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基于RFID 的井下人員定位系統(tǒng)
作者：中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院 丁琳 陳春 楊禮現(xiàn)
來源：RFID世界網(wǎng)
日期：2007-12-13 17:32:29
摘要：無線射頻得到新的發(fā)展和應(yīng)用，RFID 無線射頻識別技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用，本文根據(jù)礦業(yè)生產(chǎn)的特點以及現(xiàn)行比較流行的無線射頻技術(shù)分析了基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)，在介紹RFID 的基礎(chǔ)上，給出了讀寫器和身份標簽的硬件軟件設(shè)計，并對構(gòu)建無線讀寫器網(wǎng)絡(luò)進行敘述。最后對井下人員定位的發(fā)展前景進行了闡述。
1. 引言
我國是煤炭的生產(chǎn)和消費大國，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對能源的需求越來越大，而煤炭是我國能源消費中的主體。占到能源消費總量的70%以上。煤炭工業(yè)在經(jīng)濟建設(shè)中的地位很重要。我國煤炭的開采主要是井下開采。井下開采煤炭相對于其它職業(yè)來說是一個比較高危險的工作。井下開采常常因為瓦斯爆炸和透水等事故，使國家在遭受巨大經(jīng)濟損失的同時也失去了很多井下作業(yè)的工人的生命。盡管國家大力重視煤炭的安全生產(chǎn)，但仍然有很多不確定的因素導(dǎo)致事故的發(fā)生。我國是煤炭事故的高發(fā)國家。百萬噸煤產(chǎn)量的死亡率是6 人。這要遠遠高于其它國家。事故的發(fā)生有很多原因，有的甚至是突發(fā)的，人力不可避免的。一旦事故發(fā)生，最主要的任務(wù)就是如何快速有序的開展救援工作。但限于國內(nèi)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀，井上對井下人員的監(jiān)控還不完善，對井下人員的分布情況掌握不夠清除，這就給救援工作帶來很大的困難。無法知道礦工的具體位置情況就無法展開最有效的營救方案，時間的延誤往往造成工人生命的丟失。建立一個井下人員定位的系統(tǒng)，不僅能在事故發(fā)生后提供準確的人員位置情況，幫助積極快速的開展營救，在平時的生產(chǎn)中也能有效的掌握人員分布情況，安排和調(diào)度工作，提高煤炭生產(chǎn)的管理水平[1]。
2. 統(tǒng)整體設(shè)計
2.1 系統(tǒng)介紹
為更好地保障礦井工作人員的安全生產(chǎn), 實時地掌握礦井下的人員及設(shè)備的分布情況是必須的, 比如, 某時某個礦工在哪個坑道作業(yè)。為此, 在每一個坑道的交叉口都因安裝讀寫器。為了保證定位的精確性，在比較長的巷道，可以適當(dāng)?shù)姆侄伟惭b讀寫器。井下的工作人員每人隨身攜帶一個標簽，每個標簽有唯一的ID 對應(yīng)相應(yīng)的人員，在井下各巷道口及巷道中安裝讀寫器，讀寫器有不同的地址。適當(dāng)數(shù)量的讀寫器組成一個井下基站。基站的各個站點組成CAN[2]總線網(wǎng)絡(luò)連接到地面的上位機。當(dāng)井下工作人員經(jīng)過讀寫器的讀寫區(qū)域時，他們隨身的標簽會向讀寫器發(fā)送ID，讀寫器將收集到的人員ID 信息發(fā)送給基站，上位機發(fā)送命令來獲取基站中的人員位置信息。上位機通過處理信息來判斷人員的位置情況。井下人員標簽和讀寫器構(gòu)成了井下硬件網(wǎng)絡(luò)，上位機軟件則是由操作界面和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。
2.1.1 無線數(shù)據(jù)的收發(fā)
人員攜帶身份標簽到井下，在讀寫區(qū)域內(nèi)，標簽主動發(fā)送身份碼，讀寫器讀取身份標簽， 并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站存儲器內(nèi)。轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包含的信息有人員身份ID，讀寫器的地址ID。人員身份ID 來確定人員身份，讀寫器ID 來確定地點，時間來確定人員的行經(jīng)路線和最新所處的地點。
2.1.2 井下讀寫器網(wǎng)絡(luò)的選擇
為了縮小定位的范圍，就必須盡可能的多安裝讀寫器來細分各巷道段。但這樣以來就增加了節(jié)點個數(shù)，目前常用的總線網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點數(shù)都較少，為了能滿足系統(tǒng)的需求，我們采用將一定數(shù)量的讀寫器先用RS485 組成小網(wǎng)，設(shè)立基站。再將各基站通過CAN 總線來組成整個網(wǎng)絡(luò)。基站將讀寫器讀取并發(fā)過來的數(shù)據(jù)進行收集，再通過CAN 總線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。
