（信号与信息处理专业论文）基于arm9和rfid的井下人员定位系统研究与设计.pdf

摘要 安全生产、保障矿工的生命安全是煤炭行业永恒的主题，先进的煤矿安全 设备与技术手段是保证井下人员安全、实现快速救援的重要手段。井下人员定 位系统作为矿井设施的一个重要组成部分，能够及时、准确的将井下各个区域 人员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的 分布状况。当前，现代信息和嵌入式技术飞速发展，嵌入式日益广泛应用于安 防、工业控制、无线系统等设备中，因此，研究将嵌入式技术应用于煤矿安全 生产，开发井下人员定位系统具有重要意义。 本文依托煤矿安全生产实际情况，以井下人员定位系统的需求为背景，结 合嵌入式和r f i d 技术进行井下人员定位系统的开发。根据系统实际需求，使 用三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 系列的a r m 处理器构建的平台，以l i n u x 为操作系统， 以c a n 总线技术为传输方案进行井下人员定位系统的硬件设计、软件平台搭 建及软件系统的开发。 本文首先分析了井下人员定位系统的实际需求，设计了系统的总体网络架 构，在分析系统工作原理的基础上，对r f i d 和c a n 总线技术做了详细的研究。 在给出系统总体方案后，设计了井下人员定位系统硬件电路，包括射频读卡器、 射频卡以及c a n 总线传输模块等电路设计。在软件设计和开发上，详细描述了 嵌入式l i n u x 系统软件平台的搭建，包括交叉编译环境的建立、引导程序 b o o t l o a d e r 的加载、内核及驱动的移植以及根文件系统的制作；研究了r f i d 射频读卡程序的设计和嵌入式数据库s q l i t e 的开发，采用n r f 2 4 0 1 芯片实现了 读卡器对射频卡上人员信息的接收及实时更新，并对r f i d 系统防冲突问题进 行了分析与研究，给出了解决方案；最后开发设计c a n 总线传输网络，采用 m c p 2 5 1 5 芯片实现了a r m 9 平台的c a n 总线接口扩展，并为c a n 总线控制 器编写和移植了驱动程序，实现井下人员信息向地面监测计算机的传输。至此 完成了井下人员定位系统的搭建。 本文最后对全文的研究成果和存在的不足进行了系统的总结和分析，并对 进一步的研究提出展望。 关键词：嵌入式系统，人员定位系统，射频识别技术，c a n 总线，s q l i t e a b s t r a c t s e c u r i t yo fp r o d u c t i o na n ds a f e t yo fm i n e r sa r et h ee t e r n a lt h e m e so ft h ec o a l i n d u s t r y j u s ta sa d v a n c e ds a f e t ye q u i p m e n ta n dt e c h n i q u ei sa ni m p o r t a n tm e a n st o e n s u et h es a f e t yo fm i n e r sa n dt oa c h i e v er a p i dr e s c u e u n d e r g r o u n dm i n e r p o s i t i o n i n gs y s t e m a sa ni m p o r t a n tp a r t o fm i n ef a c i l i t i e s ，c a ni m m e d i a t e l ya n d a c c u r a t e l yr e f l e c tt h em o t i o no fu n d e r g r o u n d m i n e r st ot h eg r o u n dc o m p u t e rs y s t e m ， g i v i n gm a n a g e m e n t s t u f fr a p i di n f o r m a t i o na b o u tt h ep o s i t i o no fu n d e r g r o u n dm i n e r s a tt h es a m et i m e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m sb e c o m em o r ew i d e l yu s e di ns e c u r i t y ， i n d u s t r i a lc o n t r o l ，w i r e l e s ss y s t e m s ，a n dd e v i c e s t h e r e f o r et h es t u d yo fe m b e d d e d t e c h n o l o g yf o rc o a l m i n es a f e t yp r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n d p e r s o n n e lp o s i t i o n i n gs