基于RFID技術(shù)的礦山人員實時定位系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

摘 要： 針對目前礦山井下定位系統(tǒng)功能不完善與實現(xiàn)復(fù)雜的現(xiàn)狀，提出了一個應(yīng)用FRID技術(shù)的礦山人員定位系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計了一個遠(yuǎn)距離有源RFID定位系統(tǒng)基本模型。利用距離調(diào)節(jié)定位算法來確定井下工作人員的位置，實驗結(jié)果證明定位算法的高效。系統(tǒng)實現(xiàn)了對人員和重要設(shè)備的準(zhǔn)確定位，對實現(xiàn)礦山的安全生產(chǎn)管理有著重要的意義。

關(guān)鍵字： 射頻識別技術(shù)； 礦山； 定位系統(tǒng)； 調(diào)度算法

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）21?0035?02

0 引 言

無線射頻識別RFID是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸自動識別技術(shù)。RFID技術(shù)由于其遠(yuǎn)距離、快速、多目標(biāo)同時讀取等特點，在交通運輸、人員實時定位和物流業(yè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。利用RFID技術(shù)，將無線射頻識別技術(shù)與最近領(lǐng)域方法[2]相結(jié)合，實時、準(zhǔn)確地跟蹤定位人員成為可能。該技術(shù)將為礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)營管理帶來新的契機。

1 相關(guān)工作

基于RFID技術(shù)在室內(nèi)進(jìn)行定位的典型系統(tǒng)有LANDMARC[3]和SpotON[4]。前者是基于主動RFID校驗的動態(tài)定位識別系統(tǒng)，采用參考標(biāo)簽來輔助定位，通過計算被定位標(biāo)簽的信號強度矢量和每個參考標(biāo)簽的信號強度矢量之間的距離，選取距離被定位標(biāo)簽最近的幾個參考標(biāo)簽，根據(jù)幾個參考標(biāo)簽的坐標(biāo)計算出被定位標(biāo)簽的坐標(biāo)。LANDMARC系統(tǒng)一半的誤差在1 m以內(nèi)，與定位要求基本符合，LANDMARC系統(tǒng)定位一個目標(biāo)的計算時間超過半分鐘，時間比較長。SpotON系統(tǒng)對信號強度進(jìn)行分析，通過被測試標(biāo)簽的信號強度表示標(biāo)簽之間的距離，該系統(tǒng)采用聚合對三位空間進(jìn)行定位。

LANDMARC和SpotON系統(tǒng)各有自己的優(yōu)缺點，如果應(yīng)用到礦山設(shè)備和人員定位有一定的局限性。目前，中國大多數(shù)礦山井下人員的定位系統(tǒng)只能粗劣定位人員的位置，這種水平雖然在一定程度上能定位井下人員的大致位置，但存在極大的誤差，一旦出現(xiàn)事故，就很難估測到其具體情況。將RFID技術(shù)應(yīng)用于礦山井下管理，設(shè)計一個高效的人員和設(shè)備的定位系統(tǒng)[5?7]和方法顯得非常重要。本文提出一個距離調(diào)節(jié)定位算法，可以為設(shè)備和人員位置提供準(zhǔn)確定位。

2 定位系統(tǒng)基本模型

實時定位系統(tǒng)模型如圖1所示。當(dāng)射頻讀寫器讀取到各種標(biāo)簽（包括參考標(biāo)簽和目標(biāo)對象的標(biāo)簽），它會將這些標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通過中間件處理映射后，交由數(shù)據(jù)集成環(huán)節(jié)，并由事件解析環(huán)節(jié)，將數(shù)據(jù)信息還原為發(fā)生的事件。之后事件將分成定位事件處理和行為事件處理兩部分分別予以響應(yīng)。

