（模式识别与智能系统专业论文）井下移动目标监测与管理系统.pdf

t i t l e m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mo ft h e m o v 玎叮gt a r e t si nc o a lm i n e at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g t h e s i s ( o rd i s s e r t a t i o n ) s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a n g y u j i e m a y , 2 0 1 0 井下移动目标监测与管理系统 摘要 随着经济的发展，煤作为一种主要能源需求不断增加，但是煤矿安全问 题一直制约我国煤矿业的发展。受煤矿特殊作业环境的制约，对井下人员和 车辆的监控不完善，事故发生时，无法预知井下人员所处的位置，给救援工 作带来极大不便。针对这一问题，本文研究开发了一套井下移动目标监测与 管理系统，实现了对井下人员和车辆地实时监测，提高了煤矿的安全管理水 平和生产调度能力。本文主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 根据井下移动目标监测的要求，完成了系统的总体设计。整个系 统主要包括了井下监测终端和计算机监测中心两部分。监测终端通过射频识 别设备完成对井下人员、车辆信息的采集，通过c a n 总线实现与计算机监 测中心的数据交换，通过计算机监测中心将监控终端采集的信息进行显示、 存储、及打印等功能。 ( 2 ) 监测终端采用了模块化的设计方法，将监测终端分为三部分：射 频识别卡、读卡器和c a n 节点。 以t i 公司的m s p 4 3 0 f 2 1 1 2 单片机为核心，以单片射频收发芯片 n r f 2 4 0 1 为数据无线传输芯片，设计了射频识别卡软件和硬件电路，实现与 读卡器的数据无线交换。 以a t m e l 公司的a t m e g a l 6 l 单片机为核心，以n r f 2 4 0 1 为数据无线 传输芯片，以m c p 2 5 1 0 作为c a n 控制器，设计了读卡器的软件和硬件电 路。实现了射频识别卡的识别与交换数据，并通过c a n 总线实现与计算机 监测中心的通信。 ( 3 ) 计算机监测中心软件的设计。采用v b n e t 作为开发平台，s q l 数据库作为系统的数据库。整个软件系统实现了用户管理、井下移动目标信 息实时动态显示、历史信息的查询、以及报表打印等功能。 关键词：移动目标、射频识别卡，读卡器，c a n 总线 i i m o n i t o i u n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mo f m o v i n gt a r e tsi nm i n e a b s t r a c t c o a li sap r i m a r yr e c o u c ei nc h i n a t h er e q u i r e m e n tf o rc o a li ti sg r o w i n g r a p i d l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y b u tt h ed e v e l o p m e n to fc h i n a s c o a li n d u s t r yh a sb e e nr e s t r i c t e db yt h es a f e t yp r o b l e m sf o ral o n gt i m e f o rt h e s p e c i f i c e n v i r o n m e n to ft h ec o a l m i n e ，t h em o n i t o rf o rm o v i n gt a r g e t s u n d e r g r o u n di si m p e r f e c t w h e nt h ea c c i d e n to c c u r r e d ，t h es t a f f sc a nn o tb e l o c a t e d t h er e s c u ew o r kc a nn o tb ee f f e c t i v e l yl a u n c h e d t os o l v et h i sp r o b l e m m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mo ft h em o v i n gt a r g e t si nt h em i n ei