y s t e mi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e r e l y i n g o nt h ec o a lm i n es a f e t ys i t u a t i o na n du n d e r g r o u n dp e r s o n n e l p o s i t i o n i n gs y s t e mn e e d s ，c o m b i n i n gr f i da n de m b e d d e dt e c h n o l o g y , t h i sa r t i c l e d e v e l o p st h ep o s i t i o n i n gs y s t e mf o ru n d e r g r o u n dw o r k e r s a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l n e e d so ft h es y s t e m w ea r eu s i n ga r mp r o c e s s o ro fs a m s u n g s $ 3 c 2 4 4 0s e r i e sa s t h ep l a t f o r m l i n u xa st h eo p e r a t i n gs y s t e ma n dc a nt e c h n o l o g ya st h et r a n s m i s s i o n p r o g r a mf o rt h ed e s i g no fu n d e r g r o u n dp e r s o n n e lp o s i t i o n i n gs y s t e mh a r d w a r e ，t h e b u i l d i n go fs o f t w a r ep l a t f o r ma n dt h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r es y s t e m t h i st h e s i sf i r s ta n a l y z e st h ea c t u a ld e m a n df o rt l l eu n d e r g r o u n dp e r s o n n e l p o s i t i o n i n gs y s t e m ，a n dt h e nd e s i g n st h es y s t e m so v e r a l ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e o n t h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h i ss y s t e m ，i tc o n d u c t sat h o r o u g h r e s e a r c ho nr f i da n dc a nf i e l d b u st e c h n o l o g y a f t e rp r e s e n t i n ga no v e r a l ls c h e m e ， i td e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h eu n d e r g r o u n dp e r s o n n e lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， i n c l u d i n gs u c hc i r c u i tl a y o u t sa sr a d i of r e q u e n c yr e a d e r s ，r fc a r d sa n dc a n b u s t r a n s m i s s i o nm o d u l e a sf o rt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fs o f t w a r e ，t h et h e s i sg i v e s af u l ld e s c r i p t i o no ft h ec o n s t r u c t i o no ft h ep l a t f o r mf o re m b e d d e dl i n u xs y s t e m s o f t w a r e ，w h i c hi n c l u d e st h ee s t a b l i s h m e n to fc r o s s c o m p i l i n ge n v i r o n m e n t ，t h e g u i d eo ft h el o a d i n go fb o o t l o a d e rp r o g r a m ，t h et r a n s p l a n to fk e r n e la n d d i v e ra n d i i t h em a k i n go