设有通信分站的矿井人员定位系统设计.docx
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设有通信分站的矿井人员定位系统设计
毕业设计（论文）
设有通信分站的矿井人员定位系统设计
设有通信分站的矿井人员定位系统设计
摘要
随着无线射频识别技术的日益成熟和广泛应用，针对我国目前煤炭行业生产安全现状，将无线射频识别技术应用到井下进行人员跟踪定位，是解决煤矿安全问题的方法之一，也是矿山实现全面提升安全生产信息化管理水平，加强以灾害预防、搜救为主要目标的安全生产长效机制，是我国煤炭行业安全生产工作的必由之路。
本文设计了一种运用RFID技术实现矿井人员定位的系统，整个系统利用RFID技术进行无线数据采集，通过CAN总线将总线信息传输到地面监控主机并组成网络，以实现对井下人员的定位。
该系统的特色是设有通信分站即通信网络采用树型结构，从整体上提高了网络的安全性和实用性。
考虑系统到识别距离和应用环境，RFID采用2.45GHZ的频段，标签设计成主动式。
采用nRF2401射频芯片实现数据的发送和接收，MSP430F2101对射频芯片进行控制，完成标签和阅读器的功能。
本文重点设计了井下网络的硬件部分，包括井下主要传输途径的选择，井下通信分站的硬件设计，井下网络与地面网络的通信接口的设计；在软件方面介绍了防碰撞算法及其种类，文中采用的是动态二进制搜索算法，给出了射频芯片接收发送的流程图及数据库设计的原理。
关键词：
矿井，人员定位，RFID，通信分站
ADesignofRFIDSystemUsedinMineforPersonnelOrientationwithCommunicationBase
Author：
WuWenhuanTutor：
WangFengweng
Abstract
WiththematuremoreandusingwidelyoftheRFIDtechnology，andaccordingtothesafetysituationthatexitsinthecoalfield，itwillbeonevalidwaytosolvethecollierysafetyProblemwithapplyingRFIDtechnologytothemineforpeople`strackingandorientation，itisalsothewaytoimprovethesupervisorylevelofsafeProductionentirely，enhancethe1ong
Systemaimingatpreventingdisasterandsearchingandsaving，itistheonlywayforproducingsafely.
ItrecommendsthedesignoftrackingandorientationsystemformenunderthemineaccordingtoRFIDtechnology.TheentiresystemadoptsRFIDtechnologytocollectdata,andtransmitsinformationtothesupervisingandcontrollingcomputeronthegroundbyCANbus,andcomputersareconstitutedtoanetworktorealizetheinformationsharing,whichcanimplementtheorientationofthemenunderthemine.Thecharacteristicofthissystemisthecommunicationbaseinthenetwork,whichimprovessafetyeconomyutilityinthewhole.Accordingtothedistancethatneedinthesystemandworkingenvironment,theRFIDsystemworksat2.45GHZ,thetagisdesignedofactive.DatacommunicationisimplementedwithnRF2401,whichcontrolsbyMSP430F2101.Thetwomakeupofthetagandreader.
Thethesisdesignsthehardwareofundergroundnetworkmainly.Itincludesthehardwaredesignofcommunicationbaseunderground，andthecommunicationinterfacedesignbetweenunderandonground.Onthesoftwareside,itintroducestheanti-collisionanditsvariety.InthethesisitmakesuseofDynamicBinarySearchAlgorithm.ItalsomakestheRFIDreceiveandsendinformationflowchartandthetheoryaboutDatabase.
