（信号与信息处理专业论文）rfid在煤矿系统中的应用.pdf

摘 要 i rfid 在煤矿系统中的应用在煤矿系统中的应用 作者简介：徐广伟 男，1984 年 2 月出生，2007 年 9 月师从于成都理工大学 陈金鹰教授，于 2010 年 6 月获工学硕士学位。 摘要摘要 本文针对如何建立一套有效的煤矿人员定位与管理系统进行了深入研究， 结 合矿井实际情况和 rfid 技术优势设计了煤矿井下人员定位与管理系统，并完成 了相应的硬件与软件设计。该煤矿井下人员定位与管理系统是集自动控制技术、 rfid 技术、网络通讯技术等多学科综合应用为一体的自动识别信息系统。该系 统是通过对坑道远距离移动目标进行非接触式信息采集处理， 实现了人在不同状 况移动、静止下的自动识别，从而实现对目标的自动管理。 本文主要从以下几个方面进行了研究。首先，对国内外 rfid 技术的发展和 应用进行了前瞻性研究，结合煤矿的实际情况和所面临的问题，通过 rfid 技术、 嵌入式技术和 can 通信技术，提出在井下关键部位安装 rfid 读卡器监测点，读 卡器把监测到的标签数据通过 can 总线网络传到地面管理中心的系统方案。 其次，系统由硬件设计、软件设计和有源标签设计等部分组成，硬件设计主 要由控制模块，can 通信模块，射频模块、电源模块、指示模块、显示模块和 rs-232/rs-485 串口通信模块等组成。其中控制模块采用的是 philips 公司的 lpc2119 arm7 芯片，该芯片具有 spi 接口和集成了 2 路 can 控制器，spi 接口用 来与射频部分通信，can 控制器用来往上位机上传数据；射频模块采用的是使用 nordic 公司的 nrf24l01 2.45g 射频芯片；串口通信模块有 rs-232 和 rs-485 两 种串口通信，其中 rs-232 采用的是 maxim 公司的 max3232ecae，rs-485 则采用 的 maxim 公司的 max13085ecsa； can 通信模块采用防电隔离的收发芯片 ctm8251； 指示与显示模块的硬件设计主要采用了 led 与液晶来进行设计，指示模块用 led 灯来指示阅读器运行状态，电源状态，通信指示等，显示模块采用液晶来显示基 本信息，包括煤矿名称、巷道名称、阅读器的分机号、读到标签的数据、实时时 间等。 软件设计同样有射频软件设计、指示与显示软件设计、can 通信软件设计等 等。该部分主要对射频软件设计和 can 通信软件设计进行了研究。射频软件设计 部分主要介绍了射频芯片工作模式转换，接收射频数据的软件设计，发送射频数 据的软件设计，还有与 mcu 通信的 spi 接口程序的编写；can 通信的软件设计主 要研究了 fullcan 函数库， 以及 can 通信中初始化程序设计， 接收数据软件设计， 发送数据软件设计和中断函数的程序编写。 其中 fullcan 函数库有 5 个头文件和 2 个源文件组成。 成都理工大学硕士学位论文 ii 有源标签设计采用的是 ti 公司的 msp430 系列超低功耗单片机和 nrf24l01 射频芯片进行设计。有源标签是主动式标签，相对无源标签，读写距离更远，漏 读误读概率更低。最后系统进行了功能测试，经测试系统运行安全可靠，实现了 功能要求，达到了设计目标。 关键词：rfid 煤矿 定位 abstract iii the application of rfid in coal mine system introduction of author：xu guangwei，male，born in february of 1984，in september 2007 at the chengdu university of technology where studied under professor chen jinying, was granted the master of engineering in june 2010. abstract this article studies about how to create an effective positioning and management system for mine personnel conducted in-depth, combined with the actual situation and rfid technology advantages, design a location and the mine personnel management system, and completed the appropriate hardware and software design. this is an automatic identification of information system which combined with positioning and automatic control technology, rfid technology and network communication technology and other disciplines into one integrated application. the system through the tunnel distance target acquisition and processing of non-contact information, to achieve a movement in different situations, still under the automatic identification, in