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射频技术在煤矿人员定位系统上的应用 高宇 长春工业大学 机电学院，吉林 长春 130012 摘要 介绍了一种基于 MSP430 系列单片机和无线收发芯片 nRF2401 /nRF2402 组成的可移动 RFID 无线射频技术在煤矿人员定位系统上的应用。主要针对射频识别系统进行软硬件设计， 射 频识别系统包括标识卡和读卡分站， 标识卡内存数据以调幅的形式发射给读卡分站， 读卡分站将 数据接收并还原传输到地面电脑进行了设计。 关键词 RFID; 无线; 射频; MSP430; nRF2401 中图分类号 TD76文献标识码 B 文章编号 1003 － 496X 2010 12 － 0064 － 03 煤矿井下人员跟踪定位管理系统是集计算机软 硬件、 信息采集处理、 无线数据传输、 网络数据通讯、 自动控制等技术多学科综合应用为一体的自动识别 信息技术产品。 RFID 无线射频技术是通过对煤矿井下巷道内 远距离移动目标进行非接触式信息采集处理， 实现 对人、 车、 物在不同状态下的自动识别从而实现目标 的自动化管理。 1系统组成及功能 1． 1系统组成 系统主要由地面设备和井下设备 2 部分组成。 地面设备包括计算机、 打印机、 信息传输接口和线路 避雷器等; 井下由读卡分站、 标识卡、 电缆组成。信 息传输接口的作用是既与计算机通讯， 还和读卡分 站通讯。线路避雷器的作用是防止地面通讯线路被 雷击后， 损坏系统设备。井下读卡分站的作用是， 接 收携卡人员的信号， 并传到地面。标识卡具有唯一 编号， 每人各携带 1 个。系统组成框图如图 1。 图 1系统组成框图 1． 2系统主要功能 1 实时井下人员动态显示功能。查询人员姓 名， 实时查询某区域人员数量; 记录有关人员考勤， 可以督促和落实重要巡查人员是否按时、 到点的进 行实地查看， 或进行各项数据的检测和处理。 2 丰富的地图功能。具有放大、 缩小、 移动、 标尺测距、 视野控制、 中心移动、 土层控制、 地图打印 等功能。 3 禁区报警功能。对于指定的禁区， 如果有 人员进入， 实时声音报警， 并显示进入禁区的人员。 4 人员轨迹查询。可查找某个人在某个时间 段内所经历的路径， 并在图中画出线路轨迹。 5 丰富的人员下井考勤能力。可对出入井人 员进行统计， 实现下井人员考勤记录， 建立人员出入 井的各种信息报表 如 下井时间报表、 出勤月报 表、 加班报表、 缺勤报表等等 。 6 灾后急救信息。一旦发生各类事故， 煤矿下 工作人员按下报警案件使系统进入紧急报警状态。 进入紧急报警状态后， 读卡分站蜂鸣器响， 上位机上 显示出事故地点的人员数量等信息， 大大提高抢险 效率和救护效果。 7 射频标识卡的双向通信。一旦煤矿工作人 员被困井下后， 上位机可通过读卡分站与标识卡进 行通信， 使标识卡能够具有接受信号的功能， 以便于 营救被困人员。 8 标识卡采用跳频点或者固定频点频率实现 可靠的全 /半双工通信。 2无线标识卡 无线标识卡由单片机 MSP430F1101A 和无线 46 煤 矿 安 全 Total 434技术经验 发送芯片 nRF2402 构成， 它是 1 种有源射频标识 卡， 采用本安电路设计， 最大特点是多个标识卡可在 较大的范围内同时被识别。无线识别卡使用的是由 挪威 NORDIC 公司出品的 nRF2402 芯片， 功耗非常 低， 以 － 5 dBm 的功率发射时， 工作电流只有 10． 5 mA， 接收时工作电流只有 18 mA。无线标识卡原理 框图如图 2。 图 2无线标识卡原理框图 根据 nRF2401 /2402 的 Datasheet， 其发射功率 为 0 dBm， 接收灵敏度在数据传输率为 250 kbps 时 为 － 90 dBm， 在 1 Mbps 时为 － 80 dBm。传输率为 250 kbps 和 1 Mbps 时的通信距离可按下式计算 〔Los〕 32． 44 20lgd 20lgf 1 式 1 即为自由空间下电波传播的损耗公式。 式中， 〔Los〕 为传输损耗， dB; d 为传输距离， km; f 为 工作频率， MHz。 发射功率 0 dBm， 接收灵敏度 － 80 dBm， 〔Los〕 80 dBm， 将〔Los〕 80 dBm 和 f 2 400 MHz 代入 式 1 ， 计算通信距离 d 0． 1 km 100 m 。考虑各 种干扰， 可以得出室内传输距离在 30 ～ 40 m。 3读卡分站 无线读卡分站由单片机 MSP430F133 、 无线接 收器 nRF2401 、 时钟芯片 PCF8563 、数据存储器 24C256 构成。它是一种射频电子标识卡的识别 设备。读卡分站电路原理框图如图 3。 图 3读卡分站电路原理框图 无线读卡分站电路以 2． 4 GHz 射频电路和高性 能 CPU 为核心， 2． 