KeyWords:
Mine,TrackingandOrientation,RFID,CommunicationBase
1绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1课题的提出
煤炭是国民经济和社会发展的基础，而我国是世界上最大的煤炭生产国，年产量达12亿吨，占世界煤炭总产量的27%，出口量达8000万吨。
同时我国也是煤炭消耗大国，煤炭在我国一次能源生产和消费结构中始终占70%左右，预计到2010年煤炭占60%左右，2050年将占50%左右。
因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。
当前我国经济的快速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。
煤矿井下开采作业相对来说是一种高危险性的生产活动。
据调查近几年煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%。
我国煤炭安全生产现状与一些发达和发展中国家相比差距还比较大，煤矿百万吨死亡率是俄罗斯的10倍，印度的12倍。
初步测算，我国安全生产事故经济损失高达2500多亿元，约占GDP的2%。
可见我国煤矿行业安全生产的形势仍十分严峻，特别是煤矿重大及特大瓦斯灾害事故的发生，不但造成国家财产和人民生命的巨大损失，增加了社会的不稳定因素，更严重影响了我国的国际声誉。
这些事故发生的原因是多方面的，它是煤矿生产过程中存在问题的集中暴露。
既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及企业体制管理不善等因素。
矿难事故发生后，对遇险的井下工作人员生命的抢救成为首要任务，决策指挥人员必须全面分析灾情及其灾变趋势，迅速组织侦察工作，准确探明事故性质、原因、影响范围、遇险人员数量和所在位置，以最快的速度最短的路线进入灾区，营救灾区遇险人员。
然而，目前国内煤矿正在使用的该类监控系统，并不能实时提供井下工作人员的具体位置与分布情况等重要数据，加之井下地形复杂，国内大部分矿井救护技术装备落后，人员素质较低，这些都给侦察工作带来了极大的困难。
特别是在搜寻井下遇险人员的过程中，救护队员只能依靠反映矿井现实情况的有关图纸以及事故现场侦察得来的各种信息展开抢救工作。
在缺乏准确数据的情况下，无法迅速制定出合理、有效的营救方案与措施，结果错失最佳的营救时机，甚至是盲目营救。
面对我国煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进实用技术改造传统产业，增加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效益，是走新型煤炭工业化道路的必然选择。
基于上述原因，本文提出了一种基于RFID射频技术设有通信分站的地下矿井人员定位系统的设计，该系统具有考勤管理功能、安全保障功能、生产调度功能以及信息联网功能，满足现代化矿井的安全监控要求。
1.1.2选题的意义
煤矿的现代化管理和煤矿的安全生产是煤炭行业举足轻重的大事，然而到前为止，我国多数矿井还是依靠传统矿灯管理、领取工作牌等考勤方式来了解井下人员的数量和状况。
随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生产监测应用领域中的不断发展，使如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置得到进一步地解决。
特别是射频识别技术在国内的引进和发展，使得对井下人员进行实时跟踪变得可行。
利用射频识别技术对井下人员进行跟踪定位不仅能方便决策人员快速准确了解井下遇险人员的具体分布位置、赢得抢险时间，还可以用于煤矿的日常考勤、生产调度等方面。
不仅加强了煤炭行业的生产与安全管理，使生产调度及时、准确，更使得煤矿的安全生产保障能力大大提高。
本文设计的方案利用射频识别技术，开发相应的井下人员通信分站，并以CAN总线网络作为主要传输途径，建立一个由井下到井上控制中心的通信网络，通过井下通信分站的无线监测与有线传输，把数据上传到地面控制调度中心，在地面也能及时的了解到井下各个区域的人员状况。
若井下发生突发事故，可立即通过主机实时查出井下各位置的人员状况，这样就能够做出及时的抢救决策，使事故损失降到最低。
而平时此系统可用来指挥生产做出优化决策，使生产指挥高效。
因此，基于射频识别技术的矿井人员定位识别系统的研究具有非常重要的现实意义。
1.2国内煤矿外定位系统研究现状
1.2.1国外研究发展状况
国外煤矿监测技术是20世纪60年代开始发展起来的，至今已有四代产品，基本上5-10年更新一代产品。
