基于CAN與無線射頻技術的煤礦監控系統設計\t

摘要:為了將CAN總線的現場控制優勢和射頻技術的智能無線識別優勢結合到一起，設計了一種基于CAN總線和射頻技術的煤礦監控系統。射頻芯片選用Intel R1000，可支持EPC GEN2 915MHz RFID標準，處理器選用Samsung公司ARM9 2410芯片作為主控制器。

關鍵詞: CAN;RFID;煤礦;讀寫器

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)02-472-02

The Design of Operating Monitoring System for Coal Mine Based on CAN and RFID Technology

TAN Zhou-wen

(Department of Communications Control Engineering， Hunan Institute of Humanities Science and Technology， Loudi 417000， China)

Abstract: In order to combine the advantages of the RFID technology and CAN technology， the paper designs a monitoring system based on RFID and CAN. Intel R1000 which can work on the frequency of 915MHZ and support for the EPC GEN2 standard is selected for the RFID module. The chip of Samsung ARM9 2410 is used as the main controller.

Key words: CAN; RFID; coal mine; reader

目前我國的煤炭產量居世界第一位，我國95%的煤礦開采是地下開采作業，而地下開采的危險性較之露天開采要大的多。因此，煤炭行業的安全工作一直不容樂觀，用高新技術和先進實用技術改造傳統產業，增加科技含量，促進產品更新換代，提高產品質量和經濟效益，是走新型煤炭工業化道路的必然選擇。

基于上述原因，在深入研究射頻識別(RFID)技術與現場總線(CAN)技術的基礎上， 本文提出了一種煤礦井下人員定位以及瓦斯濃度檢測系統。該系統采用RFID技術可以實時對井下佩戴電子標簽(Tag)的工作人員進行定位、身份識別， 采用瓦斯檢測可以消除瓦斯帶來的安全隱患。讀寫器采集到的信息通過CAN總線傳送到地面， 一方面可以實現對井下人員的考勤統計，另一方面可以查詢礦井中的人員的分布情況。

1 監控系統的總體設計

1.1 總體框圖設計

整個系統利用RFID技術進行無線數據采集，通過CAN總線將信息傳輸到地面監控主機并組成網絡實現信息共享。在井下入口、巷道、作業面的交叉道口等需要監控的主要位置安裝一定數量的監測分站，下井人員按照要求佩戴裝有射頻標簽的固定的安全帽下井作業。當井下人員經過井下安裝的發射天線工作區時，裝在安全帽內的射頻標簽識別卡進入高頻發射天線工作區域后即被激活開始工作，將卡內載有識別碼的信息經卡內高頻模塊發射出去，分站獲取人員攜帶的標簽信息，系統自動采集該人員經過的時間、地點信息，經CAN總線傳輸至地面的監控室計算機，完成預設的系統功能。系統的總體設計框圖如圖1。

該系統主要由兩個主要部分組成，第一部分是RFID數據采集與控制模塊，該模塊主要包括射頻前端子模塊、基帶信號處理子模塊(R1000)、讀寫控制子模塊。射頻前端主要負責與標簽建立空中通信接口的連接;基帶信號處理模塊主要實現基帶信號的編碼解碼、信號濾波和DA轉換功能;讀寫控制模塊主要生成與標簽通信過程中的控制指令，用以實現基本的讀寫動作，防碰撞識別算法以及讀寫權限管理。第二部分是現場總線接口模塊，該模塊由總線協議接口和用戶控制層協議包組成。總線協議接口部分包括總線通信物理層協議和鏈路層協議。物理層主要定義信號的編碼與傳送方式、硬件接口電氣特性、信號傳輸速率。鏈路層協議主要負責對傳輸介質傳送的信號進行發送和接收控制。

1.2 CAN總線節點實現

CAN是由ISO定義的串行通訊總線，最初應用在80年代末的汽車工業里。CAN采用了新技術及獨特的設計，在煤礦中使用時比RS485具有更突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN具有多主節點的網絡特性，總線利用率高，數據傳輸速度快，可擴充性好，通訊距離長， 加中繼器通訊距離可達數十千米，具有可靠的錯誤處理和檢錯機制，個別節點失效并不影響整個通訊網絡的運行， 實時性好等優點。而且在礦井中使用CAN總線網絡還有利于將礦井中相互獨立的各種類型系統互通，進行統一管理。CAN總線接口圖如圖2所示。