2.1.3 人員定位的軟件界面
人員定位軟件系統(tǒng)由操作界面，以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。將人員位置信息數(shù)據(jù)入庫，為了保證人員數(shù)據(jù)的可靠接收，我們將標簽設(shè)定成重復(fù)發(fā)送。這就會帶來數(shù)據(jù)重復(fù)的問題，在數(shù)據(jù)入庫后我們根據(jù)時間戳和讀寫器的ID 來對數(shù)據(jù)進行刪減，在查詢數(shù)據(jù)里實時的更新每個人員的位置信息，并且可以通過軟件模擬繪圖配合GIS 地理系統(tǒng)圖來現(xiàn)實人員所處的位置。
3. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1 讀寫器的設(shè)計
讀寫器由無線接收模塊，天線，MCU 以及電源組成。天線可采用吸頂式天線安裝在巷道的頂部，電源由防爆電源箱提供。無線收發(fā)芯片的選擇也是十分重要的工作，目前井下定位RFID[3]所采用的通信頻率多是1GHz 以上。這個頻道有它的優(yōu)勢就是讀寫距離遠，可是井下的特殊地理環(huán)境使得它的優(yōu)勢不那么明顯。超高頻的繞射能力比較差，最終我們選擇的無線接收模塊采用的是NORDIC 公司的Nrf9e5[4]芯片，它的工作頻率有433MHz,868MHz 和915MHz 三種可選擇。該芯片的特點有內(nèi)嵌8051 單片機，工作電壓低，內(nèi)部有VDD 電源監(jiān)控，極低的功耗，采用載波檢測技術(shù)，提高了讀寫的防沖突性和移動標簽的讀取性。由于接收的數(shù)據(jù)不是很復(fù)雜，所以對MCU 的要求不是很高，該芯片就能很好的滿足要求。使讀寫器的設(shè)計更加簡單。
標簽由無線發(fā)射芯片，MCU，電源組成。標簽的無線發(fā)射芯片采用NORDIC 公司的Nrf905[5]芯片，由于其數(shù)據(jù)傳輸接口是SPI 接口，所以在選取MCU 是選取有SPI 總線的51單片機。在選取電源時考慮到人員的移動性和標簽攜帶的方便性，所以電源采用紐扣電池， 由于該芯片的供電電壓低，而且功耗很低，所以紐扣電池能夠滿足要求。另外芯片工作時的電流只有幾毫安，所以滿足井下安全要求，無需添加防爆外殼，可以使標簽體積更小，便于攜帶。
4.1 標簽程序設(shè)計
為了保證人員位置信息不丟失，也就是準確的被讀寫器讀取，我們將標簽設(shè)成重復(fù)發(fā)送方式，根據(jù)讀寫器安裝的距離來設(shè)定好適當(dāng)?shù)臅r間間隔，這些通過寫芯片配置命令很容易控制，芯片再進入讀寫區(qū)域內(nèi)，就開始對信道進行載波檢測的監(jiān)聽，如果信道空閑那么標簽就可以發(fā)送數(shù)據(jù)（發(fā)射方式為 特有的ShockBurst 方式），當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時就可 以根據(jù)配置命令來判斷數(shù)據(jù)是否重復(fù)發(fā)送，并做相 應(yīng)的處理。
讀寫器的主要功能就是提供一個能量場，和標簽進行通信。接收身份標簽發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。MCU 初始化后讀寫芯片就開始進行載波監(jiān)聽，如果有標簽發(fā)送數(shù)據(jù)，在完成載波檢測和地址匹配的判斷后就開始接收數(shù)據(jù)，芯片具有自動校驗功能，如果校驗錯誤就重新接收。在完成對數(shù)據(jù)的正確接收之后，讀寫器將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，再由基站向上位機傳送。
隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展，會在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。井下人員定位的現(xiàn)實意義十分重大，RFID 技術(shù)在井下人員定位中將會得到很好的利用和發(fā)展，雖然該系統(tǒng)的設(shè)計還不能定位?，F(xiàn)在的技術(shù)還達不到能監(jiān)控人員任意時刻的精確位置。要想精確定位首先要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，一方面是成本問題，一方面是技術(shù)問題。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，相信會有更好的定位方案出來。
參考文獻
[1] 李洪宇．《井下人員定位系統(tǒng)》[D] ．濟南：山東科技大學(xué)，2004．
[2] 遲東民．《基于CAN 總線分布式監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)》[D] ．西安：西安電子科技大學(xué)，2005．
