措施還很不到位，考勤制度以掛牌入井為主。由于人為因素，經(jīng)常出現(xiàn)差錯(cuò)，地面人員無法得知井下人員的具體分布及作業(yè)情況，若出現(xiàn)意外事故，救援工作很難開展[2-4]。

新疆阜康7.11特大礦難及黑龍江東風(fēng)煤礦特大礦難，均有多名礦工失蹤，給搜救工作帶來很大困難。如何準(zhǔn)確地確定任一時(shí)間井下工作人員所處的位置成為一項(xiàng)急需解決的問題。如果在礦難發(fā)生時(shí)，每一個(gè)井下人員的位置都是準(zhǔn)確可知的，那么搜救工作就會(huì)進(jìn)行得更加順利，人員的損失也一定會(huì)減小。為了適應(yīng)煤礦安全管理信息化的要求，提升煤炭行業(yè)安全技術(shù)水平，該文研究確定一種以RFID為核心的人員定位系統(tǒng)。

1 RFID的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

參見圖1，一個(gè)RFID系統(tǒng)主要由3個(gè)基本部分組成。

圖1 RFID基本結(jié)構(gòu)圖[5-6]

1.1 電子標(biāo)簽

用來存儲(chǔ)用戶信息并在可識(shí)別范圍之內(nèi)將信息通過天線發(fā)射給讀寫器以便識(shí)別。

根據(jù)供電方式的不同，電子標(biāo)簽可分為有源電子標(biāo)簽（active tag）和無源電子標(biāo)簽（passive tag）。有源是指卡內(nèi)有電池提供電源，其作用距離較遠(yuǎn)，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作；無源卡內(nèi)無電池，它利用波束供電技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離相對(duì)有源卡短，但壽命長，且對(duì)工作環(huán)境要求不高，比較適用于工作環(huán)境較為惡劣的礦井內(nèi)進(jìn)行工作。

使用RFID，電子標(biāo)簽不一定要在讀頭的光學(xué)可視范圍內(nèi)。標(biāo)簽的載碼體具有穿透大多數(shù)非金屬材料（假設(shè)使用的頻率恰當(dāng)）的能力，因此可以嵌入載體、容器乃至某些生產(chǎn)工具或勞保用品中。而且，這些容器和產(chǎn)品可以密封在外包裝中，密封和包裝不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集結(jié)果產(chǎn)生重要的不利影響。

1.2 讀寫器

基本任務(wù)是啟動(dòng)電子標(biāo)簽與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換來實(shí)現(xiàn)非接觸的無線通信，也就是識(shí)別出每一張?jiān)谄渥R(shí)別范圍之內(nèi)的標(biāo)簽，并把數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制送到處理器進(jìn)行處理。

在作用范圍之內(nèi)，當(dāng)數(shù)據(jù)流從讀寫器發(fā)出時(shí)，讀寫器的盤繞天線與標(biāo)簽的盤繞天線之間就形成一個(gè)磁場，電子標(biāo)簽內(nèi)的接收天線利用其可變的負(fù)載特性，將控制接收天線的反射信號(hào)，發(fā)送返回的電磁波給讀寫器。當(dāng)讀寫器接收到反射信號(hào)時(shí)，進(jìn)行解碼獲取被識(shí)別的信息并發(fā)出相應(yīng)的電磁載波。

1.3 天線

讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器工作場時(shí)，其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而RFID標(biāo)簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送出自身編碼等信息。對(duì)于射頻識(shí)別系統(tǒng)來說，接收耦合天線相當(dāng)于等效有一個(gè)可變負(fù)載。讀寫器接收到來自標(biāo)簽的載波信號(hào)，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后送至計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號(hào)。RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯，控制邏輯接收指令完成存儲(chǔ)、發(fā)送數(shù)據(jù)或其他操作。

2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由以下5個(gè)主要部分構(gòu)成[7]，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電子標(biāo)簽

考慮到重量、成本、運(yùn)行環(huán)境及維護(hù)等因素，方案采用工作在UHF頻段的集成了天線的無源標(biāo)簽，有效范圍可達(dá)10m。無源電子標(biāo)簽在讀出器的響應(yīng)范圍之外是處于無源狀態(tài)，只有在響應(yīng)范圍之內(nèi)，這類電子標(biāo)簽才會(huì)從讀寫器的射頻場中獲取能量，系統(tǒng)激活，開始工作。電子標(biāo)簽工作所需要的能量通過電磁耦合單元或天線，以非接觸的方式傳送給電子標(biāo)簽。每個(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)全球唯一的ID號(hào)碼——UID（通常為制造時(shí)間），UID是在制作芯片時(shí)放在ROM中的，無法修改。用戶存放數(shù)據(jù)存放在用戶數(shù)據(jù)區(qū)（DATA）內(nèi)，可以進(jìn)行讀寫、覆蓋、增加的操作，可將每一個(gè)礦工的個(gè)人信息寫入其專屬卡中，以便讀寫器進(jìn)行識(shí)別。

使用無源電子標(biāo)簽無需擔(dān)心惡劣的環(huán)境對(duì)標(biāo)簽的影響，當(dāng)標(biāo)簽完全浸在水下時(shí)仍能傳輸數(shù)據(jù)。載碼體甚至可以通行240℃高溫的烤漆爐。為了電子標(biāo)簽攜帶方便，現(xiàn)考慮將標(biāo)簽粘貼在礦燈電源上，一次制成之后，若無外力損壞，壽命可長達(dá)幾十年。