3 定位算法

本文提出一個距離調(diào)節(jié)定位算法。讀寫器有十個功率控制等級，每個等級對應(yīng)一個讀寫距離。每個讀寫器能自動調(diào)節(jié)其功率控制等級，即能調(diào)節(jié)其讀寫范圍。定義待定位標(biāo)簽的信號強度矢量為[Si=si1，si2，…，sin，]其中[sii]是第[i]個讀寫器能讀取待定標(biāo)簽的最低功率等級。對于系統(tǒng)中某個參考標(biāo)簽[j]的信號強度矢量[θi，j=（θ1，θ2，…，θi，…，θn），][θi]是第[i]個讀寫器能讀取待定標(biāo)簽的最低功率等級。

通過如下算法確定每個待定標(biāo)簽和參考標(biāo)簽的信號強度矢量。

（1）選定讀寫器[Ri，]用最小功率識別標(biāo)簽，如果成功識別到待定位標(biāo)簽，則轉(zhuǎn)到（2），否則將讀寫器功率加大一級轉(zhuǎn)到（1）。如果目前是最大功率不能識別參考標(biāo)簽，則選定讀寫器[Ri+1，]轉(zhuǎn)到（1）執(zhí)行。

（2）記錄讀寫器在目前功率[P（j）]下能夠識別的參考標(biāo)簽集[V（i（j））。]

（3）將讀寫器功率加大一級，記錄此時能夠識別的參考標(biāo)簽集[V（i（j+1））。]

（4）求得參考標(biāo)簽集[V（i（j+1））]和[V（i（j））]的差集，記錄下該標(biāo)簽集[V（ij）。]

（5） 將讀寫器改為[Ri+1，]轉(zhuǎn)到（1）執(zhí)行，當(dāng)所有讀寫器讀完所有的標(biāo)簽后轉(zhuǎn)到下一步執(zhí)行。

（6）計算所有的標(biāo)簽集[V（ij）]的交集。計算每一個待定位標(biāo)簽的信號強度矢量[Si]與標(biāo)簽集中所有參考標(biāo)簽[θi，j]的歐幾里德距離[di，j=θi，j-Si=n=1Nθn-Sn2。]

（7）當(dāng)[di，j]=0時，就選目前參與計算的參考標(biāo)簽的位置為待定位標(biāo)簽的位置，否則，在參考標(biāo)簽集合中選取4個[di，j]值最小的標(biāo)簽，用最近鄰居算法求待定位標(biāo)簽的位置，計算公式為[（x，y）=i=14wk（xk，yk），][（x，y）]是待定位標(biāo)簽坐標(biāo)；[（xk，yk）]是參考標(biāo)簽坐標(biāo)；[wk=1d2kt=141d2t，] [wk]是[（xk，yk）]參考標(biāo)簽坐標(biāo)權(quán)值，[dk]是待定標(biāo)簽和參考標(biāo)簽的歐幾里德距離。

4 性能分析

實驗采用主動式有源RFID讀寫器，工作頻率為2.4 GHz， 最遠(yuǎn)讀寫距離可以達(dá)到100 m，讀寫距離可以調(diào)節(jié)。通過驗證在沒有應(yīng)用讀寫器調(diào)度算法和應(yīng)用調(diào)度算法時，系統(tǒng)讀寫器能正確響應(yīng)成功定位的效率。

圖2表示了本文定位算法和LANDMARC的誤差分布比較。從圖2可以看出，LANDMARC誤差在0.75 m左右，本文定位算法誤差在0.25 m左右，LANDMARC誤差是后者誤差的3倍。結(jié)果顯示，本定位算法成功定位的效率高于LANDMARC定位效率。

5 結(jié) 語

將RFID技術(shù)應(yīng)用于煤礦業(yè)，通過建立一個實時的井下人員管理系統(tǒng)，改進(jìn)了礦井作業(yè)人員的安全機制，使得設(shè)備維護(hù)管理成本優(yōu)化，可實時查詢井下工作人員和重要設(shè)備的具體位置，為人員調(diào)度、設(shè)備查詢、礦井突發(fā)性事故的救助工作帶來了很大的方便。

參考文獻(xiàn)

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