从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来划分监测系统发展阶段的。
美国以其拥有的雄厚高新技术优势，率先把计算机技术、大规模集成电路技术、数据通信技术等现代高新科技用于煤矿监测系统，使煤矿监测技术跻身于高科技之列。
这就形成了以分布式微处理机为基础的第四代煤矿监测系统，其中有代表性的是美国MS公司的DAN6400系统。
RFID技术在矿井定位方面的发展十分的迅速。
英国的DavisDerby公司采用最新的无线射频技术开发了专门应用于煤矿井下多标签读取系统;戴维斯德比公司在地面和井RFID系统的开发、生产、销售服务等方面，已拥有十几年的丰富经验川。
2005年9月RFID技术成功应用到了南非的采矿业中，取得了很好的效果。
自从测试安装了第一个系统以来，数据读取成功率是100%，系统能够在连续的基础上跟踪设备和矿工的移动情况。
它不但改良了矿井作业人员的安全机制，设备维护管理的成本效益更优化，而且控制了设备丢失并且更精确地管理设备的使用情况。
1.2.2国内研究现状
我国在监测监控技术起步较晚，自1974年以来，仅有几种单一的瓦斯检测仪器投入使用，为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从波，法，德，英，美等国批量引进了安全监控系统并装备了部分煤矿。
1998年，人同矿务局在人同煤峪口矿安装了中国第一套PED系统。
80年代后期，在引进外国设备的同时，消化、吸收了制造技术，并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出自己的监控系统，如KJI，KJZ，KJ4，A-1，KJ10，KJ11，KJ22，KT，KJ95及焦作工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等，并在我国煤矿大批使用，有的系统已达到国际先进水平。
这些系统主要也是侧重于安全参数的检测，而没有对井下人员进行实时监控。
近几年我国在RFID研究方面也有了较大的发展。
深圳格润特电子有限公司于2003年8月开始研究“矿井人员跟踪定位及考勤管理系统”，于2004年12月通过国家级技术鉴定，在无线双频技术领域达到国内领先水平。
2006年4月，北京维深电子技术有限公司和国家煤炭安全主管部门采用RFID技术，联合开发的井下人员定位系统顺利通过我国煤炭行业安全（MA）认证。
2006年4月，上海派秀电子科技有限公司与国家安全生产监督管理总局通信信息中心，结合长春东煤高技术开发公司的KJ-19传输平台而研制的“井下人员安全定位系统”在山西吕梁柳林矿应用。
2006年6月中国发布了全国乃至全球RFID行业期待的《中国RFID技术政策白皮书》。
从此，中国的RFID产业发展的步伐将正式加速。
该标准的下达必将为煤矿井下人员监测、控制、跟踪以及生产统计管理等方面提供有效的科技支撑，有力推动煤矿企业的经济发展，实现矿山的数字化、信息化。
1.3本设计的内容和结构安排
本文设计的内容分成硬件设计和软件设计两部分，其中硬件设计是主体。
在硬件设计中主要包括了射频通讯模块、通信分站及CAN总线通讯；在软件部分给出了系统中所需的流程图及数据库的基本原理。
论文的结构安排如下：
第一章绪论：
介绍了课题的背景、提出意义及发展现状，提出了本文的研究内容。
第二章射频识别（RFID）系统：
介绍了RFID系统的基本组成、工作原理、工作频率及系统类型。
第三章RFID矿井人员定位系统的总体设计：
给出了系统的总体设计方案和网络架构，介绍了所需的技术和方法。
第四章井下人员定位系统的硬件设计：
从射频识别系统和现场总线两大方面阐述了系统的硬件设计方案。
第五章井下人员定位系统软件设计：
给出了总线通讯和射频识别的软件设计，同时阐述了数据库建立的原理。
2RFID射频识别系统
2.1RFID系统的基本组成
无线射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对被识别物体的自动识别。
典型的射频识别系统一般由以下各个主要部分组成，如图2.1所示。
数据
天
线
电子标签
天
线
阅读器
上位机
能量
时序
图2.1RFID的基本模型图
（l）电子标签
电子标签是射频系统真正的数据载体，由模拟前端、用于存储有关应用标识信息的存储器（一般采用EEPROM）及微电子芯片组成。
电子标签的基本组成如图2.2所示。
模拟前端包括射频收发天线、负责将射频信号转换成DC电源的电源产生电路、电能存储电路、信号调制和解调以及时钟发生电路。
微控制器负责读写控制、访问控制、模拟前端控制以及EEPROM控制，实现对解调信号译码，以及回送数据的编码。
微
调
控
制
器MCU
图2.2电子标签基本组成
