基于RFID和CAN的井下人員定位系統(tǒng)的研究

張鵬

安徽理工大學(xué)，淮南 232001

基于RFID和CAN的井下人員定位系統(tǒng)的研究

張鵬

安徽理工大學(xué)，淮南 232001

設(shè)計(jì)一種基于無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）和控制器局域網(wǎng)（CAN）的井下人員定位系統(tǒng)，在煤礦安全生產(chǎn)中起到積極的作用。在礦難發(fā)生時(shí)，通過定位系統(tǒng)可以知道井下工作人員的大概位置，給實(shí)施營救過程中帶來幫助，在平時(shí)的時(shí)候也可以作為考勤的功能。通過RFID技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和CAN的穩(wěn)定性使系統(tǒng)更加可靠、精確。

人員定位；CAN；無線射頻識(shí)別

前言

我國是產(chǎn)煤大國，煤炭產(chǎn)量居世界第一。社會(huì)關(guān)注產(chǎn)煤量的同時(shí)，更關(guān)注井下務(wù)工人員的生命安全。我國的絕大部分煤炭資源的開采都是務(wù)工人員井下作業(yè)的，而這種井下作業(yè)方式的危險(xiǎn)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面作業(yè)。一旦礦井事故發(fā)生，搶救人員對(duì)井下工作者的信息掌握量直接決定他們搶救被困人員的成功率。引入井下人員定位系統(tǒng)，主要運(yùn)用無線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)原理，進(jìn)入井下的工作人員佩戴電子標(biāo)簽，通過井下安裝好的各個(gè)讀寫器能夠識(shí)別個(gè)人信息，再通過各個(gè)讀寫器組成的CAN總線傳送到地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上。讓監(jiān)測(cè)人員時(shí)刻掌握井下人員的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)也可以掌握井下設(shè)備的信息。為搶險(xiǎn)救難提供有用信息，減少井下工作人員的傷亡。平時(shí)也可以生成考勤報(bào)表，掌握工作人員的出勤情況，提高煤礦管理的工作效率。

1 RFID技術(shù)

無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）20世紀(jì)末發(fā)展起來的，是一種與雷達(dá)原理相似的新型非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過無線傳輸方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信識(shí)別物體并獲取相關(guān)信息。

隨著自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)識(shí)別方法也越來越多。其中應(yīng)用最為普遍而且又經(jīng)濟(jì)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)就屬條形碼了，但是它的缺點(diǎn)在于信息量小，不能改寫。IC卡也是使用非常廣泛的，但是在某些特殊的情況下，接觸點(diǎn)是無法接通的。相比之下，RFID的優(yōu)勢(shì)非常明顯：首先，信息存儲(chǔ)量比較大，產(chǎn)品本身都有自己的ID號(hào)，并且每個(gè)ID號(hào)都不一樣；讀寫時(shí)對(duì)光的要求不高，能穿過外部材料獲取信息。其次，可以很容易的裝在各種大小不一，類型不同的產(chǎn)品上，可以改變本身的數(shù)據(jù)、信息，讀取的范圍更大。再次，標(biāo)簽的數(shù)據(jù)安全性能比較好，可以通過密碼保護(hù)；可以掌握裝有標(biāo)簽的產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2 CAN總線技術(shù)

控制器局域網(wǎng)（CAN）是一種串行的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，最早是應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，由于它的優(yōu)越性已經(jīng)逐步推廣到其他工業(yè)領(lǐng)域，并且得到了廣泛的應(yīng)用。CAN是一種多個(gè)主節(jié)點(diǎn)的總線網(wǎng)絡(luò)，它可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的通信，也可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，并且任意一點(diǎn)任何時(shí)刻都可以向其它每點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)某處節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)，能夠自動(dòng)檢測(cè)到并且將其關(guān)閉阻止它和主節(jié)點(diǎn)的通信，避免給其他節(jié)點(diǎn)造成影響。這就使得CAN總線和其他總線相比，具有較高的可靠性和檢錯(cuò)性。

CAN與工業(yè)以太網(wǎng)相比，雖然最大帶寬不如工業(yè)以太網(wǎng)，但是CAN的通信速率還是能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的要求的，更重要的是它彌補(bǔ)了以太網(wǎng)總線上沒有電源的缺點(diǎn)，大大提高受電磁干擾以及射頻干擾的能力。CAN總線技術(shù)不僅可靠性好，實(shí)時(shí)性好，成本低，還有極高的總線利用率。是一種先進(jìn)的，完善的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，在自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了非常廣泛的利用。

3 定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 定位系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

