基于RFID与CAN的煤矿井下人员定位系统研究

1　射频识别技术

1.1 射频识别发展
    RFID是20世纪90年代兴起的一种非接触式的新型自动识别技术, 它利用无线传输方式进行双向数据通信, 进而达到自动识别并交换信息的目的。近年来, 自动识别技术得到了快速普及和推广, 自动识别方法多种多样: 条形码是一种应用广泛、廉价的自动识别术, 但条形码信息量小, 不能改写; 有触点排的IC卡是电子数据载体最普遍的结构, 但在许多情况下, 机械触点的接通是不可靠的;RF ID却可以让物品实现真正的自动化管理, 其优势非常明显: 存储信息量大, 每一个产品拥有独一无二的ID号; 读写不需要光源, 可以透过外部材料读取数据; 使用寿命长,能在恶劣环境下工作; 能够轻易嵌入或附着在不同形状、类型的产品上; 读取距离更远, 可以写入及存取数据, 实现标签的内容动态改变; 能够同时处理多个标签; 标签的数据存取有密码保护, 安全性更高; 可以对RF ID标签所附着的物体进行追踪定位。

1.2　射频识别系统组成
    射频识别系统主要由Tag、读写器、天线等组成, 一般还需要其他软硬件的支持。
    1） 读写器。读写器可以简化为两个基本的功能模块:高频接口模块（发送器和接收器）和控制单元两部分。读写器读取电子标签中的信息, 然后将信息发送到地面监控中心。
    2） 无源电子标签。电子标签由耦合元件和ASIC （ IC）组成。无源电子标签, 即没有自己的电源供给的电子标签,由读写器发出的高频场提供能量。模拟前端配合解调器从电子标签天线吸收电流, 整流后使电容充电, 再经稳压后为电子标签供电。

2　CAN总线技术
    CAN是由ISO定义的串行通讯总线, 最初应用在80年代末的汽车工业里。它具有高位速率、高抗电磁干扰性、高可靠性而且能够检测到产生的任何错误。CAN在微控制器之间需要互相通信或微控制器和远程的外围器件要互相通信的情况下是一个理想的解决方法, 在各种控制系统得到了广泛应用。

    CAN采用了新技术及独特的设计, 与RS485相比具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN具有多主节点的网络特性, 总线利用率高, 数据传输速度快, 可扩充性好,通讯距离长, 加中继器通讯距离可达数十千米, 具有可靠的错误处理和检错机制, 个别节点失效并不影响整个通讯网络的运行, 实时性好等优点。另外, CAN的双向通信弥补了RS485半双工通信的缺陷, 不仅能够实现位置信息的上传, 当需要时还可以实时修改井下某监控接点信息。比较可知, RS - 485 网络除了硬件成本、开发难度比CAN -bus网络稍具优势外其他性能方面都没有可比性。在产品更新速度特别快的今天, 如果将产品的上市时间, 产品的后期维护软件开发难度等计算在一起, RS - 485 的硬件成本优势也变得不十分明显, 因而用CAN 总线取代RS - 485 总线是一种比较彻底的方案。

3　煤矿井下人员定位系统设计

3.1　定位系统基本构成
    系统由井上与井下两部分设备组成。井上设备主要由监控中心（包括服务器）及共享网络终端等组成; 井下设备以CAN总线作为主传输途径, 开发相应的煤矿井下人员监控节点, 配合天线、电子标签、传输介质、中继器R等与监控中心挂接, 从而实现井下作业人员的定位和安全管理。系统网络结构如图1所示。

3.2　定位系统工作原理
    定位系统主要实现井下人员及设备安全监测工作。在坑道、作业面的交叉道口安装监控节点, 入井工作人员按照要求佩戴安装电子标签的腰带, 或佩戴装有电子标签的安全帽。RF ID读写器通过固定频率的射频载波向电子标签传送信号, 电子标签（工作人员随身佩戴）进入读写器的天线工作区域后被激活, 并将载有个人信息的射频信号经卡内收发模块发射出去; 读写器天线接收到电子标签发来的射频信号, 经过处理后, 提取出个人信息, 通过现场总线送至井上监控中心, 记录井下工作人员经过地点、时间、活动轨迹等实时信息, 还可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表资料, 提高管理效益。 [page]

3.3　定位系统核心部件—RF ID监控节点
    1） RF ID监控节点硬件设计。监控节点由读写器、微控制器（MCU） 、CAN节点组成。设计中读写器使用的射频芯片是R I - STU - 650A, 它具有抗干扰能力强、通信速率高、功耗低、性能稳定等优点。考虑到成本等方面的问题,设计时RF ID采用的工作频率为915MHz, 经过试验测试,证明在传输距离及数据可靠性等方面, 可以达到本系统的功能要求。读写器与微控制器89C51间利用SP I串行接口进行通信。CAN 节点由三部分所构成: 独立CAN 控制器SJA1000、CAN 驱动器82C250 和高速光电耦合器6N137,如图2所示。为了增强CAN 节点的抗干扰能力, SJA1000并不是直接与82C250相连, 而是通过高速光耦6N137 与82C250相连, 这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。

    2） RFID监控节点软件设计。监控节点单片机软件设计是使用C51和汇编语言混合编程, 包括复位模块、防冲突模块、读写模块、通信模块, 其流程图见图3。当Tag被验证为合法时, 读写器才正式读/写Tag数据, 经过信息处理之后, 由CAN总线上传到地面监控心。当Tag被验证为非法时, 读写器转到直接复位应答状态, 等待下次读写操作开始。

3.4　系统实现的主要功能
    1） 考勤管理功能。通过操作平台专用管理软件对下井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统计, 便于考核, 实现工作人员的考勤统计管理功能和有关报表的打印。
    2） 安全保障功能。系统根据数据库中储存下来的历史数据信息, 可迅速知道井下人员及重要设备的分布情况, 一旦出现矿井灾难, 可对现场被困人员进行定位和搜寻,便于有效救护。

    3） 生产调度功能。通过调用数据库中的数据, 可以查询井下人员分布情况并根据需要迅速进行人员调配, 实现井下有限资源的优化配置, 达到事半功倍的效果。

4 结语
    煤矿安全是煤矿生产永恒的主题, 人员监控与定位是实现煤矿安全生产的重要保证之一。为此本文对煤矿人员考勤管理系统进行了调研与分析, 对当前的定位技术进行了研究, 提出了一种以RF ID为核心, 以CAN - bus通信网络为纽带的煤矿井下人员定位系统。经过试验验证, 达到了预期的目的, 该系统极大地满足了实时掌握煤矿入井人员的动态分布及安全管理的需要, 可实现考勤管理功能及快速指导矿井突发性事故的救护工作。