基于RFID的井下人员定位系统.pdf

- 1 - 基于基于 RFID 的井下人员定位系统的井下人员定位系统 丁琳，陈春，杨礼现 中国矿业大学信电学院，徐州221008 E-mailarshage0010 摘摘 要要无线射频得到新的发展和应用，RFID 无线射频识别技术得到越来越广泛的应用， 本文根据矿业生产的特点以及现行比较流行的无线射频技术分析了基于RFID的井下人员定 位系统，在介绍 RFID 的基础上，给出了读写器和身份标签的硬件软件设计，并对构建无线 读写器网络进行叙述。最后对井下人员定位的发展前景进行了阐述。 关键词关键词 RFID，人员定位，无线射频，读写器 中图分类号中图分类号TP212 1. 引言引言 我国是煤炭的生产和消费大国，随着经济的飞速发展，对能源的需求越来越大，而煤炭 是我国能源消费中的主体。占到能源消费总量的 70以上。煤炭工业在经济建设中的地位 很重要。 我国煤炭的开采主要是井下开采。 井下开采煤炭相对于其它职业来说是一个比较高 危险的工作。 井下开采常常因为瓦斯爆炸和透水等事故， 使国家在遭受巨大经济损失的同时 也失去了很多井下作业的工人的生命。 尽管国家大力重视煤炭的安全生产， 但仍然有很多不 确定的因素导致事故的发生。我国是煤炭事故的高发国家。百万吨煤产量的死亡率是 6 人。 这要远远高于其它国家。事故的发生有很多原因，有的甚至是突发的，人力不可避免的。一 旦事故发生， 最主要的任务就是如何快速有序的开展救援工作。 但限于国内煤炭生产的现状， 井上对井下人员的监控还不完善， 对井下人员的分布情况掌握不够清除， 这就给救援工作带 来很大的困难。 无法知道矿工的具体位置情况就无法展开最有效的营救方案， 时间的延误往 往造成工人生命的丢失。 建立一个井下人员定位的系统， 不仅能在事故发生后提供准确的人 员位置情况，帮助积极快速的开展营救，在平时的生产中也能有效的掌握人员分布情况，安 排和调度工作，提高煤炭生产的管理水平[1]。 2. 统整体设计统整体设计 2.1 系统介绍系统介绍 为更好地保障矿井工作人员的安全生产, 实时地掌握矿井下的人员及设备的分布情况 是必须的, 比如, 某时某个矿工在哪个坑道作业。为此, 在每一个坑道的交叉口都因安装读 写器。为了保证定位的精确性，在比较长的巷道，可以适当的分段安装读写器。井下的工作 人员每人随身携带一个标签，每个标签有唯一的 ID 对应相应的人员，在井下各巷道口及巷 道中安装读写器，读写器有不同的地址。适当数量的读写器组成一个井下基站。基站的各个 站点组成 CAN[2]总线网络连接到地面的上位机。当井下工作人员经过读写器的读写区域时， 他们随身的标签会向读写器发送 ID，读写器将收集到的人员 ID 信息发送给基站，上位机发 送命令来获取基站中的人员位置信息。 上位机通过处理信息来判断人员的位置情况。 井下人 员标签和读写器构成了井下硬件网络，上位机软件则是由操作界面和数据库系统组成。 - 2 - 图 1 系统结构图 图 2 井下读写器安装示意图 2.2 系统的实现系统的实现 2.1.1 无线数据的收发无线数据的收发 人员携带身份标签到井下， 在读写区域内， 标签主动发送身份码， 读写器读取身份标签， 并将数据转发到基站存储器内。转发的数据包含的信息有人员身份 ID，读写器的地址 ID。 人员身份 ID 来确定人员身份，读写器 ID 来确定地点，时间来确定人员的行经路线和最新 所处的地点。 2.1.2 井下读写器网络的选择井下读写器网络的选择 为了缩小定位的范围， 就必须尽可能的多安装读写器来细分各巷道段。 但这样以来就增 地面上位机 读写器 1 读写器 n 数据库软件 系统操作界 地面 身份码标签 总线网络 井下 - 3 - 加了节点个数，目前常用的总线网络一般节点数都较少，为了能满足系统的需求，我们采用 将一定数量的读写器先用 RS485 组成小网，设立基站。再将各基站通过 CAN 总线来组成整 个网络。基站将读写器读取并发过来的数据进行收集，再通过 CAN 总线网络将数据传输到 上位机。 2.1.3 人员定位的软件界面人员定位的软件界面 人员定位软件系统由操作界面，以及数据库系统组成。将人员位置信息数据入库，为了 保证人员数据的可靠接收，我们将标签设定成重复发送。这就会带来数据重复的问题，在数 据入库后我们根据时间戳和读写器的 ID 来对数据进行删减，在查询数据里实时的更新每个 人员的位置信息，并且可以通过软件模拟绘图配合 GIS 地理系统图来现实人员所处的位置。 3. 系统的硬件设计系统的硬件设计 3.1 读写器的设计读写器的设计 读写器由无线接收模块，天线，MCU 以及电源组成。天线可采用吸顶式天线安装在巷 道的顶部，电源由防爆电源箱提供。无线收发芯片的选择也是十分重要的工作，目前井下定 位 RFID[3]所采用的通信频率多是 1GHz 以上。这个频道有它的优势就是读写距离远，可是 井下的特殊地理环境使得它的优势不那么明显。 