井下人員考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫楠楠 孫運(yùn)強(qiáng) 姚愛琴

(中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051)

0 引 言

從總體上來看，我國(guó)多數(shù)煤礦都是高瓦斯礦，開采難度大，危險(xiǎn)性高，加之我國(guó)井下工作人員整體素質(zhì)不高，因此我國(guó)煤礦事故頻發(fā)，煤礦生產(chǎn)百萬噸死亡率高居不下。如何加強(qiáng)安全生產(chǎn)的防范措施，如何正確處理安全與生產(chǎn)、安全與效益的關(guān)系，如何準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速履行煤礦安全監(jiān)測(cè)職能，保證搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的高效運(yùn)作，擺到了國(guó)家各級(jí)主管部門和領(lǐng)導(dǎo)的面前。同時(shí)如何改變目前煤礦企業(yè)對(duì)井下人員落后的管理模式，如何實(shí)現(xiàn)管理的現(xiàn)代化、信息化也成為所有煤礦企業(yè)關(guān)心的問題。因此，本文設(shè)計(jì)了井下人員考勤系統(tǒng)，用來提高煤礦管理水平，降低事故發(fā)生率。

1 考勤系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)及工作原理

整個(gè)考勤裝置由Mifarel 卡、讀卡器、攝像頭、圖像采集卡及PC 等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 考勤裝置結(jié)構(gòu)框圖

裝置的工作原理如下:每位礦工身上都有一張代表自己身份的Mifarel 卡。首先將礦工卡號(hào)及個(gè)人信息存入PC中數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)?shù)V工入井或者出井時(shí)，都必須在讀卡器上刷卡，此時(shí)，讀卡器將讀取卡號(hào)，通過串口發(fā)送給PC，PC 從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找讀到的卡號(hào)及其對(duì)應(yīng)的虹膜信息。如果查找不到卡號(hào)，則說明此人為不明身份人員，需要重新登記入庫(kù)。如果找到卡號(hào)，則取出庫(kù)的虹膜圖象編碼，與此時(shí)采集到的虹膜圖像信息相比較，如果匹配成功則說明此人身份無誤，記錄下時(shí)間，作為考勤記錄。如果不匹配，則說明此人為冒名頂替者。這樣既可以完成考勤，同時(shí)還能有效驗(yàn)證礦工身份，減小安全隱患，提高煤礦管理水平。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 虹膜識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

虹膜識(shí)別技術(shù)的基本原理是通過特制的光學(xué)成像系統(tǒng)、電子控制單元以及適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)軟件算法來提取虹膜的圖像，通過圖像分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)虹膜的定位、歸一化和去噪聲。使用活體虹膜檢測(cè)，就是要可靠的鑒別出采集到的圖像是否來自有生命的個(gè)體，使虹膜用特征提取器對(duì)虹膜進(jìn)行有效的特征的提取，最后使用分類器完成基于虹膜特征向量的分類任務(wù)。

此識(shí)別系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由5 部分組成，分別是圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖像顯示和電源部分。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 虹膜識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主程序運(yùn)行在DSP 中，完成虹膜圖像處理的全部算法。識(shí)別過程是:先用攝像機(jī)拍攝眼睛圖像，然后進(jìn)行圖像預(yù)處理(虹膜定位、增強(qiáng)等)，再對(duì)虹膜特征進(jìn)行分析，與存儲(chǔ)的虹膜特征進(jìn)行模式匹配，最后得出識(shí)別結(jié)果。在這過程中，虹膜定位、特征分析和匹配是重要的部分。

2.2 MIfarel 射頻卡工作原理

Mifarel 卡是PHILIPS 公司生產(chǎn)的非接觸式IC 智能射頻卡?？ㄆ铣薎C 微晶片及一副高效率天線外，無任何其他元件。卡片上無源(無任何電池)，工作時(shí)的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送無線電載波信號(hào)耦合到卡片上天線而產(chǎn)生電能，一般可達(dá)2 V 以上，供卡片上IC 工作。工作頻率為13.56 MHz。

Mifarel 卡工作原理:讀寫器向卡片發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)LC 串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC 諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V 時(shí)，此電容可作為電源為其它外圍電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。

2.3 MIfarel 卡讀卡器的設(shè)計(jì)

圖3 讀卡器結(jié)構(gòu)圖

讀卡器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。讀卡器的工作原理是由AT89C52 對(duì)MFRC500 進(jìn)行控制與通信，MFRC500 驅(qū)動(dòng)外圍電路對(duì)Mifarel 卡進(jìn)行讀寫操作。具體說來，當(dāng)卡片在讀卡器有效識(shí)別范圍內(nèi)，AT89C52 控制MFRC500，完成對(duì)卡的操作和整個(gè)讀寫器的管理下MFRC500 負(fù)責(zé)信號(hào)的編碼、解碼，信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)，匹配電路建立讀寫器同射頻卡之間的聯(lián)系。

MFRC500 芯片與AT89C52 單片機(jī)的連接電路圖如圖4 所示。

圖4 AT89C52與MACR500 連接電路圖

在本系統(tǒng)中，采用的是直接匹配的天線。直接匹配的天線的理論工作距離可達(dá)100 mm，工作距離主要由天線的大小以及天線匹配電路的修正值決定。需要的部件有EMC 濾波器、接收電路和天線本身的匹配等。圖5 是本系統(tǒng)使用的直接匹配天線電路。

