基于RFID和CAN的井下人員定位系統的研究

張鵬

安徽理工大學，淮南 232001

基于RFID和CAN的井下人員定位系統的研究

張鵬

安徽理工大學，淮南 232001

設計一種基于無線射頻識別技術（RFID）和控制器局域網（CAN）的井下人員定位系統，在煤礦安全生產中起到積極的作用。在礦難發生時，通過定位系統可以知道井下工作人員的大概位置，給實施營救過程中帶來幫助，在平時的時候也可以作為考勤的功能。通過RFID技術的優勢和CAN的穩定性使系統更加可靠、精確。

人員定位；CAN；無線射頻識別

前言

我國是產煤大國，煤炭產量居世界第一。社會關注產煤量的同時，更關注井下務工人員的生命安全。我國的絕大部分煤炭資源的開采都是務工人員井下作業的，而這種井下作業方式的危險系數遠遠高于地面作業。一旦礦井事故發生，搶救人員對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，主要運用無線射頻識別（RFID）技術原理，進入井下的工作人員佩戴電子標簽，通過井下安裝好的各個讀寫器能夠識別個人信息，再通過各個讀寫器組成的CAN總線傳送到地面監測系統上。讓監測人員時刻掌握井下人員的位置和運動軌跡，同時也可以掌握井下設備的信息。為搶險救難提供有用信息，減少井下工作人員的傷亡。平時也可以生成考勤報表，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

無線射頻識別技術（RFID）20世紀末發展起來的，是一種與雷達原理相似的新型非接觸式自動識別技術，通過無線傳輸方式進行雙向數據通信識別物體并獲取相關信息。

隨著自動識別技術的不斷發展，自動識別方法也越來越多。其中應用最為普遍而且又經濟的自動識別技術就屬條形碼了，但是它的缺點在于信息量小，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，接觸點是無法接通的。相比之下，RFID的優勢非常明顯：首先，信息存儲量比較大，產品本身都有自己的ID號，并且每個ID號都不一樣；讀寫時對光的要求不高，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，類型不同的產品上，可以改變本身的數據、信息，讀取的范圍更大。再次，標簽的數據安全性能比較好，可以通過密碼保護；可以掌握裝有標簽的產品的運動軌跡。

2 CAN總線技術

控制器局域網（CAN）是一種串行的數據通信協議，最早是應用在汽車領域，由于它的優越性已經逐步推廣到其他工業領域，并且得到了廣泛的應用。CAN是一種多個主節點的總線網絡，它可以實現點對點之間的通信，也可以實現一點對多點的通信，并且任意一點任何時刻都可以向其它每點發送數據。當某處節點產生錯誤時，能夠自動檢測到并且將其關閉阻止它和主節點的通信，避免給其他節點造成影響。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性。

CAN與工業以太網相比，雖然最大帶寬不如工業以太網，但是CAN的通信速率還是能夠滿足工業現場的要求的，更重要的是它彌補了以太網總線上沒有電源的缺點，大大提高受電磁干擾以及射頻干擾的能力。CAN總線技術不僅可靠性好，實時性好，成本低，還有極高的總線利用率。是一種先進的，完善的現場總線技術，在自動控制領域得到了非常廣泛的利用。

3 定位系統的設計

3.1 定位系統的方案設計

為了保證井下工作人員的安全，時刻掌握井下人員的位置動向，何時這哪個地點工作。因此，在每個巷道分叉處安裝一個讀寫器，在較長的巷道應該適當多安裝幾個。一定量的讀寫器組成一個基站。各個基站組成CAN連接到地面管理中心。每個下井的工作人員都必須佩戴一個標簽，各個標簽都是自己唯一的ID。當工作人員在井下經過讀寫器時，讀寫器接收到標簽發送的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過處理得知工作人員的大概位置。

3.2 讀寫器的設計：

讀寫器包括以下幾個部分，首先一個是電源，它的由防爆電源提供。再一個是天線，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極化方向很容易發生變化，所以天線的設計采用圓極化天線，增加系統的穩定性。最重要的部分是無線接收模塊，到現在為止礦下采用的定位技術的通信頻率大概在1GHz以上，在此個通信頻率內所具有的優勢是讀寫的距離比較遠，但是由于在礦井下巷道的布局和所處的環境非常復雜，這種優勢無法發揮出來。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。大多數然后是MCU，由于接收到數據不是很復雜，所以對MCU的要求不是很高，Nrf403芯片能夠很好的滿足它的要求，從而簡化了整個硬件的設計。讀寫器的發送流程如圖2。

圖1 定位系統結構圖

圖2 讀寫器的發送流程

3.3 標簽的設計

標簽包括這么幾部分：無線發射芯片，MCU和電源。無線發射芯片我們選擇的是NORDIC公司的Nrf403芯片，這個芯片的通信接口是SPI式的，因此我們選擇MCU時應該選擇帶有SPI總線的51單片機。考慮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，有一點火花可能就會出現安全事故的，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，這樣使得標簽的體積小，方便工作人員攜帶。標簽的發送流程如圖3。

圖3 標簽的發送流程

4 系統軟件設計

系統管理軟件由數據采集和信息處理系統組成。包括井下人員定位，方位動態顯示系統，統計分析考勤系統，數據查詢和報表生成系統，地面報警系統和數據管理子系統。

5 總結

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的保證。隨著無線電的快速發展，RFID技術也會在定位系統中得到比較好的利用。本系統利用RFID和CAN技術的設計降低了生產成本，提高了系統的可靠性。在平時還可以作為考勤的功能，記錄工作人員井下工作時間顯示人員的軌跡。

[1]李毅,李紅波.基于RF ID技術的車輛綜合自動管理系統的設計研究[J].微計算機信息, 2005, (19)

[2]遲東民.基于CAN 總線分布式監控系統的設計與實現[D].西安：西安電子科技大學，2005

[3]李洪宇.井下人員定位系統[D].濟南：山東科技大學，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，安徽理工大學電氣與信息工程學院研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。

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