fr o o t f i l es y s t e m ；t h ea n a l y s i so ft h ed e s i g no fr f i da n dt h e d e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds q l i t es e r v e r , m a k i n gu s eo fn r f 2 4 01c h i pt or e c e i v e a n du p d a t et h ei n f o r m a t i o no fu n d e r g r o u n dm i n e r sf r o mr fc a r d st oc a r dr e a d e r s a n dt oa n a l y z ea n ds t u d ya n dt h e ng i v eas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fa n t i - c o l l i s i o n a g a i n s tr f i ds y s t e m ；t h ef i n a ld e s i g na n dd e v e l o p m e n to fc a nb u st r a n s m i s s i o n n e t w o r k ，u s i n gm c p 2 5 15c h i pt oe x p a n dc a nb u si n t e r f a c eo na r m 9p l a t f o r m a n d h e l pt oc o m p i l ea n dt r a n s p l a n tt h ed r i v e rf o rc a n b u sc o n t r o l l e r , t h u sm a k i n g t h et r a n s m i s s i o no ft h ei n f o r m a t i o no fu n d e r g r o u n dm i n e r st ot h eg r o u n di n s p e c t i n g c o m p u t e r sc o m et r u e t h u s ，ab a s i cb u i l d i n g o ft h e u n d e r g r o u n dp e r s o n n e l p o s i t i o n i n gs y s t e mi sr e a l i z e d a tt h ee n do ft h et h e s i s ，is u m m a r i z ea n da n a l y z et h ep r o g r e s st h i sr e s e a r c hh a s m a d ea n dt h ep r o b l e m si th a sp r e s e n t e d ，p u t t i n gf o r w a r dt h ep r o s p e c t sf o rf u r t h e r s t u d y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，u n d e r g r o u n dm i n e rp o s i t i o n i n gs y s t e m ，r f i d ， c a n b u s ，s q l i t e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工 大学或其它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了谢意。 签名：名套啦e l 期：私啦k l 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 谚濒垮导师( 签名) 撇 日期 们归岁 武汉理t 大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究背景及意义 煤炭资源作为国民经济发展的支柱，是维持我国经济持续高速发展的重要 保障，煤炭资源的开采一直以来都是我国重要的基础产业。由于我国煤炭工业 技术基础十分薄弱，煤炭开采以井工为主，煤层条件复杂、高瓦斯、煤与瓦斯 突出煤层多，致使煤矿生产中安全问题复杂化，而且，随着采掘深度的加大， 高产高效矿井的发展，煤矿又面临着许多新的安全技术问题【l 】。而安全问题又 是长期困扰我国煤矿生产的主要难题，它是制约我国煤矿生产的主要障碍。最 近几年，我国的平均发生特大煤矿事故率远远高出世界平均水平，而且采煤效 率远远低于世界平均水平，与此同时我国煤矿事故死亡人数却占全世界煤矿死 亡总人数的7 0 左右，百万吨煤矿事故死亡率是美国等先进采煤国的5 0 倍1 2 j 。 理性分析矿难发生的原因，几乎都是多个漏洞的叠加，既有历史积累的深层次 原因，也有当i j 煤炭供求关系的影响，最主要原因的还是在于生产技术的落后， 在实现效益递增的同时，没有对生产技术的进行更新换代。 