order to achieve the target of automated management. this article studied from the following aspects. first, studied domestic and foreign development and application of rfid technology, combined with the actual situation of coal mines and the problems, through rfid technology, embedded technology and can communications technology, made a key part in the underground installation of rfid readers monitoring points, reader to tag data to monitor the can bus via the network management center to the ground system solutions. second, the system consists of hardware design, software design and active components such as label design, hardware design mainly by the control module, can communication module, rf modules, power modules, direct modules, display modules and rs-232/rs-485 serial communication modules and other components. control module which is philips lpc2119 arm7 chip, the chip with spi interface and a can controller integrated 2-way, spi interfaces used with the rf part of the communication, can controller is used to upload data up-bit machine; rf module used of nrf24l01 2.45g rf chip which produced by the nordic company; serial communication module with rs-232 and rs-485 two serial communication, rs-232 which is used in maxims max3232ecae, rs-485 is adopted in maxims 成都理工大学硕士学位论文 iv max13085ecsa; can communication module using anti-isolation of the transceiver chip ctm8251; the hardware design of instructions and display module using led and lcd , instruction modules with led lights to indicate reader operation status, power status, communication instruction, using liquid crystal display module to display the basic information, instructions, including the name of mine , roadway name, extension reader, read the label data, real time. display module through lcd demonstrate basic information, including the mine name, gallery name, extension reader, read the label data, real time and so on. software design consist of a radio frequency software design, instruction and display software design, can communication software design and so on. in this part, the rf communication software design and can communication software design were studied. rf software design introduces the radio frequency chip mode conversion, radio frequency data receiver software design, software design to send rf data, as well as communication with the mcu spi interface program of preparation; can communication software design