s p r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ee f f i c i e n ta n dr e a l t i m em o n i t o r i n gf o rt h es t a f f sa n d v e h i c l e su n d e r g r o u n di sr e a s l i z e d t h el e v e lo ft h es a f e t ym a n a g e m e n ta n d p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gc a p a b i l i t yi nt h ec o a lm i n ei si m p r o v e dg r e a t l y i nt h i s p a p e r , t h ef o l l o w i n gt a s k sa r ec o m p l e t e d ( 1 ) t h eo v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e mi s c o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to ft h em o n i t o r i n gf o rt h eu n d e r g r o u n dm o v i n gt a r g e t s t h es y s t e m c o n s i s t so ft w op a r t s ：t h e m o n i t o r i n gt e r m i n a la n dt h ec o m p u t e r - m o n i t o r i n g c e n t e r w i t hr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，t h em o n i t o r i n gt e r m i n a lc o l l e c t st h e i n f o r m a t i o no ft h es t a f f sa n dv e h i c l e s m e a n w h i l et h ed a t as e n d i n ga n dr e c e i v i n g b e t w e e nt h em o n i t o r i n gt e r m i n a la n dt h ec o m p u t e r - m o n i t o r i n gc e n t e rh a sb e e n r e a l i z e db yc a nb u s t h ei n f o r m a t i o no ft h em o v i n gt a r g e t sc a nb ei n q u i r e d ， s t o r e da n dp r i n t e d ( 2 ) t h em o n i t o r i n gt e r m i n a li sd e s i g n e d i no r d e rt oe n s u r et h ef l e x i b l e c o n f i g u r a t i o n so ft h ew h o l eh a r d w a r ea n dm a k ei td e b u ge a s i l ya n dm a i n t e n a n c e s i m p l y , t h em e t h o do fm o d u l a r i z a t i o nd e s i g ni sa d o p t e di nt h ed e s i g no ft h e m o n i t o r i n gt e r m i n a l t h em o n i t o r i n gt e r m i n a li sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e st h e r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nc a r d ，t h er e a d e ra n dc a nn o d e t h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nc a r dt a k e sm s p 4 3 0 f 2112m c uo ft ia s t h ec o r ew i t ht h ew i r e l e s sd a t ac h i pn r