為了保證井下工作人員的安全，時(shí)刻掌握井下人員的位置動(dòng)向，何時(shí)這哪個(gè)地點(diǎn)工作。因此，在每個(gè)巷道分叉處安裝一個(gè)讀寫器，在較長的巷道應(yīng)該適當(dāng)多安裝幾個(gè)。一定量的讀寫器組成一個(gè)基站。各個(gè)基站組成CAN連接到地面管理中心。每個(gè)下井的工作人員都必須佩戴一個(gè)標(biāo)簽，各個(gè)標(biāo)簽都是自己唯一的ID。當(dāng)工作人員在井下經(jīng)過讀寫器時(shí)，讀寫器接收到標(biāo)簽發(fā)送的ID，然后把信息傳給基站，地面管理中心從基站獲取的信息經(jīng)過處理得知工作人員的大概位置。

3.2 讀寫器的設(shè)計(jì)：

讀寫器包括以下幾個(gè)部分，首先一個(gè)是電源，它的由防爆電源提供。再一個(gè)是天線，在礦井下巷道特別長而且狹窄，還有有其他各式各樣的傳輸媒介，電磁波在巷道傳播時(shí)極化方向很容易發(fā)生變化，所以天線的設(shè)計(jì)采用圓極化天線，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最重要的部分是無線接收模塊，到現(xiàn)在為止礦下采用的定位技術(shù)的通信頻率大概在1GHz以上，在此個(gè)通信頻率內(nèi)所具有的優(yōu)勢(shì)是讀寫的距離比較遠(yuǎn)，但是由于在礦井下巷道的布局和所處的環(huán)境非常復(fù)雜，這種優(yōu)勢(shì)無法發(fā)揮出來。高頻和超高頻的弊端在于抗干擾能力和繞射能力都不太理想，所以無線接收模塊我們選擇的是NORDIC公司的Nrf403芯片，它的工作頻率是433MHz。大多數(shù)然后是MCU，由于接收到數(shù)據(jù)不是很復(fù)雜，所以對(duì)MCU的要求不是很高，Nrf403芯片能夠很好的滿足它的要求，從而簡(jiǎn)化了整個(gè)硬件的設(shè)計(jì)。讀寫器的發(fā)送流程如圖2。

圖1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 讀寫器的發(fā)送流程

3.3 標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

標(biāo)簽包括這么幾部分：無線發(fā)射芯片，MCU和電源。無線發(fā)射芯片我們選擇的是NORDIC公司的Nrf403芯片，這個(gè)芯片的通信接口是SPI式的，因此我們選擇MCU時(shí)應(yīng)該選擇帶有SPI總線的51單片機(jī)?？紤]到井下的特殊情況和攜帶的方便，并且Nrf403芯片所需的供電電壓低并且功耗也低，我們選擇紐扣式電池作為電源。井下安全是十分重要的，有一點(diǎn)火花可能就會(huì)出現(xiàn)安全事故的，電源都要通過防爆處理，但是Nrf403芯片工作電流只有安，不需要安裝防爆外殼，這樣使得標(biāo)簽的體積小，方便工作人員攜帶。標(biāo)簽的發(fā)送流程如圖3。

圖3 標(biāo)簽的發(fā)送流程

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)管理軟件由數(shù)據(jù)采集和信息處理系統(tǒng)組成。包括井下人員定位，方位動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)分析考勤系統(tǒng)，數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表生成系統(tǒng)，地面報(bào)警系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。

5 總結(jié)

井下工作人員的生命安全是重中之重，井下人員的定位是煤炭安全生產(chǎn)的保證。隨著無線電的快速發(fā)展，RFID技術(shù)也會(huì)在定位系統(tǒng)中得到比較好的利用。本系統(tǒng)利用RFID和CAN技術(shù)的設(shè)計(jì)降低了生產(chǎn)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。在平時(shí)還可以作為考勤的功能，記錄工作人員井下工作時(shí)間顯示人員的軌跡。

[1]李毅,李紅波.基于RF ID技術(shù)的車輛綜合自動(dòng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息, 2005, (19)

[2]遲東民.基于CAN 總線分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2005

[3]李洪宇.井下人員定位系統(tǒng)[D].濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2004

Design of Underground People Tracking System Based on RFID and CAN

Zhang Peng
Anhui University of Science & Technology，Huai Nan 232001

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.17.036

張鵬（1986-），男，江西贛州人，安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

AbstractThe design of a mine personnel positioning system based on Radio Frequency Identification (RFID) and Controller Area Network (CAN), in the coal mine production safety play an active role.When the mine disaster, positioning system can know the approximate location of underground work, to bring help to the rescue, as the function of the attendance at the usual time.The stability of the advantages of RFID technology and CAN make the system more reliable and accurate.

KeywordsPeople tracking;CAN；Radio Frequency Identification