of the fullcan main library, and initialize the can communication procedures designed to receive data software design, software design and send data interrupt programming functions. of which there are five tall library files and two source files. active tags design uses tis msp430 family of ultra-low power mcu and nrf24l01 rf chip. active tags compare with passive tags, readers farther, lower the probability of leakage reading misreading. finally the system of functional tests, tested the system safe and reliable operation, implemented functional requirements, meet the design objectives. key words：rfid coal mine location 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 成都理工大 学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 成都理工大学 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 年 月 日 第 1 章 引言 1 第第 1 章章 引引 言言 目前 rfid 技术发展迅猛，为设计识别系统提供了方便。rfid 是一种非接触 式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工 作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。rfid 技术可识别高速运动物体并可 同时识别多个标签，操作快捷方便。rfid 技术的基本工作原理并不复杂，其主 要组成部分包括读写器和射频卡两部分。读写器和射频卡之间通过无线方式通 信，因此它们都有无线收发模块及天线（或感应线圈） 。射频卡中有存储器，内 存容量为几个比特到几千比特，可以存储永久性数据和非永久性数据。永久性数 据可以是射频卡序列号，它是用来作为射频卡的唯一身份标识，不能更改非永久 性数据写在 eeprom 等可重写的存储器内，用来存储用户数据。射频卡进入磁场 后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片 中的产品信息（passive tag，无源标签或被动标签） ，或者主动发送某一频率的 信号（active tag，有源标签或主动标签） 。读写器读取信息并解码后，通过通 信模块送至中央信息系统进行有关数据处理。 rfid 在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战期间，当时的功能是 用于分辨出敌方。飞机上装有高耗电量的主动式卷标，当雷达发出询问的讯号， 这些卷标就会发出适当的响应，藉以识别出是友军还是敌军。此系统称为 iff （identify:friend or foe） 。目前世界上的飞安管制系统仍是以此为概念。 rfid 直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的 aidc 新技术 rfid 技术。1948 年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识 别 rfid 的理论基础。 rfid 技术发展的历程表。在 20 世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科 学技术发展最重要的成就之一。rfid 技术的发展可按 10 年期划分如下： 1941-1950 年，雷达的改进和应用催生了 rfid 技术，1948 年奠定了 rfid 技 术的理论基础。 1951-1960 年，早期的 rfid 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1961-1970 年，rfid 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1971-1980 年，rfid 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种 rfid 技术 测试得到加速，出现了一些最早的 rfid 应用。 1981-1990 年， rfid 技术及产品进入商业应用阶段， 各种规模应用开始出现。 1991-2000 年，rfid 技术标准化问题日趋得到重视，rfid 产品得到广泛应 用，rfid 产品逐渐成为人们生活的一部分。 目前，美国国防部已经在内部采用这种技术来跟踪 40 万种物品，包括空运 货物集装箱和“悍马”防弹越野车，2003 年 9 月，国防部向供应商也发出了一 成都理工大学硕士学位论文 2 份像沃尔玛那样的通告，要求供应商到 2005 年要采用 rfid 技术。1999 年，美 国麻省理工学院的自动识别技术中心（auto-id center）成立，我国的复旦大学 也成立了该实验室。 