f 2 4 01 t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h e r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nc a r da r ed e s i g n e d i nt h ee n d ，t h ew i r e l e s sd a t a e x c h a n g eb e t w e e nr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nc a r da n dt h er e a d e rh a sb e e n a c h i e v e d b yc a nb u s ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e c o m p u t e r - m o n i t o r i n g i c e n t e ra n dt h er e a d e rh a sb e e ni m p l e m e n t e d t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h er e a d e ra n d c o m p u t e r - m o n i t o r i n g c e n t e rh a s b e e na c h i e v e d ( 3 ) t h es o f t w a r eo f t h ec o m p u t e r - m o n i t o r i n gc e n t e ri sd e s i g n e d n e t i st a k e na st h ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m 1 1 1 es q ld a t a b a s ei st a k e na st h es y s t e m s d a t a b a s eo ft h es y s t e m t h ee n t i r es o f t w a r es y s t e mh a st h ef u n c t i o n so fu s e r m a n a g e m e n t ，t h er e a l t i m ed i s p l a yo ft h em o v i n gt a r g e t s i n f o r m a t i o n ，t h eq u e r y o fh i s t o r i c a l i n f o r m a t i o na n da n df o r mp r i n t i n ge t c k e yw o r d s ：m o v i n gt a r g e t s ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nc a r d ，r e a d e r c a nb u s i v 目录 摘! i 2 l ：i a b s t r a c t 目录】 1 绪论一l 1 1 课题的背景及意义l 1 2 国内外概况及现状1 1 - 3 存在问题3 1 4 论文的主要研究内容3 2 系统关键技术分析5 2 1r f i d 技术5 2 2c a n 总线一7 2 3 小结8 3 系统总体设计9 3 1 系统结构9 3 2 系统的功能及性能指标9 3 2 1 系统的功能9 3 2 2 系统的性能指标1 0 3 3 系统的特点1 0 3 4 小结一1 l 4 系统硬件设计1 2 4 1 射频识别卡电路设计1 2 4 1 1 单片机的选择1 2 4 1 2 无线收发芯片的选择1 3 4 1 3 射频识别卡电路j 1 6 4 2 读卡器电路设计18 4 2 1 单片机的选择1 9 4 2 2 读卡器电路_ 2 0 4 3c a n 总线智能节点电路2 3 4 3 1c a n 控制器的选择2 4 4 3 2c a n 总线收发器的选择2 5 4 3 3c a n 节点电路2 6 4 4p c i 接口卡的选型一2 7 4 5 小结一2 8 5 系统的软件设计2 9 5 1 射频识别卡程序设计一3 0 5 1 1 射频识别卡软件层次设计3 0 5 1 2 射频识别卡底层驱动函数的设计3 0 5 1 3 射频识别卡接口层设计3 3 5 1 4 射频识别卡应用层程序设计3 3 5 1 5 射频识别卡低功耗设计3 6 5 2 读卡器程序设计3 7 5 2 1 读卡器软件层次设计3 7 5 2 2 底层驱动函数的设计3 7 5 2 3 读卡器接口层程序设计。j 4 5 5 2 4 读卡器应用层程序设计4 6 5 2 5 读卡器的防冲突设计5 2 5 3 计算机监测中心软件。