由于安全生产、保障井下人员的生命安全永远是煤炭行业关注的重点，因 此，如何加强安全生产的防范措施，准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能， 保证抢险救灾、安全救护的高效运作，都是现在煤矿企业亟需解决的问题。同 时如何改变目前煤矿企业对井下人员落后的管理模式，如何实现管理的现代化、 信息化也成为所有煤矿企业关心的问题。 煤矿井下人员定位系统是煤炭工业发展的必然产物，是维护矿井安全与保 护矿工的重要基础设施之一。它作为矿井设施的一个重要组成部分，是矿山数 字化步骤中的一个必需的环节。煤矿井下人员定位系统能够及时、准确的将井 下各个区域人员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 井下人员的分布状况和每个下井人员的入井、升井时间及运动轨迹，以便于进 行更加合理的管理【3 j 。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员定位系统所 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， 保障人员生命安全，减少国家的损失。这是提出煤矿井下人员定位系统的依据， 武汉理j ：人学硕+ 学位论文 也是研究本课题的意义所在。 1 2 国内外发展现状 专业化的技术支撑机构在控制大灾害中发挥了至关重要的作用，新技术的 推广和采用能大幅度降低煤矿安全事故发生率，这也是世界发达国家安全生产 事故发生率较低的重要因素。世界先进采煤国均设有国家级的技术支撑机构， 美国的矿山安全与健康监察局( m s h a ) 1 4 j 下设有匹兹堡安全与健康技术中心、 国家职业安全与健康研究院和认证中心等科技支撑机构。新技术在安全方面的 贡献主要有几个方面：一是信息化技术的广泛采用，增强了煤矿开采的计划性 和对安全隐患的预见性，计算机模拟、虚拟现实等新技术，可以大幅度减少煤 矿挖掘中的意外险情，也可以帮助制定救险预案；二是机械化和自动化采掘， 使得下井人员绝大多数都是操作设备的技术工人，这样既提高了工作效率，减 少了下井人员数量，也就减少了容易遇险的人群；三是推广新型通风设备、坑 道加固材料、电器设备，从而提高了安全指标，而政府主要是通过技术认证这 一方式来批准煤矿专用设备的生产和使用1 5 j 。 国外煤矿井下无线通信领域起步较早，目前，在美国、澳大利亚、南非等 采煤业发达的国家，基于射频的人员定位系统得到充分应用，南非p r e t o r i a 的 i p i c o 公司使用射频识别r f i d 技术用于跟踪、照明、援救、瓦斯检测和急救装 备等。其中i f x t m 双频r f i d 6 j 采用低频辐射加上有高速数据输送能力的高频 r f i d ，优点是可以在矿工拥挤的场合读取多个射频卡，准确性好、读取速度快、 读取距离更大。美国在矿井人员定位方面，已经实现了应用z i g b e e 技术对矿井 人员的定位精确，为矿工的生命安全提供了更可靠的保障体系1 7 j 。 而目前，我国煤矿事故频发，国家对煤矿安全生产的重视程度已提高到前 所未有的高度，国家专门成立了国家煤矿安全监察局来制定煤矿安全生产的法 规和实施煤矿安全生产的严格监督。 我国于本世纪处开始引入井下人员定位系统，主要是从国外引进现成的井 下人员定位产品，但是由于成本昂贵，维护费用高，推广难度大。随着国家科 学技术的飞速发展及国家对安全生产问题的重视，我国开始自主研发人员定位 产品，截至目前国内主要的人员定位系统中均采用了射频识别技术，随着我国 射频设别技术的不断发展，我们在射频识别系统应用领域已经逐渐赶上了国际 先进水平，井下人员定位产品也从开始阶段的无源射频定位产品发展到现在不 2 武汉理 人学硕十学位论文 断完善的新型有源并下人员定位系统【8 】。 我国现在研发的新型人员定位系统主要以有源射频卡为基础，它加大了井 下人员阅读基站数据交换的有效范围( 1 0 2 0 米) ，从而提高了射频卡的使用的 方便性，系统的可靠性和实用性也得到增加。但由于基于射频识别耦合原理的 有效通信距离仍然相对较短，而矿山的井巷错综复杂，环境与地面相比十分恶 劣，往往出现阅读基站漏读、系统稳定性不够等问趔9 1 。针对这些问题，本文 开发的基于a r m 和r f i d 井下人员定位系统，它具有井下无线通信系统工作距 离长、信号穿透能力强、感应灵敏、工作稳定可靠等特点，所以能够进一步提 高井下人员定位系统的可靠性和实用性。 1 3 本文主要工作及内容安排 本文以井下人员定位系统的需求为背景，结合嵌入式和r f i d 技术进行井 下人员定位系统的开发。根据系统实际需求，采用a r m 处理器构建的平台， 以l i n u x 为操作系统，以c a n 总线技术为传输方案进行井下人员定位系统的 硬件设计、软件平台搭建及软件系统的开发。本文主要包括如下内容： 第l 章引言内容主要说明了本课题的研究背景、意义和主要工作，以及井 下人员定位系统在国内外的发展现状。 第2 章设计了井下人员系统的总体方案和网络架构，并对所用相关背景技 术做了简要介绍。 第3 章从射频识别系统和现场总线网络两方面研究了系统的硬件设计方 案，其中涉及主控模块、射频模块、c a n 网络接口电路等。 第4 章主要研究如何搭建嵌入式系统平台，包括操作系统的选择和移植、 交叉编译环境的搭建及根文件系统的制作等。 