2.2 讀寫器

因系統(tǒng)需采用的讀寫器數(shù)量較大，考慮到成本因素并通過對(duì)煤礦實(shí)地考察，采用價(jià)格較低的只讀器。在作用范圍之內(nèi)，只能讀取電子標(biāo)簽反射信號(hào)，而不能對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行寫操作。

在這里采用的工作頻段在902～928 MHz頻段，每個(gè)信道占20dB的帶寬，約達(dá)到50～500kHz之間。與天線配合控制，經(jīng)過跳頻，有效范圍可達(dá)8～10m，采用ISO-18000-6協(xié)議。讀寫器可與標(biāo)簽以50～100次/s的頻率通信，即每秒可識(shí)別50～100個(gè)對(duì)象，完全能夠滿足煤礦方面的要求。

在實(shí)際使用中可將讀寫器固定安裝，固定位置的讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別率可達(dá)到100%，并可耐收惡劣的環(huán)境并且無需光學(xué)可觀，在粉塵及高溫環(huán)境中都能正常運(yùn)作。

2.3 天線

系統(tǒng)所用的天線必須符合以下條件：足夠小以至于能夠貼到需要的物品上；有全向或半球覆蓋的方向性；提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片；無論人員處于什么方向，天線的極化都能與讀寫器的詢問信號(hào)相匹配；具有魯棒性并且非常便宜。

按照RFID系統(tǒng)的工作方式或工作頻段的不同，電子標(biāo)簽的天線可分為近場感應(yīng)線圈天線和遠(yuǎn)場輻射天線。

因系統(tǒng)所需RFID作用距離較遠(yuǎn)，所以選擇遠(yuǎn)場輻射天線。場輻射天線主要有電場偶極子天線、對(duì)稱振子天線以及微帶天線，通常是諧振式的，一般取為半波長。因此，工作頻率的大小決定著天線尺寸的大小，與近場感應(yīng)線圈天線相比，其輻射效率較高。

2.4 單片機(jī)

用來管理讀寫器與網(wǎng)絡(luò)接口模塊的通信接口。主機(jī)系統(tǒng)與單片機(jī)連接并通過并口、串口或通信總線訪問電子標(biāo)簽。

考慮到煤礦井下所使用，單片機(jī)應(yīng)該具備價(jià)格便宜、節(jié)能、高處理速度、體積小并且具備良好的防爆性能等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用了美國Cygnal公司的超低功耗 SOC（system on chip） 型單片機(jī)C8051F30x。

C8051F30x單片機(jī)具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，特別是它在設(shè)法保持CISI結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)不變的情況下對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水線作業(yè)推出了CIP-51的CPU模式。在這種模式中廢除了機(jī)器周期的概念，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位，平均每個(gè)時(shí)鐘完成一條單周期指令，70%指令執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，速度可達(dá)25 MI/s，這樣一來在相同時(shí)鐘下單周期指令運(yùn)行速度為原來的12倍。整個(gè)指令集的平均運(yùn)行速度是8051的9.5倍，這種高速的指令運(yùn)行速度使系統(tǒng)具有了很高的處理速度。

C8051F30x是真正能夠獨(dú)立工作的SOC，CPU有效的管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。采用3V電壓供電，端口I/O均可耐壓5V，滿足了防爆及節(jié)能的要求[8]。

片內(nèi)具有8KB Flash，具有在線重新編程的能力，既可用于程序存儲(chǔ)器又可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，應(yīng)用程序可以使用MOVC和MOVX對(duì)Flash進(jìn)行讀或?qū)?。片?nèi)還具有256 B RAM，對(duì)于系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠使用，不需要再增設(shè)外部存儲(chǔ)器。硬件增強(qiáng)型URAT可與外部設(shè)備直接進(jìn)行串口通信，或通過UART轉(zhuǎn)USB橋接芯片同外部設(shè)備的USB接口進(jìn)行通信，SMBus總線直接與射頻專用收發(fā)芯片連接，對(duì)射頻芯片控制來實(shí)現(xiàn)非接觸射頻卡的讀寫。

由上述介紹可知應(yīng)用C8051F30x單片機(jī)可提高系統(tǒng)的整體性能，同時(shí)又使得系統(tǒng)的外圍電路得以簡化。單片機(jī)與讀卡器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)與讀卡器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.5 CAN總線和上位機(jī)

CAN總線用于讀寫器與監(jiān)督管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信[9]。上位機(jī)編制相應(yīng)的軟件對(duì)信息進(jìn)行處理運(yùn)算，以圖形化的方法把井下用戶信息顯示出來。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

3 結(jié)束語

以煤礦安全需要為動(dòng)力，近年來在瓦斯檢測、通風(fēng)等各單元技術(shù)方面有長足的發(fā)展，為礦工的安全提供了一定的保證，但在井下人員的定位與考勤管理方面還存在一定的缺陷。該文在充分調(diào)研現(xiàn)場需要的情況下，研究確定了一種基于RFID的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，為在井下出現(xiàn)事故時(shí)提供快速的救護(hù)將會(huì)起到一定的作用[10]。

該文論述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和主要工作原理，并給出了系統(tǒng)的作用范圍以及性能指標(biāo)。該系統(tǒng)具有工作安全可靠、效率高、耐受惡劣環(huán)境能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

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