5 4 5 3 1 用户管理模块5 5 5 3 2 数据采集与通信模块5 6 5 3 3 数据显示模块5 6 5 3 3 数据库模块5 8 5 3 4 报表打印5 9 5 4 小结6 2 6 结论j 6 3 致谢6 4 参考文献6 5 附录a ：射频识别卡电路图6 8 附录b ：读卡器电路图6 9 攻读学位期间发表的论文目录7 0 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明7 1 i i 并下移动目标监测与管理系统 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 煤炭资源是维持我国经济持续高速发展的重要保障，煤炭产业是我国最重要的产业 之一。随着我国国民经济的快速发展，近年来煤炭需求急剧增加 1 h a l 。由于我国煤炭工业 技术基础十分薄弱，煤炭开采以地下开采为主，煤层条件复杂、煤层多，致使煤矿生产 中安全问题复杂化。随着矿井采掘深度的加大，煤矿又面临着许多新的安全技术问题。 安全问题是长期困扰我国煤矿生产的主要难题，也是制约我国煤矿生产的主要因素。近 年来，我国特大煤矿事故发生率远远高出世界平均水平，而采煤效率仅为美国的2 2 。 受国内煤矿生产现状的限制，井上人员对井下人员和车辆的监测还很不完善。对于 井下人员的情况不能及时反映，事故发生时，不能及时、准确的得到井下人员的信息， 无法做出正确的决策，以致会贻误对生命的抢救。对井下车辆的监测更少，无法做到有 效的生产管理和资源调度。在日常的工作中，一般也只能通过下井时的书面记录，来推 知井下的人员情况，无法知道人员的即时位置。当遇到某些紧急情况，我们需找某个人， 有时比较困难。目前对矿车的使用基本上没有记录。这就给我们的管理工作增加了难度。 通过对大型煤矿实际调研，了解煤矿井下管理的需求，可以总结为以下几点：能实一 时地确定井下移动目标的流动情况；清楚当前某地移动目标的数量及分布情况；能查询 任一指定下井人员或车辆当前或指定时刻所处的区域；能查询任一指定人员本日或指定 日期的活动踪迹以及任一车辆本日或指定日期的行车路线；能对任一指定月份、，或任一 指定日期段，对下井人员进行下井次数( 作为下井考勤系统) 、下井时间等进行分类考核， 对矿车的运输能力进行统计，并打印相关报表等。 通过以上调研和分析，要求开发了一套“井下移动目标监测与管理系统 。利用这一 套系统，井上人员对整个矿区工人的分布和矿车使用情况就能够及时了解，即便于紧急 情况下的人员管理和生产调度，同时也实现了人员考勤和物料统计功能。该系统在矿井 发生透水、火灾等灾害事故时，可对抢险救灾工作起到重要决策和支持作用。 1 2 国内外概况及现状 安全监测系统对煤矿安全生产和管理起着十分重要的作用，国外煤矿监测技术是从 2 0 世纪6 0 年代开始发展的，但是我国的煤矿监测技术的起脚步相对较晚【7 】。 最早进行井下移动目标定位技术研究的是南非德比尔公司1 8 1 ，在1 9 9 1 年他们在芬什 ( f i n s e h ) r 旷t h 使用了地下矿铲运输机自动测位系统【9 】。1 9 9 5 年澳大利亚的芒特艾萨矿业公 陕西科技大学硕士学位论文 司又开发了一种基于射频识另u ( r f i d ) 技术的人员监测系统i i o i 。 剑桥大学a t & t 研究实验室开发了基于红外( i r ) 技术的a c t i v eb a d g e ( 1 9 9 2 ) 系统 h i 。 该系统通过人员佩戴的b a d g e ( 标签) 发出i r 身份标识信号给固定位置的接收器将信号 传送至监控主机从而实现人员位置的估计。 由于瓜技术的局限性，人们又把研究方向投向了射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 技术。 目前关于r f 技术的室内定位系统有m i c r o s o f tr e s e a r c h 的r a d a r ( 2 0 0 0 ) 系统 1 z 、华盛 顿大学s p o t o n ( 2 0 0 0 ) 系统 1 3 1 、卡内基梅隆大学的a u r a ( 2 0 0 1 ) 系统等f 1 4 】。 为更好的实现人员定位，a t & t 实验室开发了基于射频电磁波与超声相的定位技术 的a c t i v eb a t s ( 2 0 0 4 ) 系统【坫】和麻省理工学院的c r i c k e t 室内定位系统1 1 6 1 。这类系统利用标 识人员身份编码的r f 信号和超声波信号来实现对人员身份和位置的确定。 以上系统已经在国外煤矿中有了广泛的应用，而且已经取得良好的效果，但是将它 们引入国内就有一定的困难。首先，最先进的技术是不会出口到国内的。其次，即使某 些技术被引进到国内，引入费用和维护费也将会很高，并且受制于人，因此我国必须研 制具有独立知识产权的煤矿下移动目标定位系统。 