礦用井下人員管理系統的發展與應用

畢艷梅　金亞東　鄧子超

【摘 要】針對煤礦現有的人員定位系統所使用的組網技術和無線收發技術，對他們進行了技術比較，并提出一種有著明顯優勢的通信模式。介紹了基于遠距離RS485組網技術和RFID握手式通信技術解決方案。

【關鍵詞】煤礦；RFID；人員定位；雙向握手通信；KJ351

0 緒論

煤礦井下人員管理系統經過多年的發展，在各級領導的直接關懷下，各個生產廠家不斷努力，特別是AQ6210—2007國家標準的制定和強制執行，加上近年來電子技術的長足進步，煤礦井下人員管理系統開發成功，具備了良好的基礎。目前，國內有不少科研單位和企業都生產了“井下人員定位系統（井下人員管理系統）”，系統有效解決了煤礦井下作業人員出入井考勤統計、井下各區域作業人員分布實時跟蹤、發生事故時對井下受困作業人員的準確清點等問題。

1 煤礦井下人員管理系統（井下人員定位系統）發展歷程

煤礦人員管理系統的技術發展大致經歷了三個階段：巡更系統、IC卡考勤系統、基于RFID有源射頻識別技術的人員管理系統。

1.1 巡更系統

巡更系統是將特制的信息鈕安置于指定的巡檢線路上，巡查員沿途巡檢，用巡更棒依次碰觸（閱讀）信息鈕，信息便“拷貝”到巡更棒中。管理人員通過計算機來讀解巡更棒中的信息，還原巡檢員的歷史巡檢活動。

1.2 IC卡考勤系統

以IC卡為代表的人員考勤系統一度廣泛應用于煤礦作業人員考勤管理工作。煤礦在各個區域安裝讀卡器，并為人員配發IC卡，作業人員經過讀卡器須逐個將識別卡靠近或觸碰讀卡器，即刷卡。

1.3 基于RFID有源射頻識別技術的人員管理系統

RFID是利用無線傳輸方式進行雙向數據通信， 進而達到自動識別并交換信息的目的。無源RFID讀卡距離近，識別率低，讀卡速度慢；而有源RFID卡使用獨立電池供電，發射距離遠，識別率高，只需攜卡正常通過分站信號范圍，分站便能自動捕捉到識別卡信息，同時傳輸到地面終端。

2 井下人員管理系統的構成和主要功能概述

2.1 系統構成

目前各科研單位和企業所開發研制的煤礦井下人員管理系統，從結構上看基本上都是由地面終端設備、傳輸介質和中繼設備、井下分站、便攜式識別卡等幾部分組成。

2.2 系統主要功能

煤礦井下人員管理系統須根據現場情況設計安裝方案，一般在主要控制出入和有監控要求的地點安裝分站，通過網絡布線將分站與地面終端連接調試，確保通信正常。所有下井人員配發識別卡，識別卡身份唯一，并在地面終端登記。

當識別卡通過或接近安裝在井下的分站，分站捕獲識別卡信號并上傳，地面終端與識別卡登記信息對比校驗，并在數據庫記錄。通過操作中心控制軟件，可顯示某一分站內所有作業人員、顯示由若干分站組成的區域內所有作業人員、查詢持卡人當前位置、部門人員分布、時間段下井次數和工作時間統計、特殊作業人員巡檢情況、設備故障報警、識別卡電量、作業人員超時超員報警信息等。

系統常見的主要功能有：

（1）查詢當前井下人員分布。顯示分站安裝位置、每個分站下識別卡數量和井下識別卡總數。作業人員由一個讀卡區域移動到另一個讀卡區域時實時更新，點擊分站圖標可顯示該分站當前所有識別卡信息。

（2）查詢作業人員當前位置。輸入人員姓名或識別卡號，軟件顯示當前人員所處位置和下井行動軌跡；輸入部門信息，顯示該部門所有井下作業人員分布情況。

（3）井下人員跟蹤查詢。軟件可在圖上以動畫或小圖標活動的方式動態顯示該名人員下井行動軌跡。

（4）統計查詢進入特殊區域人員。對于一些危險區域，若有非法進入記錄，可提供實時報警和歷史信息記錄查詢。

（5）報警信息的顯示與查詢。對于某些報警條件進行設置，當井下實時信息與系統設定報警條件沖突時，系統中心控制軟件實時發出報警信息，報警信息同時保存到歷史數據庫，可根據檢索條件查詢歷史報警信息。