电子标签一般分为有源电子标签和无源电子标签，无源电子标签在读出器的响应范围之外是处于无源状态，只有在响应范围之内，这类电子标签才会从读写器的射频场中获取能量，激活系统开始工作。
这类电子标签工作所需要的能量是通过电磁耦合单元或天线，以非接触的方式传送给电子标签的。
有源电子标签具有自己的供电电源，其它电路与无源电子标签相同。
有源电子标签通常有部分电路处于工作状态，有时被称为处于“睡眠”状态。
当耦合的能量超过某一值时，有源电子标签才真正开始工作。
在睡眠状态有源电子标签的功耗很小，因此一个拇指大小的钮扣电池可以保持很长的工作时间。
与有源电子标签相比，无源电子标签的寿命一般可长达几十年。
电子标签电路由以下几部分组成:
天线、模拟电路、数字电路以及存贮器等组成。
天线用于发射和接收电磁波;模拟电路主要是由检波电路和调制电路组成，用于获取直流能量并将相关信息通过调制发送出去:
数字电路是电子标签的大脑用于控制相关协议、指令及相关处理功能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能。
（2）读写器
读写器的基本任务是启动数据载体（电子标签）与其进行数据交换来实现非接触无线通信。
读写器和电子标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时读写器通过耦合给无源电子标签提供能量和时序。
另外，读写器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正等功能。
通常RRID系统的读写器可以简化为三大基本功能模块:
由发送器和接收器组成的高频接口模块、控制单元以及与外界其它设备通信所需的各种标准接口USB接口、Rs232接口、Rs485接口、与Internet连接的网口等）。
读写器的基本组成如图2.3所示。
数据
ASIC
加密
接收
地址
发送
图2.3读写器基本电路
阅读器各个模块的功能如下：
高频接口
读写器高频接口模块的主要功能为:
产生高频发射能量，激活标签并为其提供能量;对发射信号进行调制，用于将数据传物给标签;接收并解调来自标签的射频信号。
控制单元
控制单元主要功能为:
与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动作指令;控制与标签的通信过程;信号的编码与解码;执行防碰撞算法;对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密;进行读写器和标签之间的身份验证。
标准接口
应用系统与读出器之间的数据交换通常是通过RS232或RS485串口进行的，其通信协议一般是在标准协议的基础上进行自定义的协议。
在射频识别系统中，除了具有基本的以上两个组成部分外，为了能更好地完成无线射频识别技术的识读功能，还需要用到中间件、外部计算机（上位机主系统）等附属设备。
2.2射频识别系统工作原理
射频识别技术的基本模型如图2.1所示。
电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合;在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。
在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一定的时序方式来实现数据的交换。
因此，在RFID工作的空间通道中存在三种事件模型:
以能量提供为基础的时间模型，以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型，以数据交换为目的的事件模型。
发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。
（1）电感耦合。
变压器模型，通过空间高频交变磁场实现祸合，依据的是电磁感应定律，如图2.4所示。
（2）电磁反向散射耦合。
雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律，如图2.5所示。
图2.4电感耦合图2.5电磁耦合
电感藕合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。
典型的工作频率有125kHz，225kHz，13.56MHz。
识别作用距离小于lm，典型作用距离为10-20cm。
电磁反向散射藕合方式一般适合高频、微波工作的远距离射频识别系统。
典型的工作频率有:
43MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。
识别作用距离大于lm，典型作用距离为3-10m。
2.3RFID射频识别系统工作频率
射频识别系统的工作频率是射频识别技术最基本的技术参数之一。