2 0 世纪8 0 年代，我国原煤炭部组织了对国外煤矿监控技术进行大规模的考察，先 后从波兰、法国、德国、英国和美国等国引进一批安全监控系统【- 7 1 ，在引进技术的同时， 结合我国煤矿的实际情况，研制出了适合我国煤矿实际情况的监控系统，例如k j 2 ，k j 2 2 等。但是这些系统是综合型监测系统，侧重于安全参数的检测和控制，没有对井下人员 和车辆进行实时监控。 随着自动识别技术在国内各行各业的发展和应用，国内一些煤炭科研机构不断推出 新一代的人员自动识别系统，并成功应用于井下人员的管理【l 。1 。到目前为止国内部分矿 井，尤其是现代化矿井都安装了识别系统，取代了以前依据矿灯来对井下人员进行管理。 人员识别系统从最初的条形码、光电孔卡式到现在的指纹、红外线式考勤形式各不相同， 这些技术装备利用不同的识别原理对井下人员进行监控、记录。 神华集团上湾煤矿根据井下煤储存量和持续开采时间的具体情况，论证了在井下安 装无线通讯系统的经济可行性，并决定使用美国u t 斯达康公司生产的p e r s o n a la c c e s s p h o n es y s t e m ( p a s ，俗称小灵通) 无线通讯系统1 1 9 1 。该系统可以在特殊环境下通过无线通 讯方式实现话音和数据呼叫。它采用数字传输体系和基于p h s 标准的无线传输技术，具 有丰富而灵活的接口，通过数字接口连接基站为特殊行业( 如煤矿、石油、化工等) 提供 了切实可行的无线通讯解决方案。 煤科学总院重庆分院开发推出了“k j 9 0 矿井人员跟踪定位及考勤管理系统 ，这种 技术和设备在煤矿投入使用后，可对全部入井人员进行有效监测和考勤管理1 2 0 l 。一旦事 故发生，就可立即从监控计算机上调阅查询事故现场的人员位置分布情况、遇险人员撤 2 井下移动目标监测与管理系统 退线路等信息，及时为事故抢险提供准确信息。同时，该系统还具备日常考勤管理功能。 在煤矿运输车辆监测方面也出现了一些产品【2 1 】，具有代表性的是中国矿业大学研制 的“矿车被动红外探测与报警系统 ，该系统对于运输车的监控起到了一定的作用。 总的来说，虽然我国在煤矿的安全监测方面已经取得了一定的成果，但与发达国家 相比仍有很大的差距，特别是中小煤矿的情况依旧不尽如人意，需要做出更多的投入和 努力。 1 3 存在问题 目前我国应用的煤矿监测与管理系统主要存在以下问题： ( 1 ) 不能对井下移动目标进行实时跟踪监测，无法实现具体时刻对井下移动目标具 体身份和位置的确定。 ( 2 ) 无法查询某指定下井人员和车辆当前或指定时刻所处的区域，不能能查询某指 定人员车辆本日或指定日期的活动踪迹。 ( 3 ) 实时性、稳定性差 系统通信方式多为主从传输方式，如有的系统采用r s 4 8 5 总线进行通信。主从通 信方式中从站只有当主站有数据请求时才能与主站通信，系统实时性不好；主从通信方 式对主站要求很高，若主站发生故障，整个系统就会瘫痪，系统可靠性较低。 、 ( 4 ) 维护量大，成本高 像红外线编码识别技术需要系统对矿灯进行改造和维护，工作量均比较大。包括其 它一些考勤方式在内，系统使用寿命短，投入成本高。 ( 3 ) 故障率高、可靠性不高 井下环境恶劣，设备容易受损，故障时有发生，识别信息容易丢失。 1 4 论文的主要研究内容 井下移动目标监测与管理系统要实现井上人员对井下人员和车辆的实时监测，实现 井下人员、车辆的身份确定及其定位，实现人员考勤和车辆统计功能。从而大大加强煤 矿的生产调度能力，在煤矿发生透水、火灾等灾害事故时，能及时定位被困人员并确定 其身份，为搜救工作及时进行提供保障，从而使煤矿的现代化管理水平大大提高。 主要的研究内容有：系统中方移动目标检测方式和数据传输方式的选择，系统的硬 件设计和软件设计是本文的重点研究内容。本文着重对该系统的硬件构成、各功能模块 电路的设计、模块间的接口电路和软件实现进行了介绍。 论文共分为7 章，其组织结构如下： 陕西科技大学硕士学位论文 第l 章绪论。主要介绍项目背景及研究目的和意义，国内外概况和现状，存在的问 题，最后给出了本文的主要研究内容和组织结构。 第2 章系统关键技术分析。内容包括多种检测方式和系统总线的介绍和比较，并确 定了本系统所采用的方式。 第3 章系统总体方案设计。内容包括系统结构、系统功能及性能指标和系统的特点。 第4 章系统的硬件电路设计。系统采用模块化的电路设计方法，把系统划分为射频 识别卡、读卡器和c a n 节点三部分，文中对各个模块的电路设计进行了详细介绍。对 选用的p c i 接口卡作了简要介绍。 第5 章系统软件设计。系统软件设计采用了层次化的程序设计思想，详细介绍了射 频识别卡和读卡器的程序设计，最后介绍了低功耗设计方法。 第6 章结论。文中对所做的工作进行了总结，并提出了目前存在的不足和今后改进 的方向。 