[3] 游戰(zhàn)請，李蘇劍．《無線射頻識別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用》[M] ．電子工業(yè)出版社，2004 .10．
[4] NPRDIC．nRF9E5 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，January 2004．
[5] NPRDIC．Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF905 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，Jun 2004．
我國是煤炭的生產(chǎn)和消費大國，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對能源的需求越來越大，而煤炭是我國能源消費中的主體。占到能源消費總量的70%以上。煤炭工業(yè)在經(jīng)濟建設(shè)中的地位很重要。我國煤炭的開采主要是井下開采。井下開采煤炭相對于其它職業(yè)來說是一個比較高危險的工作。井下開采常常因為瓦斯爆炸和透水等事故，使國家在遭受巨大經(jīng)濟損失的同時也失去了很多井下作業(yè)的工人的生命。盡管國家大力重視煤炭的安全生產(chǎn)，但仍然有很多不確定的因素導(dǎo)致事故的發(fā)生。我國是煤炭事故的高發(fā)國家。百萬噸煤產(chǎn)量的死亡率是6 人。這要遠遠高于其它國家。事故的發(fā)生有很多原因，有的甚至是突發(fā)的，人力不可避免的。一旦事故發(fā)生，最主要的任務(wù)就是如何快速有序的開展救援工作。但限于國內(nèi)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀，井上對井下人員的監(jiān)控還不完善，對井下人員的分布情況掌握不夠清除，這就給救援工作帶來很大的困難。無法知道礦工的具體位置情況就無法展開最有效的營救方案，時間的延誤往往造成工人生命的丟失。建立一個井下人員定位的系統(tǒng)，不僅能在事故發(fā)生后提供準確的人員位置情況，幫助積極快速的開展營救，在平時的生產(chǎn)中也能有效的掌握人員分布情況，安排和調(diào)度工作，提高煤炭生產(chǎn)的管理水平[1]。
2. 統(tǒng)整體設(shè)計
2.1 系統(tǒng)介紹
為更好地保障礦井工作人員的安全生產(chǎn), 實時地掌握礦井下的人員及設(shè)備的分布情況是必須的, 比如, 某時某個礦工在哪個坑道作業(yè)。為此, 在每一個坑道的交叉口都因安裝讀寫器。為了保證定位的精確性，在比較長的巷道，可以適當(dāng)?shù)姆侄伟惭b讀寫器。井下的工作人員每人隨身攜帶一個標簽，每個標簽有唯一的ID 對應(yīng)相應(yīng)的人員，在井下各巷道口及巷道中安裝讀寫器，讀寫器有不同的地址。適當(dāng)數(shù)量的讀寫器組成一個井下基站。基站的各個站點組成CAN[2]總線網(wǎng)絡(luò)連接到地面的上位機。當(dāng)井下工作人員經(jīng)過讀寫器的讀寫區(qū)域時，他們隨身的標簽會向讀寫器發(fā)送ID，讀寫器將收集到的人員ID 信息發(fā)送給基站，上位機發(fā)送命令來獲取基站中的人員位置信息。上位機通過處理信息來判斷人員的位置情況。井下人員標簽和讀寫器構(gòu)成了井下硬件網(wǎng)絡(luò)，上位機軟件則是由操作界面和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。
2.1.1 無線數(shù)據(jù)的收發(fā)
人員攜帶身份標簽到井下，在讀寫區(qū)域內(nèi)，標簽主動發(fā)送身份碼，讀寫器讀取身份標簽， 并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站存儲器內(nèi)。轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包含的信息有人員身份ID，讀寫器的地址ID。人員身份ID 來確定人員身份，讀寫器ID 來確定地點，時間來確定人員的行經(jīng)路線和最新所處的地點。
2.1.2 井下讀寫器網(wǎng)絡(luò)的選擇
為了縮小定位的范圍，就必須盡可能的多安裝讀寫器來細分各巷道段。但這樣以來就增加了節(jié)點個數(shù)，目前常用的總線網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點數(shù)都較少，為了能滿足系統(tǒng)的需求，我們采用將一定數(shù)量的讀寫器先用RS485 組成小網(wǎng)，設(shè)立基站。再將各基站通過CAN 總線來組成整個網(wǎng)絡(luò)。基站將讀寫器讀取并發(fā)過來的數(shù)據(jù)進行收集，再通過CAN 總線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。
2.1.3 人員定位的軟件界面
