基于RFID與CAN的煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究

目前, 煤礦井下普遍存在入井人員管理困難, 管理人員難以及時掌握井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況, 一旦事故發(fā)生, 對井下人員的搶救缺乏可靠信息, 搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低。引入和運(yùn)用煤礦井下人員定位系統(tǒng), 工作人員佩戴的電子標(biāo)簽通過井下監(jiān)控節(jié)點(diǎn)向監(jiān)控中心傳送他們的位置信息, 實(shí)時掌握每個人在井下的位置及活動軌跡, 對煤礦的安全生產(chǎn)將有積極作用, 在一定程度上減少人員傷亡。平時, 上傳的位置信息也可以用做工作人員的考勤記錄。

1　射頻識別技術(shù)

111　射頻識別發(fā)展

RFID是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的新型自動識別技術(shù), 它利用無線傳輸方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信, 進(jìn)而達(dá)到自動識別并交換信息的目的。近年來, 自動識別技術(shù)得到了快速普及和推廣, 自動識別方法多種多樣: 條形碼是一種應(yīng)用廣泛、廉價的自動識別術(shù), 但條形碼信息量小, 不能改寫; 有觸點(diǎn)排的IC卡是電子數(shù)據(jù)載體最普遍的結(jié)構(gòu), 但在許多情況下, 機(jī)械觸點(diǎn)的接通是不可靠的;RF ID卻可以讓物品實(shí)現(xiàn)真正的自動化管理, 其優(yōu)勢非常明顯: 存儲信息量大, 每一個產(chǎn)品擁有獨(dú)一無二的ID號; 讀寫不需要光源, 可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù); 使用壽命長,能在惡劣環(huán)境下工作; 能夠輕易嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品上; 讀取距離更遠(yuǎn), 可以寫入及存取數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的內(nèi)容動態(tài)改變; 能夠同時處理多個標(biāo)簽; 標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存取有密碼保護(hù), 安全性更高; 可以對RF ID標(biāo)簽所附著的物體進(jìn)行追蹤定位。

112　射頻識別系統(tǒng)組成

射頻識別系統(tǒng)主要由Tag、讀寫器、天線等組成, 一般還需要其他軟硬件的支持。
1) 讀寫器。讀寫器可以簡化為兩個基本的功能模塊:高頻接口模塊(發(fā)送器和接收器)和控制單元兩部分。讀寫器讀取電子標(biāo)簽中的信息, 然后將信息發(fā)送到地面監(jiān)控中心。

2) 無源電子標(biāo)簽。電子標(biāo)簽由耦合元件和ASIC ( IC)組成。無源電子標(biāo)簽, 即沒有自己的電源供給的電子標(biāo)簽,由讀寫器發(fā)出的高頻場提供能量。模擬前端配合解調(diào)器從電子標(biāo)簽天線吸收電流, 整流后使電容充電, 再經(jīng)穩(wěn)壓后為電子標(biāo)簽供電。

2　CAN總線技術(shù)
CAN是由ISO定義的串行通訊總線, 最初應(yīng)用在80年代末的汽車工業(yè)里。它具有高位速率、高抗電磁干擾性、高可靠性而且能夠檢測到產(chǎn)生的任何錯誤。CAN在微控制器之間需要互相通信或微控制器和遠(yuǎn)程的外圍器件要互相通信的情況下是一個理想的解決方法, 在各種控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。

CAN采用了新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì), 與RS485相比具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。CAN具有多主節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)特性, 總線利用率高, 數(shù)據(jù)傳輸速度快, 可擴(kuò)充性好,通訊距離長, 加中繼器通訊距離可達(dá)數(shù)十千米, 具有可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制, 個別節(jié)點(diǎn)失效并不影響整個通訊網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行, 實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)。另外, CAN的雙向通信彌補(bǔ)了RS485半雙工通信的缺陷, 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的上傳, 當(dāng)需要時還可以實(shí)時修改井下某監(jiān)控接點(diǎn)信息。比較可知, RS - 485 網(wǎng)絡(luò)除了硬件成本、開發(fā)難度比CAN -bus網(wǎng)絡(luò)稍具優(yōu)勢外其他性能方面都沒有可比性。在產(chǎn)品更新速度特別快的今天, 如果將產(chǎn)品的上市時間, 產(chǎn)品的后期維護(hù)軟件開發(fā)難度等計(jì)算在一起, RS - 485 的硬件成本優(yōu)勢也變得不十分明顯, 因而用CAN 總線取代RS - 485 總線是一種比較徹底的方案。

3　煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

311　定位系統(tǒng)基本構(gòu)成

系統(tǒng)由井上與井下兩部分設(shè)備組成。井上設(shè)備主要由監(jiān)控中心(包括服務(wù)器)及共享網(wǎng)絡(luò)終端等組成; 井下設(shè)備以CAN總線作為主傳輸途徑, 開發(fā)相應(yīng)的煤礦井下人員監(jiān)控節(jié)點(diǎn), 配合天線、電子標(biāo)簽、傳輸介質(zhì)、中繼器R等與監(jiān)控中心掛接, 從而實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)人員的定位和安全管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