4 GHz 射频电路集成了蓝牙物理 层和高级数据链协议， CPU 采用 TI 系列功能强大的 16 位超低功耗单片机， 无线读卡分站电路自动识别 无线标识卡的 ID 号并产生中断， CPU 读取 ID 后， 使 用实时芯片 PCF8563 读取系统时间， 通过 I2C 总 线数据传送协议， 传给数据存储器 24C256 实现永 久记忆和上传上位机显示。 4读卡分站的软件设计 系统在软件设计上采用模块化设计， 具体可分 为如下子模块 初始化模块、 系统设置模块、 自检模 块、 数据压缩、 发送模块、 接收模块等。 读卡分站上电后， 单片机程序首先从单片机内 部集成的 EEPROM 中读取系统设置的信息。 地址为 0 的字节 S System Byte 记录了整个系 统的状态。主板带有 JTAG 接口， 可通过并口下载 电缆将最新的程序写入系统进行升级。 对每 1 台读卡分站的 nRF2401 芯片设置“地 址” ， 当标识卡 nRF2402 发送的数据包中的地址与 读卡分站 nRF2401 中设置的地址一致时， 数据才被 接收。 井下人员携带的标识卡每隔 400 ms 主动发射 2． 4 GHz GFSK 射频信号， 读卡分站接收并传到地面 主机。图 4 读卡分站程序流程图。 图 4读卡分站程序流程图 56 技术经验煤 矿 安 全 2010 － 12 复合顶板开切眼高强度锚杆支护技术 李承军 1， 2， 朱守颂1 ， 姜 光 1 1． 中国矿业大学 矿业工程学院， 江苏 徐州 221008; 2． 安徽恒源煤电股份有限公司 恒源煤矿， 安徽 淮北 235162 摘要 为了解决恒源煤矿Ⅱ6119 工作面开切眼跨度大、 复合顶板下沿空掘巷支护问题， 在保证 上覆围岩整体结构稳定的基础上， 采用高强度锚杆加强对顶板围岩及沿空煤柱的控制， 确定了合 理的支护参数。实验结果表明， 通过高强度锚杆有效保证了顶板围岩与煤柱的稳定， 顶板离层不 大， 支护效果好。 关键词 开切眼; 复合顶板; 沿空掘巷; 高强锚杆 中图分类号 TD353 ． 6文献标识码 B文章编号 1003 － 496X 2010 12 － 0066 － 03 0引言 锚杆支护的主动、 及时支护与棚式支架被动支 护相比， 显著的提高了巷道支护效果， 其中， 锚杆支 护在工作面开切眼中的应用， 加快了工作面设备的 安装速度， 简化了工作面端头的支护工艺， 为工作面 的顺利回采提供了保障 〔1 － 2〕。恒源煤矿由于前期巷 道布置原因， Ⅱ6119 工作面开切眼为沿空巷道， 顶 板压力显现比较明显， 且煤层顶底板岩层发育一定 程度的离层裂隙， 进一步增加了顶板管理的难度。 因此选择合理的支护形式及参数， 对减少矿压对顶 板造成的危害， 实现工作面的安全回采起到了重要 的作用 〔3 － 4〕。 1工程概况 Ⅱ6119 工作面位于 － 600 m 水平， 倾斜长 1 160 m， 走向宽 142 m， 该工作面开切眼与 6516 工作面采 空区相邻， 属大跨度沿空掘巷施工， 巷道布置如图 1。 开切眼所处的 6 煤层为结构简单、 稳定的中厚 煤层， 煤层倾角平均约 7， 平均煤厚 2． 81 m， 在煤层 上 0． 5 ～ 1． 0 m 的泥岩中， 发育一层或数层煤线形成 的复合顶板， 极易发生离层。顶底板情况见表 1。 根据煤层赋存条件， 开切眼断面设计为斜矩形 断面， 掘进断面宽度 6． 4 m， 高帮 3． 0 m， 低帮 2． 4 m， 走向长度 142 m， 采用机掘二次成巷的掘进方式 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 。 5结语 煤矿事故比较频繁， 因此从国家到地方各级领 导都十分重视煤矿的安全生产和下井人员的管理。 但如何迅速寻找灾后井下被困人员也是一个亟待解 决的问题， RFID 射频技术很好地解决了人员定位问 题， 通过该技术能及时、 准确的将井下各个区域人员 及设备的动态情况反映到地面计算机系统， 使管理 人员能够随时掌握井下人员、 设备的分布状况和每 个矿工的运动轨迹， 以便于进行更加合理的调度管 理。当事故发生时， 救援人员也可根据煤矿人员管 理系统所提供的数据、 图形， 迅速了解有关人员的位 置情况， 及时采取相应的救援措施， 提高应急救援工 作的效率。因此该技术在煤矿人员管理系统中必将 起到重要作用。 参考文献 〔1〕 秦龙． MSP430 单片机应用系统开发典型实例〔M〕 ． 北京 中国电力出版社， 2005 97 － 103． 〔2〕 宁焕生， 张彦． RFID 产品研发及生产关键技术〔M〕 ． 北京 机械工业出版社， 2007 74 － 69． 〔3〕 郎为民． 射频识别技术原理与应用〔M〕 ． 北京 机械工 业出版社， 2006 87 － 96． 〔4〕 王德银， 张晨． MSP430 系列单片机实用 C 语言程序 设计 〔M〕 ． 北京 人民邮电出版社， 2005 203 － 218． 作者简介 高宇 1963 － ， 男， 长春工业大学讲师。 收稿日期 2010 － 05 － 25; 责任编辑 霍玉川 66 煤 矿 安 全 Total 434技术经验