超高频的绕射能力比较差， 最终我们选择的 无线接收模块采用的是 NORDIC 公司的 Nrf9e5[4]芯片，它的工作频率有 433MHz,868MHz 和 915MHz 三种可选择。该芯片的特点有内嵌 8051 单片机，工作电压低，内部有 VDD 电 源监控，极低的功耗，采用载波检测技术，提高了读写的防冲突性和移动标签的读取性。由 于接收的数据不是很复杂，所以对 MCU 的要求不是很高，该芯片就能很好的满足要求。使 读写器的设计更加简单。 图 3 接收芯片的结构图 3.2 标签的设计标签的设计 标签由无线发射芯片，MCU，电源组成。标签的无线发射芯片采用 NORDIC 公司的 - 4 - Nrf905[5]芯片，由于其数据传输接口是 SPI 接口，所以在选取 MCU 是选取有 SPI 总线的 51 单片机。在选取电源时考虑到人员的移动性和标签携带的方便性，所以电源采用纽扣电池， 由于该芯片的供电电压低，而且功耗很低，所以纽扣电池能够满足要求。另外芯片工作时的 电流只有几毫安，所以满足井下安全要求，无需添加防爆外壳，可以使标签体积更小，便于 携带。 图 4 Nrf905 内部结构图 4. 读写器和标签的软件设计读写器和标签的软件设计 4.1 标签程序设计标签程序设计 为了保证人员位置信息不丢失，也就是准确的 被读写器读取，我们将标签设成重复发送方式，根 据读写器安装的距离来设定好适当的时间间隔，这 些通过写芯片配置命令很容易控制，芯片再进入读 写区域内，就开始对信道进行载波检测的监听，如 果信道空闲那么标签就可以发送数据（发射方式为 特有的 ShockBurst 方式），当数据发送完毕时就可 以根据配置命令来判断数据是否重复发送，并做相 应的处理。 图 5 身份 ID 发送流程 - 5 - 4.2 读写器程序设计读写器程序设计 读写器的主要功能就是提供一个能量场， 和标签进行通信。 接收身份标签发送过来的数 据。MCU 初始化后读写芯片就开始进行载波 监听，如果有标签发送数据，在完成载波检测 和地址匹配的判断后就开始接收数据， 芯片具 有自动校验功能，如果校验错误就重新接收。 在完成对数据的正确接收之后， 读写器将数据 发送至基站，再由基站向上位机传送。 5. 结束语结束语 随着无线技术的高速发展， 会在越来越多 的领域得到应用。 井下人员定位的现实意义十 分重大，RFID 技术在井下人员定位中将会得 到很好的利用和发展， 虽然该系统的设计还不 能定位。 现在的技术还达不到能监控人员任意 时刻的精确位置。 要想精确定位首先要实现网 络覆盖，一方面是成本问题，一方面是技术问 题。随着技术的飞速发展，相信会有更好的定 位方案出来。 图 6 读写器接收流程图 参考文献参考文献 [1] 李洪宇．井下人员定位系统[D] ．济南山东科技大学，2004． [2] 迟东民．基于 CAN 总线分布式监控系统的设计与实现[D] ．西安西安电子科技大学，2005． [3] 游战请，李苏剑．无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M] ．电子工业出版社，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． System of Mineworkers Orientation Based on RFID Dinglin，Chen chun，Yang lixiang School of ination and electrical engineering，China university of mining and technology （CUMT，Xuzhou 221008 Abstract Radio frequency has its new development and application. The technology of Radio frequency identify RFID has been used in a large area. This paper analysed a system of mineworker orientation based on RFID according to the specific of mine work and the popular technology of radio frequency. Then we introduced the theory of RFID. And also introduce the hardware and software design of reader and tag. Then we described how to built the wireless network.. At the end we looked forward of RFID’s development and its direction. KeywordsRFID，Mineworker orientation，Radio frequency，Reader，Tag