基于RFID 的井下人員定位系統(tǒng)

1. 引言

我國(guó)是煤炭的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)能源的需求越來(lái)越大，而煤炭是我國(guó)能源消費(fèi)中的主體。占到能源消費(fèi)總量的70%以上。煤炭工業(yè)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位很重要。我國(guó)煤炭的開(kāi)采主要是井下開(kāi)采。井下開(kāi)采煤炭相對(duì)于其它職業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較高危險(xiǎn)的工作。井下開(kāi)采常常因?yàn)橥咚贡ê屯杆仁鹿剩箛?guó)家在遭受巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)也失去了很多井下作業(yè)的工人的生命。盡管?chē)?guó)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(guó)是煤炭事故的高發(fā)國(guó)家。百萬(wàn)噸煤產(chǎn)量的死亡率是6 人。這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它國(guó)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(kāi)展救援工作。但限于國(guó)內(nèi)煤炭生產(chǎn)的現(xiàn)狀，井上對(duì)井下人員的監(jiān)控還不完善，對(duì)井下人員的分布情況掌握不夠清除，這就給救援工作帶來(lái)很大的困難。無(wú)法知道礦工的具體位置情況就無(wú)法展開(kāi)最有效的營(yíng)救方案，時(shí)間的延誤往往造成工人生命的丟失。建立一個(gè)井下人員定位的系統(tǒng)，不僅能在事故發(fā)生后提供準(zhǔn)確的人員位置情況，幫助積極快速的開(kāi)展?fàn)I救，在平時(shí)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(jì)

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(shí)時(shí)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(shí)某個(gè)礦工在哪個(gè)坑道作業(yè)。為此, 在每一個(gè)坑道的交叉口都因安裝讀寫(xiě)器。為了保證定位的精確性，在比較長(zhǎng)的巷道，可以適當(dāng)?shù)姆侄伟惭b讀寫(xiě)器。井下的工作人員每人隨身攜帶一個(gè)標(biāo)簽，每個(gè)標(biāo)簽有唯一的ID 對(duì)應(yīng)相應(yīng)的人員，在井下各巷道口及巷道中安裝讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器有不同的地址。適當(dāng)數(shù)量的讀寫(xiě)器組成一個(gè)井下基站?；镜母鱾€(gè)站點(diǎn)組成CAN[2]總線網(wǎng)絡(luò)連接到地面的上位機(jī)。當(dāng)井下工作人員經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)區(qū)域時(shí)，他們隨身的標(biāo)簽會(huì)向讀寫(xiě)器發(fā)送ID，讀寫(xiě)器將收集到的人員ID 信息發(fā)送給基站，上位機(jī)發(fā)送命令來(lái)獲取基站中的人員位置信息。上位機(jī)通過(guò)處理信息來(lái)判斷人員的位置情況。井下人員標(biāo)簽和讀寫(xiě)器構(gòu)成了井下硬件網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)軟件則是由操作界面和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成。

2.2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 
2.1.1 無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā) 
人員攜帶身份標(biāo)簽到井下，在讀寫(xiě)區(qū)域內(nèi)，標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送身份碼，讀寫(xiě)器讀取身份標(biāo)簽， 并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站存儲(chǔ)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(xiě)器的地址ID。人員身份ID 來(lái)確定人員身份，讀寫(xiě)器ID 來(lái)確定地點(diǎn)，時(shí)間來(lái)確定人員的行經(jīng)路線和最新所處的地點(diǎn)。 

2.1.2 井下讀寫(xiě)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(xiě)器來(lái)細(xì)分各巷道段。但這樣以來(lái)就增加了節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，目前常用的總線網(wǎng)絡(luò)一般節(jié)點(diǎn)數(shù)都較少，為了能滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求，我們采用將一定數(shù)量的讀寫(xiě)器先用RS485 組成小網(wǎng)，設(shè)立基站。再將各基站通過(guò)CAN 總線來(lái)組成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)?；緦⒆x寫(xiě)器讀取并發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，再通過(guò)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。 
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(kù)系統(tǒng)組成。將人員位置信息數(shù)據(jù)入庫(kù)，為了保證人員數(shù)據(jù)的可靠接收，我們將標(biāo)簽設(shè)定成重復(fù)發(fā)送。這就會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)重復(fù)的問(wèn)題，在數(shù)據(jù)入庫(kù)后我們根據(jù)時(shí)間戳和讀寫(xiě)器的ID 來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行刪減，在查詢(xún)數(shù)據(jù)里實(shí)時(shí)的更新每個(gè)人員的位置信息，并且可以通過(guò)軟件模擬繪圖配合GIS 地理系統(tǒng)圖來(lái)現(xiàn)實(shí)人員所處的位置。 

3. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 

3.1 讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì) 
讀寫(xiě)器由無(wú)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(wú)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(gè)頻道有它的優(yōu)勢(shì)就是讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)，可是井下的特殊地理環(huán)境使得它的優(yōu)勢(shì)不那么明顯。超高頻的繞射能力比較差，最終我們選擇的無(wú)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(diǎn)有內(nèi)嵌8051 單片機(jī)，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(cè)技術(shù)，提高了讀寫(xiě)的防沖突性和移動(dòng)標(biāo)簽的讀取性。由于接收的數(shù)據(jù)不是很復(fù)雜，所以對(duì)MCU 的要求不是很高，該芯片就能很好的滿(mǎn)足要求。使讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。

3.2 標(biāo)簽的設(shè)計(jì) 
標(biāo)簽由無(wú)線發(fā)射芯片，MCU，電源組成。標(biāo)簽的無(wú)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(jī)。在選取電源時(shí)考慮到人員的移動(dòng)性和標(biāo)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(mǎn)足要求。另外芯片工作時(shí)的電流只有幾毫安，所以滿(mǎn)足井下安全要求，無(wú)需添加防爆外殼，可以使標(biāo)簽體積更小，便于攜帶。

4. 讀寫(xiě)器和標(biāo)簽的軟件設(shè)計(jì) 

4.1 標(biāo)簽程序設(shè)計(jì) 
為了保證人員位置信息不丟失，也就是準(zhǔn)確的被讀寫(xiě)器讀取，我們將標(biāo)簽設(shè)成重復(fù)發(fā)送方式，根據(jù)讀寫(xiě)器安裝的距離來(lái)設(shè)定好適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔，這些通過(guò)寫(xiě)芯片配置命令很容易控制，芯片再進(jìn)入讀寫(xiě)區(qū)域內(nèi)，就開(kāi)始對(duì)信道進(jìn)行載波檢測(cè)的監(jiān)聽(tīng)，如果信道空閑那么標(biāo)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(shí)就可 以根據(jù)配置命令來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否重復(fù)發(fā)送，并做相 應(yīng)的處理。 

4.2 讀寫(xiě)器程序設(shè)計(jì) 
讀寫(xiě)器的主要功能就是提供一個(gè)能量場(chǎng)，和標(biāo)簽進(jìn)行通信。接收身份標(biāo)簽發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。MCU 初始化后讀寫(xiě)芯片就開(kāi)始進(jìn)行載波監(jiān)聽(tīng)，如果有標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)，在完成載波檢測(cè)和地址匹配的判斷后就開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，芯片具有自動(dòng)校驗(yàn)功能，如果校驗(yàn)錯(cuò)誤就重新接收。在完成對(duì)數(shù)據(jù)的正確接收之后，讀寫(xiě)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，再由基站向上位機(jī)傳送。 

5. 結(jié)束語(yǔ) 

隨著無(wú)線技術(shù)的高速發(fā)展，會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。井下人員定位的現(xiàn)實(shí)意義十分重大，RFID 技術(shù)在井下人員定位中將會(huì)得到很好的利用和發(fā)展，雖然該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還不能定位。現(xiàn)在的技術(shù)還達(dá)不到能監(jiān)控人員任意時(shí)刻的精確位置。要想精確定位首先要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，一方面是成本問(wèn)題，一方面是技術(shù)問(wèn)題。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，相信會(huì)有更好的定位方案出來(lái)。

參考文獻(xiàn) 
[1] 李洪宇．《井下人員定位系統(tǒng)》[D] ．濟(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)》[D] ．西安：西安電子科技大學(xué)，2005． 
[3] 游戰(zhàn)請(qǐng)，李蘇劍．《無(wú)線射頻識(shí)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．