第5 章研究了井下人员定位系统的软件程序实现过程，包括射频读卡和嵌 入式数据库s q l i t e 的开发，并对r f i d 系统防冲突问题进行了分析与研究，最 后编写c a n 总线接口驱动，实现了c a n 网络的数据传输。 第6 章对整个系统开发进行了总结，指明本课题取得的成果和特点之外， 还指出了系统存在的不足以及人员定位系统未来的发展趋势。 武汉理1 ：人学硕十学位论文 第2 章井下人员定位系统的需求分析与方案设计 系统开发成功的关键在于系统的整体方案设计。本章结合煤矿井下安全生 产的实际，分析系统需求，研究设计系统的整体结构及功能，对系统所用到的 两种背景技术即r f i d 技术和c a n 总线技术作了简要的概述，最后给出了井下 人员定位系统的总体方案。 2 1 系统需求分析 煤矿井下工作环境存在地质环境复杂，各种有害气体、不明水体溢出情况。 随着科学技术的进步，井下己布设了多种探测系统、监控系统。但矿井的恶性 事故仍然不断发生，严重威胁着井下工作人员的安全，其原因主要有以下两点： ( 1 ) 井上与井下人员的信息沟通不及时：井下人员跟踪定位系统要求井下 监测人员能够了解井下任一区域、任一时刻人员分布的具体情况，现有系统并 不能完全井下情况。 ( 2 ) 故障率高、可靠性不够：井下环境恶劣，设备容易受损，故障时有发 生，人员识别信息容易丢失。 针对上述问题，本文设计的井下人员定位系统采用有源发射式射频识别系 统，利用射频识别技术的无线通信方式，同时识别多个移动目标，可对煤矿入 井人员进行实时监测和定位。一旦发生安全事故，可以通过监控计算机查询事 故现场被困人员的分布情况，及时抢救被困人员，保证安全救护工作的高效运 作。因此，本文设计的井下人员定位系统应具备以下基本功能： ( 1 ) 人员定位监测功能：实时监测井下人员所处的位置信息，对下井人员 进行实时检测和定位。 ( 2 ) 安全保障功能：系统根据数据库中储存下来的数据信息，可迅速了解 井下人员分布情况，一旦出现安全事故，可对现场被困人员进行定位和搜寻， 便于有效救护。 ( 3 ) 自动报警功能：根据数据库中的数据信息，当有矿工误入井下禁区时， 定位基站报警，提示该人员及时离开。 ( 4 ) 考勤管理功能：通过相关管理软件对下井人员的入井次数、井下停留 4 武汉理t 大学硕十学位论文 时间等信息进行分类统计，实现对井下工作人员的考勤统计管理功能。 ( 5 ) 资源调度功能：通过数据库中的数据，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，优化配置井下有限的人力资源【l o 】。 2 2 系统总体方案设计 2 2 1 系统方案选择 ( 1 ) 射频频段选择 本系统采用射频识别系统进行人员定位，对于射频r f i d 系统，工作频段 是基本参数，从应用概念来说，它的频段概念是指读写器通过天线发送、接收 并识读的标签信号频率范围。射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作 频率，直接决定系统应用的各方面特性。射频标签的工作频率不仅决定着射频 识别系统工作原理、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和 设备成本。r f i d 应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于i s m 波段。典型的工作频率有：低频( 1 2 5 k h z ) 、高频( 1 3 5 6 m h z ) 、超高频 ( 8 6 0 m h z 9 3 0 m h z ) 和微波( 2 4 g h z - 5 8 g h z ) 等。 与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有 4 3 3 9 2 m h z ，8 6 2 m h z 9 2 8 m h z ，2 4 g h z ，5 8 g h z ! 】。由于煤矿井下现场环境 复杂且比较恶劣、读卡器与移动目标距离较远，这就要求读写器与电子标签的 工作频率要在微波频段才能满足系统的工作环境要求。因此，本文选择主要应 用于工业自动化产品识别，具有读写距离远，高速度，防冲撞好的微波2 4 g 频 段。 ( 2 ) 传输总线方式选择 井下定位系统选择总线的方式作为主传输途径，开发相应的煤矿井下人员 监测节点，配合射频识别系统，从而实现井下作业人员的定位。目前国际上有 4 0 多种各具特色的现场总线，比较流行的有：f f 、c a n 、r s 4 8 5 等，它们各 自有不同的特点，在不同的应用领域占据主导地位。 1 ) f f ( f o u n d a t i o nf i e l db u s ) 由美国仪器协会( i s a ) 1 9 9 4 年推出，主要 应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。f f 的特色是其通讯协议在i s o 的o s i 物理层、数据链路层和应用层之上附加了用户层。 2 ) c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 最早由德国b o s c h 公司提出，用于汽 武汉理工人学硕士学位论文 车内部测量和执行部件之间的数据通信。