人員定位軟件系統(tǒng)由操作界面，以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。將人員位置信息數(shù)據(jù)入庫，為了保證人員數(shù)據(jù)的可靠接收，我們將標簽設(shè)定成重復(fù)發(fā)送。這就會帶來數(shù)據(jù)重復(fù)的問題，在數(shù)據(jù)入庫后我們根據(jù)時間戳和讀寫器的ID 來對數(shù)據(jù)進行刪減，在查詢數(shù)據(jù)里實時的更新每個人員的位置信息，并且可以通過軟件模擬繪圖配合GIS 地理系統(tǒng)圖來現(xiàn)實人員所處的位置。
3. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1 讀寫器的設(shè)計
讀寫器由無線接收模塊，天線，MCU 以及電源組成。天線可采用吸頂式天線安裝在巷道的頂部，電源由防爆電源箱提供。無線收發(fā)芯片的選擇也是十分重要的工作，目前井下定位RFID[3]所采用的通信頻率多是1GHz 以上。這個頻道有它的優(yōu)勢就是讀寫距離遠，可是井下的特殊地理環(huán)境使得它的優(yōu)勢不那么明顯。超高頻的繞射能力比較差，最終我們選擇的無線接收模塊采用的是NORDIC 公司的Nrf9e5[4]芯片，它的工作頻率有433MHz,868MHz 和915MHz 三種可選擇。該芯片的特點有內(nèi)嵌8051 單片機，工作電壓低，內(nèi)部有VDD 電源監(jiān)控，極低的功耗，采用載波檢測技術(shù)，提高了讀寫的防沖突性和移動標簽的讀取性。由于接收的數(shù)據(jù)不是很復(fù)雜，所以對MCU 的要求不是很高，該芯片就能很好的滿足要求。使讀寫器的設(shè)計更加簡單。
標簽由無線發(fā)射芯片，MCU，電源組成。標簽的無線發(fā)射芯片采用NORDIC 公司的Nrf905[5]芯片，由于其數(shù)據(jù)傳輸接口是SPI 接口，所以在選取MCU 是選取有SPI 總線的51單片機。在選取電源時考慮到人員的移動性和標簽攜帶的方便性，所以電源采用紐扣電池， 由于該芯片的供電電壓低，而且功耗很低，所以紐扣電池能夠滿足要求。另外芯片工作時的電流只有幾毫安，所以滿足井下安全要求，無需添加防爆外殼，可以使標簽體積更小，便于攜帶。
4.1 標簽程序設(shè)計
為了保證人員位置信息不丟失，也就是準確的被讀寫器讀取，我們將標簽設(shè)成重復(fù)發(fā)送方式，根據(jù)讀寫器安裝的距離來設(shè)定好適當(dāng)?shù)臅r間間隔，這些通過寫芯片配置命令很容易控制，芯片再進入讀寫區(qū)域內(nèi)，就開始對信道進行載波檢測的監(jiān)聽，如果信道空閑那么標簽就可以發(fā)送數(shù)據(jù)（發(fā)射方式為 特有的ShockBurst 方式），當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時就可 以根據(jù)配置命令來判斷數(shù)據(jù)是否重復(fù)發(fā)送，并做相 應(yīng)的處理。
讀寫器的主要功能就是提供一個能量場，和標簽進行通信。接收身份標簽發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。MCU 初始化后讀寫芯片就開始進行載波監(jiān)聽，如果有標簽發(fā)送數(shù)據(jù)，在完成載波檢測和地址匹配的判斷后就開始接收數(shù)據(jù)，芯片具有自動校驗功能，如果校驗錯誤就重新接收。在完成對數(shù)據(jù)的正確接收之后，讀寫器將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，再由基站向上位機傳送。
隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展，會在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。井下人員定位的現(xiàn)實意義十分重大，RFID 技術(shù)在井下人員定位中將會得到很好的利用和發(fā)展，雖然該系統(tǒng)的設(shè)計還不能定位?，F(xiàn)在的技術(shù)還達不到能監(jiān)控人員任意時刻的精確位置。要想精確定位首先要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，一方面是成本問題，一方面是技術(shù)問題。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，相信會有更好的定位方案出來。
參考文獻
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[3] 游戰(zhàn)請，李蘇劍．《無線射頻識別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用》[M] ．電子工業(yè)出版社，2004 .10．
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[5] NPRDIC．Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF905 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，Jun 2004．