圖5 直接匹配天線電路配置

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 讀卡器與PC 之間的通信協(xié)議

PC 與Mifarel 卡讀卡器之間通過RS232 總線通信，通信速率設(shè)為9 600 bps，采用單總線半雙工模式。PC 與讀卡器之間每幀的通信格式包括起始位、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼和結(jié)束符。其中數(shù)據(jù)包括通信狀態(tài)和4 字節(jié)卡號(hào)。每幀具體格式如下:

STA，STA，STATUS，NUMI，NUMZ，NUM3，NUM4，ACC，END，END。

其中，STA 為起始位，占兩個(gè)字節(jié);STATUS 表示Mifarel 卡與讀卡器之間是否通信成功，成功則該字節(jié)為0，否則為1;NUMI－NUM4 代表讀到的四字節(jié)Mifarel 卡卡號(hào);ACC 為一字節(jié)的奇偶校驗(yàn)碼;END 為結(jié)束碼，占兩個(gè)字節(jié)。

3.2 Mifarel 卡與讀卡器之間數(shù)據(jù)交換

讀卡器的程序主要包括兩個(gè)部分:與Mifarel 卡之間的通信和與PC 機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

實(shí)際上，Mifarel 卡與讀卡器之間的通信就是卡片和讀卡器之間的數(shù)據(jù)交換和對(duì)卡內(nèi)EEPROM 存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程。讀卡器一直處于問詢卡片狀態(tài)，當(dāng)卡片在讀卡器的有效輻射范圍內(nèi)，卡片就能接受到讀卡器的指令，經(jīng)過指令譯碼，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并返回相應(yīng)的處理結(jié)果。Mifarel 卡與讀卡器之間一個(gè)完整的交易過程如圖6所示。

圖6 讀卡器對(duì)Mifarel 卡完整操作流程

整個(gè)讀卡器軟件操作流程如圖7 所示。

圖7 讀卡器軟件操作流程

3.3 主機(jī)操作過程

讀卡器能夠正確地讀取到每張代表個(gè)人身份的Mifarel 考勤卡，并將其發(fā)送到PC 中，但是PC 如何將卡號(hào)與個(gè)人信息聯(lián)系，如何進(jìn)行個(gè)人身份識(shí)別以及怎么將卡片到達(dá)時(shí)間存儲(chǔ)及查詢，這就需要編寫一套合理的考勤管理軟件。軟件大體上需要實(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能:個(gè)人信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)、刷卡考勤及身份識(shí)別、考勤記錄查詢。具體實(shí)現(xiàn)過程如流程圖8 所示。

圖8 考勤實(shí)現(xiàn)流程圖

4 考勤記錄查詢結(jié)果

圖9 為考勤記錄查詢界面，記錄查詢可分為3 種類型:

(1)查詢個(gè)人的考勤記錄，選定時(shí)間范圍，輸入編號(hào)或姓名后，可查詢到該人一段時(shí)間內(nèi)入升井具體時(shí)間，入井時(shí)長(zhǎng)，以及入井總天數(shù)，可作為考察該人出勤情況的憑證。

(2)查詢一個(gè)部門全部人員的考勤記錄，選定時(shí)間范圍，選取需要查詢的部門名稱后，可查詢到一段時(shí)間內(nèi)該部門全部人員的入井天數(shù)，可作為考察該部門人員出勤情況的憑證。

(3)查詢一段時(shí)間入升井人數(shù)，選定時(shí)間范圍，可統(tǒng)計(jì)出一段時(shí)間內(nèi)入升井總?cè)藬?shù)及具體人員名單。

圖9 考勤記錄查詢

考勤記錄查詢部分功能為按照各種條件查詢考勤記錄并計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。在個(gè)人信息查詢中，按照所選擇的查詢條件組成查詢語(yǔ)句，在已經(jīng)打開的記錄集中檢索到符合條件的記錄。所有記錄查詢功能均具備輸出打印功能。

5 結(jié) 論

本文研究的主要內(nèi)容是基于射頻識(shí)別的煤礦人員考勤系統(tǒng)。用來完成出入井礦工的時(shí)間登記，統(tǒng)計(jì)礦工每天在井下的工作時(shí)間，給管理者提供一個(gè)評(píng)價(jià)礦效率和工作時(shí)間的有效依據(jù)，便于采取各種獎(jiǎng)懲措施，有理可依，有據(jù)可查。同時(shí)，本系統(tǒng)還添加了礦工身份識(shí)別的功能，可以有效防止不明身份人員和冒名頂替人員入井，大大地提高了對(duì)煤礦生產(chǎn)的管理水平，但不能得知礦工下井后的動(dòng)態(tài)軌跡，使煤礦安全生產(chǎn)不夠智能化和自動(dòng)化。

［1］國(guó)家安全生產(chǎn)科技發(fā)展規(guī)劃煤礦領(lǐng)域研究報(bào)告［R］.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局、管家煤礦安全監(jiān)察局，2007.

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