其总线规范己被i s o 国际标准组织制 订为国际标准，得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p s 等公司的支持，已广泛应用于 离散控制领域。已有多家公司开发了符合c a n 协议的通信芯片，还有插在p c 机上的c a n 总线适配器，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。 3 ) r s 4 8 5 总线标准由通讯工业协会( t i a ) 制定，r s 4 8 5 作为一种多点、 差分数据传输的电气规范已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一，这种 通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点、双向通信，具有良好的噪声抑 制能力、高数据传输速率等特剧1 2 】。 通过比较，c a n 总线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办法，在各种控制系统中得到了 广泛应用。c a n 采用了新技术和独特的设计，与r s 4 8 5 相比具有突出的可靠性、 实时性和灵活性。r s 4 8 5 网络除了硬件成本、开发难度比c a n 网络稍具优势 外其他性能方面都没有可比性。c a n 总线应用井下网络是一种比较彻底的方 案。 ( 3 ) 系统平台选择 现有的井下定位系统很多都是基于单片机平台，单片机平台功能比较单一， 系统可扩展性不高，而目前嵌入式a r m 处理器广泛应用于工业控制、无线通 讯、电子产品等领域，a r m 处理器是r i s c 结构，处理速度快，a r m 9 采用5 级流水线技术，大大提升了处理速度，工作频率可达4 0 0 m h z ；a r m 9 微处理 器有丰富的片内外围电路，如u s b 、u a r t 、s p i 、l c d 等接口，根据系统的需 求分析，可以简化系统的设计，同时提高系统的可靠性及扩展性；而且a r m 9 处理器性价比高，现阶段市面上有许多a r m 开发板可供开发者选择，可以得 到更多的技术支持，因此，本文选择嵌入式a r m 9 平台来开发井下定位系统。 2 2 2 系统总体网络架构 本系统主要采用射频r d i d 技术和c a n 总线技术，对井下人员进行定位识 别，进而提高管理效率，增加安全系数。系统主要由井上系统和井下系统两大 部分组成，系统网络架构如图2 1 所示。 6 武汉理t 大学硕十学位论文 上位机系统 c a n 嘲络 c a n 接u 模块c a n 接u 模块c a n 接u 模块 土土土 a r m 9 控制器a r m 9 控制器a r m 9 控制器 读卡器t 读仁器t 一一一一 读卡器t + 射频模块射频模块射频模块 口口口口口口 图2 1 系统网络架构 井上系统为上位机系统，主要由监控中心及互联网络终端等设备组成。井 下部分主要由射频识别系统和现场总线网络两部分组成。以c a n 总线网络作为 传输方式，开发相应的监测节点，配合矿工随身携带的射频卡，实现井下人员 的定位识别和安全管理。在井下系统中，射频r f i d 识别和c a n 网络传输是设 计的关键和难点，也是本文研究的重点。 2 2 3 系统工作原理概述 煤矿井下人员定位系统是煤矿安全设施的一种重要组成部分，负责下井人 员安全监测和定位工作。在坑道、作业面的交叉道口安装监测节点，入井人员 根据要求佩戴安装射频卡的腰带、安全帽或矿灯，本系统采用的射频卡为有源 单工射频卡，周期性向外发射信号；在卡片进入读卡器的检测区域后，将载有 个人信息的射频信号经卡内收发模块发射出去，读卡器接收到射频卡发来的射 频信号，经过处理后，提取个人信息，通过c a n 总线网络传送至上位机系统， 记录井下人员身份位置及运动轨迹等实时信息，还可根据相关需求生成考勤统 计与管理报表，提高管理效益。 武汉理+ i ：人学硕+ 学位论文 2 3 相关背景技术介绍 2 3 1r f i d 技术简述 射频识别r f i d 技术，是从八十年代起逐渐成熟的一项自动识别技术。它 利用射频方式进行非接触双向通信，实现人们对各类物体或设备( 人员、物品) 在不同状态( 移动或静止) 下的识别和数据交换【l 到。与同期或早期的接触式识 别技术不同，r f i d 系统的射频识别卡和读卡器之间不用接触就可完成识别。 一套完整的r f i d 系统，是由射频卡、读卡器及计算机通信网络和应用软 件系统三个部分所组成，其工作原理是射频卡发射一特定频率的无线射频信号 给读卡器，将其卡内的数据送出，此时读卡器中的射频模块开始工作，依序接 收解读射频卡发来的数据，再通过计算机网络送给应用程序做相应的处理i l 引， r f i d 典型系统框图如图2 2 所示。 计 接 h i 控制模块 收 一控制模块 算 天天发 i 机 u i线 线 系 模模 块 射频模块k _ 块 存储器 统 读卡器射频卡 图2 2r f i d 典型系统框图 在r f i d 系统的实际应用中，射频卡附着在被识别的物体上，当带有射频 卡的被识别物品通过读卡器可识读范围时，读卡器自动以无接触的方式将射频 卡中的预定识别信息读取出来，从而实现自动识别物品信息的功能。 