工作频率的选择在很大程度上决定了射频标签的应用范围、技术可行性以及系统成本的高低。
射频识别系统归根到底是一种无线电传播系统，必须占据一定的空间通信信道。
在空间通信信道中，射频信号只能以电磁耦合或电磁波耦合的方式表现出来，因此射频系统的性能必定要受到电磁波空间传输特性的影响。
对于一个RFID系统来说，它的频段概念是指读写器通过天线发送、接收并识读的标签信号频率范围。
从应用概念上来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重要的特点之一。
它不仅决定着射频识别系统工作原理、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。
射频识别系统属于无线电的应用范畴，因此不能干扰到其他系统的正常工作。
工业、科学和医疗使用的频率范围（ISM）通常是局部的无线电通信频段，因此，通常情况下，无线射频使用的频段也是ISM频段，可以划分成几个频段，各个频段的对比如下表2.1所示。
表2.1射频识别使用频段对比图
频率
低频（LF）
高频（HF）
超高频（UHF）
微波（WF）
载波频率
135KHz
13.56MHz
860-930MHz
2.45GHz
国家和地区
所有
大多数
大多数
大多数
数据传输速率
低（8kbps）
高（64kbps）
高（64kbps）
高（64kbps）
识别速度
低（<1m/s）
中（<5m/s）
高（<50m/s）
中（<10m/s）
标签结构
线圈
印刷线圈
双极天线
线圈
传播性能
可穿透导体
可穿透导体
线性传输
反射传输
防冲撞性能
有限
好
好
好
设别距离
<60cm
10cm-1.0m
1-6m
25-50cm（被动式）
1-15m（主动式）
从表2.1可以看出射频识别的频段主要划分成4个部分，根据其特性适用于不同的射频识别系统，本论文中采用微波频段，选择原因在下文中阐述。
2.4RFID射频识别的系统类型
根据RFID系统完成的应用功能不同，可以粗略地把RFID应用系统分成四种类型:
EAS系统、便携式数据采集系统、网络系统、定位系统。
1、EAS系统
ELECTRONICARTICLESURVEILLANCE（EAS）是一种设置在需要控制物品出入门口的RFID技术。
这种技术的典型应用场合是商店、图书馆、数据中心等地方，当未被授权的人从这些地方非法取走物品时，EAS系统会发出警告。
在应用EAS技术时，首先在物品上粘附EAS标签，当物品被正常购买或者合法移出时，在结算处通过一定的装置使EAS标签失活，物品就可以取走。
物品经过装有EAS系统的门口时，EAS装置能自动检测标签的活动性，发现活动性标签EAS系统会发出警告。
EAS技术的应用可以有效防止物品的被盗，不管是大件的商品，还是很小的物品。
应用EAS技术，物品不用再锁在玻璃橱柜里，可以让顾客自由地观看、检查商品，这在自选日益流行的今天有着非常重要的现实意义。
典型的EAS系统一般由三部分组成，
（1）附着在商品上的电子标签，电子传感器;
（2）电子标签灭活装置，以便授权商品能正常出入;（3）监视器，在出口造成一定区域的监视空间。
2.便携式数据采集系统
便携式数据采集系统是使用带有RFID识读器的手持式数据采集器采集RFID标签上的数据。
这种系统具有比较大的灵活性，适用于不宜安装固定式RFID系统的应用环境。
手持式阅读器（数据输入终端）可在读取数据的同时，通过无线电波数据传输方法（RFDC）实时地向主计算机系统传输数据，也可以暂时将数据存储在阅读器中，再一批一批地向主计算机系统传输数据。
3.物流控制系统
在物流控制系统中，固定布置的RFID读写器分散布置在给定的区域，并且读写器直接与数据管理信息系统相连，射频识别标签是移动的，一般安装在移动的物体、人上面。
当物体、人流经过读写器时，读写器会自动扫描标签上的信息并把数据信息输入数据管理信息系统进行存储、分析、处理，达到控制物流的目的。
4.定位系统
定位系统用于自动化加工系统中的定位以及对车辆、轮船等进行定位支持。
在射频识别标签上存储有唯一的识别信息，读写器收到数据后一般通过无线的方式或者有线的方式连接主信息管理系统以实现定位功能。
由此分析可见，用RFID技术实现煤矿井下人员跟踪定位系统属于RFID应用系统中的定位系统。
3RFID矿井人员定位系统的总体设计
3.1定位系统的总体设计思想
本文设计的系统主要用于井下人员定位跟踪，由标签、阅读器、通信分站、数据传输接口、CAN总线网络、地面监控中心组成。
在井下入口、巷道、作业面的交叉道口等需要监控的主要位置安装一定数量的检测站点，工作人员按照要求佩戴装有应答标签的腰带下井作业。
当井下人员经过井下安装阅读器发射天线的工作区时，装在腰带内的射频
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