312　定位系統(tǒng)工作原理

定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)井下人員及設(shè)備安全監(jiān)測工作。在坑道、作業(yè)面的交叉道口安裝監(jiān)控節(jié)點(diǎn), 入井工作人員按照要求佩戴安裝電子標(biāo)簽的腰帶, 或佩戴裝有電子標(biāo)簽的安全帽。RF ID讀寫器通過固定頻率的射頻載波向電子標(biāo)簽傳送信號, 電子標(biāo)簽(工作人員隨身佩戴)進(jìn)入讀寫器的天線工作區(qū)域后被激活, 并將載有個人信息的射頻信號經(jīng)卡內(nèi)收發(fā)模塊發(fā)射出去; 讀寫器天線接收到電子標(biāo)簽發(fā)來的射頻信號, 經(jīng)過處理后, 提取出個人信息, 通過現(xiàn)場總線送至井上監(jiān)控中心, 記錄井下工作人員經(jīng)過地點(diǎn)、時間、活動軌跡等實(shí)時信息, 還可自動生成考勤作業(yè)的統(tǒng)計(jì)與管理等方面的報(bào)表資料, 提高管理效益。

313　定位系統(tǒng)核心部件—RF ID監(jiān)控節(jié)點(diǎn)

1) RF ID監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)由讀寫器、微控制器(MCU) 、CAN節(jié)點(diǎn)組成。設(shè)計(jì)中讀寫器使用的射頻芯片是R I - STU - 650A, 它具有抗干擾能力強(qiáng)、通信速率高、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。考慮到成本等方面的問題,設(shè)計(jì)時RF ID采用的工作頻率為915MHz, 經(jīng)過試驗(yàn)測試,證明在傳輸距離及數(shù)據(jù)可靠性等方面, 可以達(dá)到本系統(tǒng)的功能要求。讀寫器與微控制器89C51間利用SP I串行接口進(jìn)行通信。CAN 節(jié)點(diǎn)由三部分所構(gòu)成: 獨(dú)立CAN 控制器SJA1000、CAN 驅(qū)動器82C250 和高速光電耦合器6N137,如圖2所示。為了增強(qiáng)CAN 節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力, SJA1000并不是直接與82C250相連, 而是通過高速光耦6N137 與82C250相連, 這樣就很好的實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。

圖2　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)內(nèi)部功能模塊圖

2) RF ID監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)是使用C51和匯編語言混合編程, 包括復(fù)位模塊、防沖突模塊、讀寫模塊、通信模塊, 其流程圖見圖3。當(dāng)Tag被驗(yàn)證為合法時, 讀寫器才正式讀/寫Tag數(shù)據(jù), 經(jīng)過信息處理之后, 由CAN總線上傳到地面監(jiān)控心。當(dāng)Tag被驗(yàn)證為非法時, 讀寫器轉(zhuǎn)到直接復(fù)位應(yīng)答狀態(tài), 等待下次讀寫操作開始。

314　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

1) 考勤管理功能。通過操作平臺專用管理軟件對下井人員進(jìn)行下井次數(shù)、井下停留時間等信息分類統(tǒng)計(jì), 便于考核, 實(shí)現(xiàn)工作人員的考勤統(tǒng)計(jì)管理功能和有關(guān)報(bào)表的打印。

2) 安全保障功能。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中儲存下來的歷史數(shù)據(jù)信息, 可迅速知道井下人員及重要設(shè)備的分布情況, 一旦出現(xiàn)礦井災(zāi)難, 可對現(xiàn)場被困人員進(jìn)行定位和搜尋,便于有效救護(hù)。

圖3　RF ID監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3) 生產(chǎn)調(diào)度功能。通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù), 可以查詢井下人員分布情況并根據(jù)需要迅速進(jìn)行人員調(diào)配, 實(shí)現(xiàn)井下有限資源的優(yōu)化配置, 達(dá)到事半功倍的效果。

4　結(jié)　語
煤礦安全是煤礦生產(chǎn)永恒的主題, 人員監(jiān)控與定位是實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的重要保證之一。為此本文對煤礦人員考勤管理系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)研與分析, 對當(dāng)前的定位技術(shù)進(jìn)行了研究, 提出了一種以RF ID為核心, 以CAN - bus通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的煤礦井下人員定位系統(tǒng)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證, 達(dá)到了預(yù)期的目的, 該系統(tǒng)極大地滿足了實(shí)時掌握煤礦入井人員的動態(tài)分布及安全管理的需要, 可實(shí)現(xiàn)考勤管理功能及
快速指導(dǎo)礦井突發(fā)性事故的救護(hù)工作。