4 井下移动目标监测与管理系统 2 系统关键技术分析 2 1r f i d 技术 自动识别技术是以计算机技术和通信技术的发展为基础的综合性科学技术，它是信 息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段。近年来，随着计算机技术的发展， 涌现出多种自动识别技术如条型码、磁卡、i c 卡、光学识别和射频识别等嘲，这些识别 技术都有各自的优缺点及适于应用的场合。 将这几种自动识别技术从各个方面进行比较，如表2 1 所示，进而选择适合在井下 移动目标监测与管理系统中使用的识别方式。 表2 - 1 自动识别技术比较 t a b 2 - 1t h ec o m p a r i s o no f a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y 由表2 一l 比较可以看出，r f i d 技术具有信息量大、无线通信、高保密性、高抗干扰 性、寿命长等优点，适合在煤矿井下等环境比较恶劣的地方。因此，在本文所论述的井 下移动目标监测与管理系统中，采用r f i d 技术作为监测终端的核心技术。 r f i d 即射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是一种自动无线识别和数据获 5 陕西科技大学硕士学位论文 取技术 2 3 1 。它是利用射频信号通过无线传输方式进行自动识别的技术。 基本的r f i d 系统由射频识别卡( 电子标签) 和读卡器( 阅读器) 组成如图2 2 所 不o m c u ，卜无线射 _ j 一 频芯片 ：一一一j 一一一： 射频识别卡 读卡器 图2 。jr f i d 系统组成 f i 9 2 1t h eb a s i cc o m p o s i n go f r f i ds y s t e m 目前生产r f i d 产品的很多公司都采用自己的标准，国际上没有统一的标准，可供 射频识别卡使用的几种标准有i s 0 1 0 5 3 6 、i s 0 1 4 4 4 3 、i s 0 1 5 6 9 3 和i s 0 1 8 0 0 0 ，应用最多 的是i s 0 1 4 4 4 3 和i s 0 1 5 6 9 3 2 4 1 。 根据不同的方式，射频识别卡有以下几种分类： ( 1 ) 按供电方式分为有源射频识别卡和无源射频识别卡。有源是指卡内有电池提供 电源，其作用距离较远，体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源射频识 别卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供 电，其作用距离相对有源射频识别卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。 ( 2 ) 按载波频率分为低频射频射频识别卡、中频射频识别卡、高频射频识别卡和超 高频射频识别卡。低频射频射频识别卡工作频率小于3 0 m h z ，典型的工作频率有： 1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 、1 3 5 6 m 等。其特点是成本较低、射频识别卡内保存的数据量较少、 识别距离较短( 无源情况，典型识别距离为1 0 c m ) 。中频射频识别卡工作频率 3 m h z 3 0 m h z 。典型的工作频率有：1 3 5 6 m h z 。其特点是成本较低、中频射频识别卡内 保存的数据量较少，识别距离一般也小于l m ( 最大读取距离为1 5 m ) 。高频射频识别卡 工作频率大于4 0 0 m h z ，典型的工作频率有：9 1 5 m h z 、2 4 5 0 m h z 、5 8 0 0 m h z 等。其特 点是射频识别卡及读卡器的成本都较高、高频射频识别卡内保存的数据量较大、识别距 离较远( 可达几m 至十几m ) ，适应物体高速运动性能好，有较强的方向性。超高频射 频识别卡工作频率有：4 3 3 9 2 m h z ，8 6 2 ( 9 0 2 ) 9 2 8 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。其特点是射 频识别卡及读卡器的成本都较高、超高频射频识别卡内保存的数据量较大、识别距离较 远( 可达1 0 0 m ) ，适应物体高速运动性能好，有较强的方向性。 ( 3 ) 按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频识别卡用自身的射频能 量主动地发送数据给读写器；被动式射频识别卡使用调制散射方式发射数据，它必须利 6 井下移动目标监测与管理系统 用读写器的载波来调制自己的信号，读卡器只激活一定范围之内的射频卡。 ( 4 ) 按作用距离可分为密耦合射频识别卡( 作用距离小于1 c l n ) 、近耦合射频识别卡 ( 作用距离小于1 5 c m ) 、疏耦合射频识别卡( 作用距离约l m ) 和远距离射频识别卡( 作用距 离从l m 到1 0 m ，甚至更远) 。 ( 5 ) 按芯片分为只读射频识别卡、一次写多次读射频识别卡和多次读写射频识别卡 卡。 r f i d 系统的工作流程嘲： 最常见的是被动式射频识别系统，当被动式射频识别卡进入读卡器的电磁波范围内 时，射频识别卡从电磁场中获得能量，进而激活其中的微芯片电路，从而产生电磁波， 视频识别卡产生的电磁波被读卡器接收后，读卡器就把相应的数据通过控制模块对这些 数据进行字头和c r c 校验码得处理。 在主动射频系统中，主动式射频识别卡不断发出电磁波，当它进入读卡器的接收范 围时，主动式射频识别卡发出的电磁波被读卡器接收，读卡器就把相应的数据通过控制 模块对这些数据进行字头和c r c 校验码的处理。 2 2c a n 总线 在测控网络中，常用的通信技术有r s 一2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线等【2 6 】。由于r s 2 3 2 在实际系统中已经使用较少，本文不再作讨论。c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 属于现场 总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络 2 7 1 。将它与r s - 4 8 5 的性能进行比较，如表2 2 所示。 表2 - 2c a n 总线和r s 4 8 5 性能比较 t a b 2 - 2p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nb e t w e e nc a nb u sa n dr s 4 8 5 7 陕西科技大学硕士学位论文 由表可知r s 一4 8 5 除了硬件成本开发难度比c a n 总线稍具优势外，其他性能方面都 没有可比性。而基于c a n 总线的分布式控制系统具有明显的优越性： ( 1 ) c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权( 取决 于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，且c a n 协议废除了 站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据， 这些特点使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗 余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。 ( 2 ) c a n 总线通过c a n 控制器接口芯片的两个输出端c a n h 和c a n l 与物理总 线相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 端只能是低电平或悬浮状 态。当两个节点同时向网络传送数据时，优选低的节点主动停止数据发送，而优级高的 节点可不受影响继续传输，有效避免了总线冲突。 ( 3 ) c a n 多组节点c a n 控制器，可以点对点、一点对多点( 成组) 及全局广播方 式传送和接受数据，各节点都可根据总线访问优先权( 取决于报文标识符) 采用无损结构 的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，这可使不同的节点同时接收到相同的数据。而 且c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，总线上其他节点的操作不受 影响。 ( 4 ) c a n 具有完善的通信协议，可由c a n 控制器芯片及其接口芯片来实现，从而 大大降低了系统的开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的r s - 4 8 5 所 无法比拟的。 因此，在本文所论述的井下移动目标监测与管理系统中，采用c a n 总线作为数据 传输技术。 2 3 小结 本章主要将常用的井下移动目标自动识别方式和现在流行的通信方式进行比较，选 择了r f i d 作为系统中移动目标识别方式，选择c a n 总线作为系统数据传输总线。 8 井下移动目标监测与管理系统 3 系统总体设计 3 1 系统结构 井下移动目标监测与管理系统融合了计算机技术、通信技术、r f i d 技术等，实现 了对煤矿井下移动目标的实时监测，系统由井下监测终端和计算机监测中心组成，如图 3 1 所示。 ( 1 ) 井下监测终端包括射频识别卡( 电子标签) 、读卡器、c a n 节点、电源等。 ( 2 ) 计算机监测中心包括p c i 接口卡、p c 机、打印机和电源。 ip c i t 差l tpi l c a n h li 熏 0 辆 德 入员 贫德 人烫入员 嘲贫 乍辆人员 图3 1 并下移动目标监测与管理系统的组成 f i 9 3 1t h ec o m p o s i n go f t h em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n ts y s t e mo f t h em o v i n gt a r g e t si nt h em i n e 3 2 系统的功能及性能指标 3 2 1 系统的功能 系统由井下监测终端和计算机监测中心组成。实现的功能如下： ( 1 ) 定位识别 系统实现对井下人员及车辆进行定位识别，并对其运行轨迹监测，井下人员每时每 刻在坑道的实时动态分布，根据井下的实际地理情况制作相应的动态图，使井下情况一 目了然； ( 2 ) 考勤管理和生产调度 9 陕西科技大学硕士学位论文 系统实现对人员、车辆的下井时间、下井次数和井下工作时间的监测，并将信息进 行存储、分析显示及报表打印，从而实现对矿工的考勤，实现对车辆的监测，加强了煤 矿的生产调度。 ( 3 ) 安全管理 当需要查找某一人员时，可向射频识别卡发出命令信息，识别卡报警，告知该人员。 系统实现查询人员和车辆的具体位置的功能，使在事故发生时，可以迅速准确判断受困 人员身份及具体位置，为营救提供有力保障，使煤矿的安全管理能力大大提高。 ( 4 ) 系统自检 系统实现对射频识别卡电池电压监测，对读卡器和c a n 节点供电情况及其运行状 态监测，从而保证系统正常运行。 3 2 2 系统的性能指标 系统要达到的的性能指标： ( 1 ) 选用2 4 g h z 的射频信号频率； ( 2 ) 持卡人员速度可达5 m s ；车辆行驶速度可达1 0 m s ，能够准确识别； ( 3 ) 并发射频识别卡数量可达8 0 。 ( 4 ) 最大传输距离 a 射频识别卡到读卡器的无线传输距离为0 - 6 0 m ( 无遮挡) ； b 读卡器至p c i 接口卡之间最大距离可达1 0 k m ； c 读卡器之间距离为5 0 m ； ( 5 ) 最大监控容量 系统允许接入的读卡器数量可达2 5 6 个； 射频识别卡识别卡数量可达6 5 5 3 6 个； ( 6 ) 存储时间 系统对人员、车辆的下井时间、下井次数和井下工作时间等记录可保存3 个月； ( 7 ) 识别卡电池寿命 识别卡为不可更换电池，电池寿命不少于1 年。 3 3 系统的特点 本系统主要采用射频识别技术、现场总线技术，计算机技术，实现对井下人员车辆 的定位，加强了煤矿的安全管理和生产调度能力，使煤矿的现代化管理水平大大提高。 本文所设计的井下移动目标监测与管理系统具有以下特点： ( 1 ) 系统可靠性好 r f i d 系统工作在2 4 g h z ，采用了s h o c k b u r s t t m 收发模式实现射频识别卡与读卡 1 0 井下移动目标监测与管理系统 器信号的无线传输，保证了数据传输的可靠性；射频识别卡电池电量不足，可通过发送 数据通知计算机控制中心，计算机监测中心可以向读卡器发送命令，实现对其运行情况 的监测，保证系统的可靠性。 ( 2 ) 传输距离长，实时性好 井下数据通过c a n 总线传输给计算机监测中心，可以随着煤矿的掘进不断增加 c a n 节点，实现传输距离扩展，总线长度可达1 0 k m ；由于c a n 总线数据传输速率高， 因此系统的实时性好。 ( 3 ) 自动化程度高 整个识别过程系统自动完成，无需人为干预，因此系统的自动化程度高。 ( 4 ) 抗干扰力强 系统在软硬件设计上也采取了多重抗干扰措施。射频识别卡进行防爆防潮封装，读 卡器电路安装在一个具有密封垫的铝壳箱中，将铝壳接地，以屏蔽外来干扰，增强系统 的防潮、防灰尘防水的能力。 3 4 小结 本章介绍了井下移动目标监测与管理系统的总体结构，详细分析了系统功能，提出 了系统的性能指标，最后介绍了系统的特点。 陕西科技大学硕士学位论文 4 系统硬件设计 井下监测终端主要包括射频识别卡、读卡器和c a n 总线智能节点，下面分别进行 介绍。 4 1 射频识别卡电路设计 由于射频识别卡频率越高识别距离越远，有源识别卡比无源识别卡的识别距离远， 为实现较大范围的目标识别，系统将射频识别卡设计为频率为2 4 g h z 的有源的射频识 别卡。为使射频识别卡方便携带，因此设计识别卡电路尽量小。 如图4 1 所示，射频识别卡包括无线射频芯片、控制器m c u 、天线和电源。 天 线 图4 - 1 射频识别卡原理框图 f i 9 4 - 1t h ed i a g r a mo fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nc