2 3 2c a n 总线概述 c a n 总线( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 是控制器局域网的简称，是国际上应 用最广泛的现场总线之一，最初c a n 总线被设计作为汽车环境中的微控制器通 信，它在车载各电子控制装置之间交换信息，形成汽车电子控制网络。c a n 总 线是一种多主方式的串行通信总线，它的基本设计规范中要求有较高的位速率、 抗电磁干扰性，并可以检测出产生的任何错误【1 3 】。当信号传输距离达到1 0 k m 武汉理t 人学硕+ 学位论文 时，c a n 总线仍可提供高达5 0 k b s 的数据传输速率，因此c a n 总线具有很高 的实时性能。 c a n 通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对 数据的成帧处理，用户可在其基础上开发适应系统实际需要的应用层通信协议。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块 编码，采用这种方法可使网络内节点个数在理论上不受限制，还可使不同的节 点同时收到相同的数据i l4 。 c a n 总线信号使用差分电压传送，两条信号线被称为c a nh 和c a nl ， 静态时均为2 5 v 左右，此时状态便是为逻辑1 ，也叫做“隐性”。c a nh 比 c a nl 高表示逻辑0 ，称为“显性”，此时，通常电压值为c a nh = 3 5 v 和 c a nl = i 5 v 。当显性位和隐性位同时发送时，最后总线数值将为显性。正是 这种“线与”特性，为c a n 总线的仲裁奠定了基础i l 训。基于c a n 总线所具备 的特性，特别是安全性高，因此本文采用c a n 总线作为数据传输途径。 2 4 本章小结 本章结合煤矿生产实际，阐述了人员定位系统的功能需求，从射频工作频 段、传输网络及开发平台三方面选择总体方案，最后给出了系统的总体设计方 案和具体的网络构架，并对相关背景技术r f i d 和c a n 总线作了简要介绍。 9 武汉理工人学硕士学位论文 第3 章井下人员定位系统的硬件设计 硬件是系统开发的基础，本章主要讨论系统的硬件构成和电路设计。根据 上一章所述网络架构，本系统选用$ 3 c 2 4 4 0 微处理器作为核心，设计了集人员 信息读取、存储、数据传输一体的硬件电路，硬件电路主要由主控电路、射频 卡、读卡射频模块和c a n 接口模块等组成。 3 1 主控模块设计 3 1 1a r m 9 处理器的选择 $ 3 c 2 4 4 0 是韩国三星公司设计的3 2 位r i s c 嵌入式处理器，该处理器具有 高性价比、低功耗、高性能的特点。该芯片基于a r m 9 2 0 t 内核，a r m 9 2 0 t 具 有全性能的内存管理单元m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 、独立的1 6 k b 指 令和数据c a c h e 。图3 1 是$ 3 c 2 4 1 0 的内部结构图，从中可以看出$ 3 c 2 4 4 0 片上接e l 资源非常丰富，可以简化外围电路设计【15 1 。 r r 一1 鉴! l c d u j _ 总线拧制嚣l ，控制器，d m ai 1l + 判优器解码器i l 二二一! l1 一 一 、l! 一 i 鬻一a 眦h b 譬卜丽 控制器i ；总线 高，1中断控制i i 外部主机h t j u 厂椭理一1 l 外部主机 几 l j 电源管理 。1 h l 一 一l ：n a n d h a s h 。u u 一一 控捌嚣 1 lf n 。存储器管理| 一l 一一。 u a r t o , 1 , 2 1e 1 一| 1 2 s 一jl 。一 一u s b i 蜊：j = 型：j 11 一 鲡j 专 a 臌p h 爿到 面磊调= ：a 雪 啜静羽，ii ig p , o 判优器解码器n 1l 一一一1 l j 计数器p w m s p l 0 , 1 刊i r 0 - 34 l 内部) i 蠢a r m 9 2 ，0 t 一愀螺宣h b f i d g e & 道d ，m a ( m p l l ) 吉：时钟发生嚣；： li 叫一j 下j 二：( 4 通道l 图3 i $ 3 c 2 4 1 0 的内部结构图 论文所要用到的硬件资源介绍如下： 1 0 武汉理t 大学硕十学位论文 ( 1 ) c p u 处理器：s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 a ，主频4 0 0 m h z ，最高5 3 3 m h z ( 2 ) 6 4 m 的s d r a m 内存 ( 3 ) f l a s h 存储控制器 ( 4 ) 3 个通道的u a r t 和2 通道的s p i ( 5 ) 4 通道p w m 控制蜂鸣器和l 通道内部定时器 ( 6 ) 1 6 k b 的i - c a t h e 和1 6 k b 的d c a c h e m m u ( 7 ) 1 3 0 个通用i o1 2 1 和2 4 通道外部中断源【15 1 。 