煤礦井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計

郭 亮，鹿 劍

（1.新疆產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆特種設(shè)備檢驗研究院，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、非接觸方式的自動識別技術(shù)[1]。它能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)、運動目標(biāo)的非接觸式識別，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，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)確地確定任一時間井下工作人員所處的位置成為一項急需解決的問題。如果在礦難發(fā)生時，每一個井下人員的位置都是準(zhǔn)確可知的，那么搜救工作就會進(jìn)行得更加順利，人員的損失也一定會減小。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RFID系統(tǒng)主要由3個基本部分組成。

圖1 RFID基本結(jié)構(gòu)圖[5-6]

1.1 電子標(biāo)簽

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

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，其作用距離相對有源卡短，但壽命長，且對工作環(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，密封和包裝不會對數(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)是啟動電子標(biāo)簽與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)非接觸的無線通信，也就是識別出每一張在其識別范圍之內(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，讀寫器的盤繞天線與標(biāo)簽的盤繞天線之間就形成一個磁場，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，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時，進(jìn)行解碼獲取被識別的信息并發(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，當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器工作場時，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。對于射頻識別系統(tǒng)來說，接收耦合天線相當(dāng)于等效有一個可變負(fù)載。讀寫器接收到來自標(biāo)簽的載波信號，對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼后送至計算機(jī)主機(jī)進(jìn)行處理。計算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標(biāo)簽的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號。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、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。每個標(biāo)簽都有一個全球唯一的ID號碼——UID（通常為制造時間），UID是在制作芯片時放在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，可將每一個礦工的個人信息寫入其專屬卡中，以便讀寫器進(jìn)行識別。

使用無源電子標(biāo)簽無需擔(dān)心惡劣的環(huán)境對標(biāo)簽的影響，當(dāng)標(biāo)簽完全浸在水下時仍能傳輸數(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煤礦實地考察，采用價格較低的只讀器。在作用范圍之內(nèi)，只能讀取電子標(biāo)簽反射信號，而不能對標(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，即每秒可識別50～100個對象，完全能夠滿足煤礦方面的要求。

在實際使用中可將讀寫器固定安裝，固定位置的讀寫器對電子標(biāo)簽的識別率可達(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。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)不變的情況下對指令運行實行流水線作業(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，指令以時鐘周期為運行單位，平均每個時鐘完成一條單周期指令，70%指令執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，速度可達(dá)25 MI/s，這樣一來在相同時鐘下單周期指令運行速度為原來的12倍。整個指令集的平均運行速度是8051的9.5倍，這種高速的指令運行速度使系統(tǒng)具有了很高的處理速度。

C8051F30x是真正能夠獨立工作的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，既可用于程序存儲器又可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，應(yīng)用程序可以使用MOVC和MOVX對Flash進(jìn)行讀或?qū)?。片?nèi)還具有256 B RAM，對于系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠使用，不需要再增設(shè)外部存儲器。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，對射頻芯片控制來實現(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)的軟件對信息進(jìn)行處理運算，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)事故時提供快速的救護(hù)將會起到一定的作用[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)、價格低廉等優(yōu)點。

[1]李成學(xué)，郭林霞.基于RFID技術(shù)的煤礦井下人員管理信息化的研究[J].中國礦業(yè)，2007（9）：70-73.

[2] 段王栓，劉沛林，姚頑強(qiáng).GPS技術(shù)在礦井貫通工程中的應(yīng)用研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2007（9）：405-408.

[3] 黃強(qiáng)，魯遠(yuǎn)祥，孫中閏，等.KJ90礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)的研制[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2004（10）：13-17.

[4] 徐敏，周心權(quán)，趙紅澤，等.災(zāi)變期井下遇難人員搜尋定位方法初探[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003（12）：114-117.

[5] 王宏.RFID自動識別設(shè)備的分類及選型初探[J].微計算機(jī)信息，2005，21（1）：79-80.

[6] 張貴艷，張明揚(yáng).遠(yuǎn)距離RFLD讀寫天線的研究[J].電子設(shè)計工程，2009，17（10）：18-19.

[7] 范迪，呂常智，李虎.基于射頻模塊的礦井巷道人員定位的實現(xiàn)[J].煤礦機(jī)械，2007（2）：72-74.

[8] 王坤，林明星.一種基于人員定位的礦井綜合通信系統(tǒng)[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2004（8）：217-219.

[9]李洪宇.井下人員定位系統(tǒng)[D].青島：山東科技大學(xué)，2004（5）：11-12.

[10]呂振，劉丹，李春光.基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航的井下人員精確定位系統(tǒng)[J].煤炭學(xué)報，2009（8）：1149-1153.