欧洲 rfid 市场发展迅速，在 2008 年增至 44.5 亿英镑。目前每年交易的零 售商品总量达到 2600 亿件，在这个数字中，2010 年会有 5%的产品采用 rfid 标 签。欧洲最大的 rfid 市场应该是在德国，预计德国采用 rfid 标签的零售商品数 量将达到 6 亿件，紧随德国之后的是法国和英国，两国采用 rfid 标签的零售商 品数量预计大约在 5 亿件左右，由此可以看出欧洲 rfid 市场的巨大商机。 下面从欧洲 rfid 的产品研发能力和具体应用两方面来进行分析： （1）技术方面 欧洲的许多厂家都致力于发展 rfid 相关技术，也取得了巨大成功，如 philips、stmicroelectronics 在积极开发廉价 rfid 芯片；checkpoint 在开发 支持多系统的 rfid 识别系统； 诺基亚在开发基于 rfid 的移动电话购物系统； sap 则在积极开发支持 rfid 的企业应用管理软件。 在 rfid 芯片设计与制造方面，上海华虹、上海复旦微电子、上海贝岭、北 京华大、大唐微电子、深圳毅能达等企业已涉足；在天线设计与制造方面，中国 电子科技集团第五十研究所等专业院所正在对不同频段的天线进行研究； 在读写 设备方面，上海华申智能、深圳远望谷等，已经开发出 900mhz 电子标签超高频 的读写器；在系统集成和数据管理软件平台方面，上海交通大学和 auto-id 中国 实验室已和 sap 合作，正在进行电子标签中间件的开发；在应用系统开发方面， 行业内的应用占绝大多数，涉足的厂商众多。主要厂商集中于北京、上海、广东 三地。其中，上海发展最快，整个 rfid 产业链已经初步形成。 （2）应用方面 欧洲在交通、身份识别、生产线自动化控制、物资跟踪等封闭系统与美国基 本处在同一阶段。目前，欧洲许多大型企业纷纷进行 rfid 的应用实验。例如麦 德龙，欧洲零售商和服装公司 karstadt、lemmifashions、marks 每次往缓冲区中写数据后把 writepoint 加 1。 每次往缓冲区中读数据后把 readpoint 加 1。 writepoint 与 readpoint 不相等或者缓冲区满表示缓冲区中有可用数据。 writepoint 和 readpoint 超过指定长度时要清 0。 writepoint 加 1 后与 readpoint 具有相同的数值表示缓冲已满，这时 fullflag 要置 1。 这样定义使用规则可以使这个缓冲成为一个 fifo 环形缓冲，环形缓冲示意 图中每一个小格表示一个接收帧结构。 在 下 面 接 收 帧 的 结 构 定 义 中 ， 小 格 的 数 目 由 配 置 文 件 中 的 use_can_cycrcv_buf_size 决定。一旦接收到数据，立即往缓冲区中存放，等到 空闲时再处理。缓冲区的长度根据实际情况而定，多了会造成资源浪费，太少又 有丢失数据的危险。 接收帧结构定义； typedef struct _stcrxbuf_ ucanrfs canrcvfs； ucanrid rxcanid； ucanrdx rda； ucanrdx rdb； *p_stcrxbuf，stcrxbuf； 根据缓冲区的使用，编写接收函数，接收程序流程图如 5-20 所示。 成都理工大学硕士学位论文 46 数据写入缓冲区 开始 缓冲区是 否有空间 写指针加1后 是否超出范围 释放接收寄存器 写指针是否 赶上读指针 结束 缓冲区满 标志置1 写指针清0 y y y n n n 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 writepoint 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 writepoint 图图 5 5- -20 20 接收程序流程图 5.2.2.3 发送模块 发送程序的设计方法与接收程序刚好相反， 也就是说先向发送寄存器中写入 要发送的数据，然后启动发送。 arm can 中为了提高大量数据的发送效率，每个 can 控制器配有 3 个独立的 发送缓冲寄存器， 发送时要根据缓冲区的实际情况有选择性的把数据写入 3 个发 送缓冲之一。所以设计发送程序时必须要先判断哪个缓冲区是空闲的，再把数据 写进去。在设计中，首先判断第 1 缓冲区，只有它在锁定或正在发送数据时才判 断第 2 个、第 3 个。 由于接收到的数据结构与 can 发送结构不同， 所以接收到的数据要进行格式 的转换才能写进 can 的发送数据缓冲，即使是 can 的接收结构，与 can 发送结构 也不完全相同，同样需要数据转换而不能直接赋值。 can 在启动发送前需指定具体的发送缓冲和发送命令字，发送程序流程图如 5-21 所示。 第 5 章 rfid 读卡器软件设计 47 5.2.2.4 中断模块 arm-can 的中断源比较多，如果每种中断源都分配一个向量中断可能造成向 量中断入口浪费，况且在 can 的众多中断中，真正需要处理的中断相当少。通常 的处理方法是把 arm-can 的中断定义成非向量中断， 让所有中断都进入非中断向 量入口，在中断程序中读取中断标志，再判断是哪种中断，然后根据具体情况加 以处理。实际上，除了接收中断、数据溢出中断和总线错误中断需要处理之外， 其他 can 中断都可以不作处理。 在需要处理的中断中， 最严重的是总线错误中断， 它很有可能会引发总线关闭。但是 can 总线极少出现这种情况，不是很严重的错 误一般不会引起总线错误。其他中断都属于通知性中断，不处理它们也不会产生 什么错误， 但是仍然要重视这些次要的中断， 因为它们从侧面反映总线上的情况。 