3 1 2 电源系统 电源系统的质量关系到整个系统的稳定性，一个稳定可靠的电源是电子系 统可靠工作的基础。在整个系统中，我们所需要的电源有5 v 、3 3 v 、1 8 v 三 种。查询$ 3 c 2 4 4 0 手册，其1 8 v 内核消耗电流的极限是7 0 m a ，其他部分无需 1 8 v 电压，系统在3 3 v 上消耗的电流与外部条件有关，这罩选用的是l m l l l 7 电压转换芯片。l m l l l 7 的主要特点如下： ( 1 ) 提供1 8 v 、2 5 v 、2 8 5 v 、3 3 v 、5 v 和可调电压的型号。 ( 2 ) 电流限制和热保护功能。 ( 3 ) 输出电流可达8 0 0 m a 。 图3 2 和图3 3 分别是由+ 5 v 转+ 3 3 v 和+ 3 3 v 转1 8 v 的电路图。 v d d 5 vl m i1 1 7 - 3 3 图3 - 2 + 5 v 转+ 3 3 v 电路图 j 图3 3 + 3 3 v 转+ 1 8 v 电路图 武汉理_ 人学硕十学位论文 3 1 3 存储系统 为了满足运行l i n u x 操作系统以及嵌入式数据库等应用软件的需求，系统 需要用掉电后信息不丢失的f l a s h 来存储操作系统和相关数据。f l a s h 存储器是 一种可在系统( i n - s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有 功耗低、容量大、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程等特点，并且可由 内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应 用。$ 3 c 2 4 4 0 支持从n a n d f l a s h 启动，且n a n d f l a s h 具有容量大，比n o r f l a s h 价格低等特点。 在本系统中，采用了三星公司的k 9 f 1 2 0 8 芯片，该芯片的存储容量为8 x 6 4 m b ，工作电压为3 3 v ，1 6 位数据宽度，采用t s o p 4 8 封装。k 9 f 1 2 0 8 的i o 口既可以接收和发送数据，也可以接受地址信息和控制命令。c l e 有效时，锁 存在f o 口上的是控制命令字；在a l e 有效时，锁存在i o 口上的是地址；l 也 或w e 有效时，锁存的是数据l l 引。k 9 f 1 2 0 8 接口电路图如图3 4 所示： 3 2 射频卡设计 图3 - 4n a n d f l a s h 接口电路图 r f i d 射频卡分为主动式和被动式射频卡，被动式卡无需电池，由读写器产 生的磁场中获得工作所需的能量，但读取距离较近，且单向通信，局限性较大。 主动式卡除了具备被动式卡的很多特性外，还具有读取距离更远，性能更可靠 等优点，但是主动式射频卡采用电池供电，为了延长电池使用寿命，对卡片功 武汉理工大学硕士学位论文 耗有很高要求。本系统射频卡采用n r f 2 4 e 1 芯片设计实现。 n r f 2 4 e 1 是由n o r d i c 推出的一款带2 4 g h z 无线收发器n r f 2 4 0 1 和增强型 8 0 5 1 内核的无线收发模块。i l i 心2 4 e 1 主要适用于各种短距离的无线设备互联应 用场合，工作于i s m 频段；有1 2 5 个频点，可实现点对点、点到多点的无线通 信。最大传输速率可达1 m b i t s ，最大发射功率为0 d b m 。n r f 2 4 e 1 以n r f 2 4 0 1 芯片结构为基础，将射频、8 0 5 i m c u 、u a r t 、s p i 、r t c 、w d t 全部集成到 单芯片中，并具有省电模式、内部电压调节功能以及内部电压监控功能【1 7 】。图 3 5 是n r f 2 4 e 1 芯片的内部框图。 |i转o位换a器dl ：爱l 转o 位换a 器d + 一f l 转换器 h 定时器o 转换器 l 1 0 0 k s p s j l 一定时器l j 1 0 0 k s p s i ! b l a sj ； ! ll 一定时器2| _ _ 一1 1 l 8 0 5 l 兼容控制器一1i ! 晶振! r r jf 一了一一l 下一一； 怕_ 拦篓型 鬻f m i c r o c h i p 公司的e e p r o m 2 5 a a 3 2 0 作为n r f 2 4 e 1 的外部存储芯片1 8 1 。射 武汉理t 大学硕士学位论文 图3 6 射频卡模块框图 对射频收发器n r f 2 4 e 1 的配置，即可实现射频收发的功能，大大降低了开发的 难度，射频卡的电路设计图见附录a 射频卡原理图。 3 3 射频模块设计 读卡器与射频卡的通信是通过射频模块实现的，两者射频部分需具有相似 操作方式才可通信，因此本文系统射频模块采用n r f 2 4 0 1 扩展而成，它与射频 卡中的射频模块n r f 2 4 e 1 同是n o r d i c 公司推出的单片2 4 g h z 无线收发芯片。 图3 7 为n r f 2 4 0 1 功能模块结构图。 图3 7n r f 2 4 0 1 功能模块结构图 1 4 武汉理r 大学硕士学位论文 n r f 2