（6）井下人員考勤管理。根據檢索條件查詢井下作業人員在某時間段內上下井時間、進入離開某讀卡分站范圍時間、井下作業總工作時間等信息。

3 KJ351煤礦井下人員管理系統技術特點

KJ351煤礦井下人員管理系統讀卡方式類似于傳統的RFID無源卡片方式，讀卡分站采用主叫方式，人員標識卡被動響應讀卡請求。

（1）讀卡分站不斷發送尋卡指令。人員標識卡只有在讀卡分站的尋卡范圍內，才能被喚醒工作。在讀卡分站的尋卡范圍外，人員標識卡片一直處于待機狀態。

（2）使用2.4G高速通訊技術，減少單次數據交換時間。單次數據交換僅在50us內完成。

（3）跳頻能力。KJ351煤礦井下人員管理系統采用DSSS技術，實現64頻段跳頻。當某一頻段工作不穩定時，系統按照一定規則進行跳頻，更換通訊頻率，再度握手通訊。

（4）讀卡分站與人員標識卡之間雙向數據握手，互相確認對方存在，數據正確。

（5）人員標識卡被讀卡分站正確讀取后，不再繼續讀取，卡片自動關閉。只要在當前讀卡器的尋卡范圍內，本張卡片不再作任何響應，只有其他讀卡分站才能喚醒本張卡片繼續工作。這樣，正確讀取一張人員標識卡就關閉的方式，保證已讀取的人員標識卡不會影響后序人員標識卡的讀取。這樣，無形中增加了并發數量，實際上是讀一張就關閉的方式，不存在并發讀取問題。

（6）按時隙分配上卡周期，減少讀卡沖突次數，類似于手機系統的分時復用概念。在一個時隙周期內，最多只有10張卡片進行反碰撞，這10張反碰撞的人員標識卡，采用CSCD/MA技術，利用在計算機上計算好的偽隨機數序列進行反沖突分配，用盡量亂的數據，在歐氏空間距離上盡量遠的數據進行碰撞。實現反沖突，降低數據沖突的可能性。

（7）人員識別卡在讀卡分站的尋卡范圍內，人員標識卡不斷與讀卡分站交換數據，直到交換成功為至。

（8）容錯能力強，當人員標識卡檢測到干擾后，自動重新復位系統，重新工作。

（9）人員標識卡片具備電壓管理能力，當人員標識卡片電池電壓下降時，及時能過計算機報警使用者更換電池。

（10）靈活的硬件狗能力，當人員標識卡片出現強干擾，程序進入軟件陷井后，自動恢復運行。

（11）低功耗設計

KJ351煤礦井下人員管理系統采用雙向通訊方式，這樣在空間內，因通訊環境不同，波的反射、繞射、折射、衍射等行為，都能影響至通訊距離。形成的讀卡分站與人員標識卡的不對等通訊區域，出現死區內功耗大的情況。如何解決這一問題，我們將通訊范圍分為三個區域。可靠通訊區，不可靠通訊區和不能通訊區。

在不能通訊區和不可靠通訊區，人員標識卡根本不響應讀卡分站的請求。只有在可靠通訊區，讀卡分站才能打開人員標識卡。這樣，在盡量小的讀卡范圍內，盡快讀取人員標識卡數據。讀取完畢后，立即關閉人員標識卡，并且不在響應本讀卡分站的任何指令。直到下一個分站才能喚醒卡片。

經過實際測試結果，本方法省電、上卡可靠。能夠在4.26ms內完成人員標識卡數據交換。實測人員標識卡上卡功耗遠遠小于待機功耗，而待機功耗僅為4uA。

4 結束語

綜上所述。KJ351煤礦井下人員管理系統很好地解決了低功耗、不漏卡問題；該系統采用的遠距離RS485技術能很好地滿足大中型煤礦巷道復雜，傳輸距離遠的問題；采用無線握手通信技術能很好地解決煤礦人員集中、讀卡信息量大等問題，真正做到人員區域性定位，井下區域人數管理，下井總人數管理，帶班領導下井統計等功能。

【參考文獻】

[1]【國家標準】AQ 6210-2007煤礦井下作業人員管理系統通用技術條件[S].2007，03.

[責任編輯：朱麗娜]