y y 图图 5 5- -21 21 can 发送程序 数据格式转换 返回 “发送失败” 数据写入相应发送 缓冲区并启动发送 数据写出第 1 缓冲区 返回 “成功发送” 数据写出第 2 缓冲区 数据写出第 3 缓冲区 n n 开始 第 2 缓冲区是 否可用？ 第 3 缓冲区 是否可用？ 第 1 缓冲区是 否可用？ 结束 y n 成都理工大学硕士学位论文 48 第第 6 章章 读卡器读卡器功能调试功能调试 系统设计最后完成了硬件、软件和标签等部分的设计，其中读卡器如图 6-1 所示。 图图 6 6- -1 1 读卡器图 在图 6-1 中，读卡器有 2 路 can 通信接口，一路 rs-485 接口，一路 rs-232 接口，电源接口等等，具有设计要求的全部功能模块，且软件功能全部实现。 系统设计完成以后，在读卡器煤矿系统中对 rfid 卡数据的读取与传输进行 测试。测试器材有 rfid 读卡器（本设计） ，rfid 卡 5 张，can 转 rs232 器件 1 个，电脑 1 台。测试软件为串口调试助手 v2.0。测试步骤： 220v 电源 适配器 +5v rfid读卡器 天线 射频电缆 双绞钱 can转rs-232 串口线 计算机 标签 图图 6 6- -2 2 测试连接图 第 6 章 读卡器功能调试 49 （1） 按照图 6-2 连接线路， can-h 与 can-h 相接， can-l 与 can-l 相接， can 转 rs232 串口与电脑串口连接。 （2）打开串口调试助手 v2.0 软件，波特率选择 57600，选 com1,数据位 8 位，停止位为 1。 （3）rfid 卡装上电池，rfid 读卡器上电。观察数据。 图图 6 6- -3 3 测试结果图 通过上面是的测试方法，连续测试了 4 台读卡器对 5 个标签的数据读取，且 每台读卡器每秒对 5 个 rfid 卡进行一次数据读取，其测试结果如下表。 表表 6 6- -1 1 读卡器在煤矿中测试数据 测试读卡 器 标签个数 测试时间 (小时) 读卡次数 误读漏读 次数 误读漏读 率 1 5 120 432000 6 1.38*e-3% 2 5 120 432000 7 1.62*e-3% 3 5 120 432000 7 1.62*e-3% 4 5 120 432000 5 1.16*e-3% 从表6-1测试结果中可以看出， 对每台读卡器120个小时连续不间断的测试， 读卡次数达 432000 次，只出现了 5-7 次的误读漏读，因此可以看出系统在环境 恶劣的煤矿中经过长时间运行，其功能稳定，而且误读、漏读概率很低。达到了 设计目的。 成都理工大学硕士学位论文 50 总总 结结 本设计来源于成都理工大学矿山灾害预警与救助新技术体系研发基地项 目，本项目是以研究有源 rfid 产品，开发出实用的“煤矿安全生产管理系统” 。 利用超长距离 rfid 系统实现井下人员定位管理系统，解决了系统读卡距离、读 卡速度、卡的电池使用寿命和定位卡尺寸的实际应用问题。项目的成功实施，极 大地提高矿井人员管理的科学性和有效性，有效杜绝超员超时开采，提高煤矿安 全管理能力。 本系统利用 rfid 技术、嵌入式技术和 can 通信技术等，通过设置在矿井监 测分站的 rfid 阅读器来对人员进行定位，系统的硬件设计主要有控制模块、显 示模块、can 通信模块、无线射频模块、rs-232/rs-485 模块等组成，其中控制 模块采用了 lpc2119 arm7 芯片，射频模块采用的是 nrf24l01 芯片，can 收发芯 片采用是电隔离的 ctm825。系统的软件设计也是按照模块化进行设计，模块化 设计有利于进行移植，软件的设计包括控制模块软件设计、显示模块软件设计、 射频通信模块软件设计和 can 通信模块软件设计等， 本文软件设计部分主要研究 了射频通信模块的软件设计和 can 通信模块软件设计。硬件与软件设计完成后， 系统进行了测试，经测试系统运行稳定可靠，达到了设计的预期目标。 本人通过自己对本专业领域的理论学习和导师的丰富经验的专业指导， 及自 身在实践中积累的经验，努力研发，争取技术创新，完成系统设计，从而达到整 个项目系统的预期目标，在与其它系统进行联调时功能稳定可靠，并通过了专家 们的评审。 致 谢 51 致致 谢谢 研究生三年的学习生活转瞬即逝， 这期间， 我懂得了许多做人和做事的道理。 可以说，研究生阶段将是我一生中最重要、最宝贵、最难忘的三年，这种感受源 于所有关心和支持我的人。在论文完成之际，首先衷心感谢我的导师陈金鹰教授 三年来对我的悉心培养和精心指导， 感谢他为我提供了宝贵的学习机会和良好的 科研工作环境，才使我得以顺利完成学业。导师严谨的治学风范、敏捷的思维、 渊博的学识、对事业执著追求的精神深深地感染着我、鼓舞着我，成为我终身学 习的榜样。三年来，导师给了我很多关怀和教导，无论是在论文发表，还是论文 研究审阅，无不凝聚着他大量的汗水。 感谢陈金鹰教授三年来对我的指导和关心， 他严谨的教学作风、 开阔的思维、 以及非凡的创新能力，让我受益菲浅。 感谢师门的师兄师姐、师弟师妹们和其他研究生同学们。 谨以此文献给我最挚爱的家人，感谢父母的养育之恩，他们给了我最无私的 关怀和照顾，是他们的默默耕耘免除了我的后顾之忧，使我能全身心地投入到学 习和工作中去，是他们的鼓励与支持才使我完成今天的学业，他们是我前进中的 最大动力。在此向我的父母致以深深的谢意! 成都理工大学硕士学位论文 52 参考文献参考文献 1叶里莎.rfid技术应用j.通信技术.2007(12):267-268. 2（德）klaus finkenzell著;吴晓峰 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