CAN 總線接口主要由CAN通信控制SJA1000、高速光耦6N137和CAN總線驅動器TJA1040組成，SJA1000 作為CAN總線協議轉換的控制器， 它內建Basic CAN協議，并提供對CAN2.0B協議的支持。為了增強CAN總線節點的抗干擾能力，防止線路間串擾，SJA1000并不是直接與TJA1040的相連，而是通過高速光耦6N137后再與TJA1040相連。另外， CAN總線驅動器采用帶隔離的DC/DC模塊單獨供電，實現了通信控制器與CAN總線的隔離，提高系統的可靠性。SJA1000與S3C2410之間的接口并不完全兼容，將兩者連接起來時必須對他們進行邏輯接口的變換，邏輯變換主要包括地址數據復用總線的設計，地址鎖存信號的ALE的設計，讀寫信號RD和WR的設計以及片選信號的設計。

1.3 射頻模塊電路實現

射頻模塊是讀卡器的重要組成部分，由于現在UHF頻段讀寫器普遍價格較高，結構復雜，很大程度上限制了RFID產品的發展，本設計中我們選擇Intel公司生產的適用于UHF頻段的一款高集成度、高性能、低功耗的RFID讀寫芯片R1000，加上外接的功放可以使R1000 達到遠距離讀取數據的目的。射頻部分是讀寫器的前端，它接收來自于控制電路的控制命令，將這些命令在片內通過查找表的方式完成基帶編碼和脈沖形成，經過片內的采樣和數模轉換器后，經PA_p、PA_n引腳輸出;當接收到電子標簽的回波時，將回波信號從R1000的RX_p、RX_n引腳輸入，在片內經內部的低噪聲放大器、混頻、AC耦合和Sigma-Delta模數轉換器后形成數字信號，經片內一個FIR和一個二階IIR濾波器后通過串口實現與微處理器的通信。控制器與R1000的接口圖如圖3所示。

R1000內包含了一個能源擴大器，使得它可以在近距離或者2m內對標簽進行編碼和閱讀，而具體距離由讀寫器所使用的天線決定。有了額外的外部能源擴大器，使用R1000讀寫器的讀寫范圍可以達到10m。這可以保證在煤礦的一個較大范圍內對位于礦工安全帽上的信息進行讀取。R1000必須與單獨的微處理器連接，本設計中我們采用Samsung公司ARM9 2410芯片作為主控制器。這個微處理器可以把由R1000 數字信息處理器產生的原始數據轉換成EPC或者18000-6c格式的代碼， 其工作頻率為860～960 MHz。

2 系統軟件設計

系統的軟件設計部分主要包括射頻讀寫器的讀卡程序設計和CAN總線接口的通信程序設計。底層的軟件編寫主要采用C語言和匯編語言，采用模塊化的編程思想。系統的主程序完成一個完整的標簽讀寫過程，控制每個硬件電路模塊的工作狀態。當標簽被驗證為合法時， 讀寫器才正式讀/寫標簽上的信息， 經過數據處理之后， 由CAN 總線上傳到地面監控中心。當標簽被驗證為非法時， 讀寫器轉到直接復位相應狀態，等待下次讀寫操作開始。讀寫器的工作流程如圖4所示。

CAN總線的通信主要完成CAN控制器的初始化設置、控制各節點之間的數據交換、檢測各個節點和總線的狀態、進行故障處理。為了防止讀寫器覆蓋范圍內的多個標簽同時響應讀寫器的指令，在讀寫器的軟件系統中要加入防碰撞算法，保證讀寫器能夠與電子標簽正確地交換信息。本系統使用支持EPC GEN2協議的電子標簽，規定使用基于概率類型的時隙隨機防碰撞算法。

3 結束語

本項目的最大創新在于將現場總線技術和射頻識別技術結合起來應用于煤礦的安全生產中。它實現了對井下人員跟蹤、環境監測等功能。無論從便于生產管理、提高生產效率的角度， 還是從安全生產、保障礦工人身安全的角度， 都有著重要的實際意義和推廣應用價值。隨著RFID在更多領域的應用，基于CAN總線的RFID系統將表現出更好的優勢和得到更好的應用。

參考文獻:

[1] 徐守偉.基于ARM處理器的RFID讀卡器的研制[D].成都:電子科技大學，2006.

[2] 游戰清，李蘇劍.射頻識別(RFID)技術的理論與應用[M].北京:電子工業出版社，2004.

[3] 饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2003.

[4] 章小城，向偉，徐丹.基于Intel R1000芯片的超高頻RFID手持式讀寫器設計[J].計算機與數字工程，2008(9).

[5] 黃志敏.基于Intel R1000 的超高頻RFID讀寫器設計[J].計算機應用技術，2009(6).