（物理电子学专业论文）射频识别技术在矿井监控与定位系统中的应用.pdf

捅要 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i e a t i o n 卜射频识别技术，作为快速、准 确、实时、高效采集与处理信息的高新技术与信息标准化基础，已经被世界 公认为本世纪十大重要技术之一，在生产、零售、物流、交通、矿井等许多 要求非接触数据采集和交换的场合有着广泛的应用前景。 在大量收集国内外射频识别技术应用资料的基础上，结合我国煤矿安全 管理的现状，将射频识别技术结合现代通信技术应用在矿井监控与定位中， 我们研制开发了一套矿井监控与定位系统。通过该系统可以实现对矿工的定 位考勤、井下车辆的调度管理、矿井瓦斯浓度采集、区域禁入管理、紧急事 件处理等多种功能，然后经过c a n 总线将井下采集站采集到的环境信息及人 员分布情况及时地传到地面监控中心，为矿井各级领导对矿井生产进行监 督、指挥与决策提供了重要的依据，为保证矿下安全生产、提高管理效率提 供了有效的手段。 论文首先分析了目前我国矿井生产中的安全管理现状，根据矿井特殊的 生产环境结合射频识别技术原理提出了系统的功能要求、技术参数和整体结 构，确定了本设计的总体方案：然后重点论述了系统中数据采集站与识别卡 的硬件设计，给出了系统的管理软件和应用程序的流程图；最后讨论了系统 的调试及抗干扰措施。 这套系统的创新在于综合应用了射频识别技术、计算机通信以及c a n 总 线技术等多项先进的技术，来实现对矿井的自动监控与定位。而且系统可扩 展性强，使用灵活。例如根据实际需要对处理器中的程序做不同的修改；也 可以添加更多的功能模块对系统做不同的扩充，实现语音、短信等功能。可 以说在该系统的基础上设计其它r f i d 系统完全没有问题。例如高速公路收费 的车载r f i d 系统，电子门锁防盗装置等需要信息识别的场合。 关键词：射频识别数据采集站识别卡抑制干扰 a b s t r a c t r f t o ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i t i e a t i o n ) - - - - - - t l a er t t d i of r e q n e yt e e l m o l o g y h a sa l r e a d yb e e n 牡p t c d 弱o n eo ft e ni m p o r t a n tt e e l a n o l o g i e sf o rt h i sc e n t u r y u n i v e r s a l l y , a n da l s oc o n s i d e r e da st h ei n f o r m a t i o ns t a n d a r d i z a t i o nf o u n d a t i o i l w h i c h 湖r e a l i z eg 斑h 出ga n dp r o c e s si n f o i m a l j o nf a s t , r e a l - t i m ea n da e e u r - 咖l y i th a sb e e nw i d e s p r e a du s e di nm a n yf i e l d s 鲷l c ha st h ep f o d u e t i o n , t h en 舢 s a l e s ，t h ec 1 1 t 黯，t l a el z a n s p o r t a t i o n , t h em i n ea n ds oo n , w h i e l ar e q u e s t se l a e e k w i t h o u tt o u c ht og e ta n ds w i t e l ad a t a o nt h eb a s i so f v a s tc o l l e c t i n gt h e 嘴s i t u a t i o no f r f i da t l de o n s i d e r i n gt h e s t a t u so nt h es e c u r i t ym 锄a g eo ft h em i n 岛t h i st h e s i ss t l l d i e st h ea p p l i c a t i o no f r f i di nt h em i l l em o n i t o r i n ga n dl o c a l i z a t i o ns y s t e m w i t ht h i st e e l a n o l o g ya n d t h en l o d 髓- n c o m p u t e re o m m t m i e a t i o n , 1 h i ss y s t e mc a n r e a l i z et h em i n e r s i o t a _ i l i o n , t h em i n ev e l a i e l e sm a l l a g e m c n t , t h eg a sd e n s i t yg a t h e r i n g ，t h er e g i o n m a n a g e m e n ta n du r g e n te v e n tp r o c e s s i n ga n ds oo n , a n dt h e nt h eg a t h e r e d i n f o r m a t i o nw i l lb el r a n s m i t t e dt ot h eg r o u n dm o x l i t o r i n gc e n t e rt l a r o u g ht h ec a n l i n ep r o m p t l ya n de f f e c t i v e l y s ot h em i n o , l _ e p a m l e n t sa n dl e a d e r sc 觚g e tt h e c o r r e l a t i v ec i r c u so ft h em i l l e 嘲i l y , p r o v i d i n gt h e mw i t ht h ei m p o r t a n tb a s i sf o r t h es u r v e i l l a n c e , t h ed e c i s i o n - m a k i n g t h u st h es y s t e mw i l lp r o m o t et h es a f 耐yi n p r o d u c t i o n a n dt h em a n a g e m e a te f f i c i e n c y f i r s t l y , t h i sa r t i c l ei n l l * o d u c 黜t h es t a t u so nt h es 础- i t ym a n a g eo f t l a ed l i n o a n dg i v e se o n s l z u e l i o n 、f t m e t i o nr e q u e s ta n dt h et e e l a n i e a lp a r a m e t e ro f t h em i n e l o c a l i z a t i o ns y 她i nv i e wo ft h e e s p e c i a l e n v i r o n m e n to ft h em i n e e m p h a t i c a l l yi l l a k l ：t h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ht ot h er a d i o 盘e q u 锄铡i d e n t i f i c a t i o n t e e l m o l o g y t h e n i td i s c u s s e se l a b o n l t e dt h ed a t ag a t h e r i n g s t l l t i o na n d i d e n t i f i c a t i o nc a r dw i t he m p h a s i sa b o u tt h ec o m p o s i t i o np r i n c i p l e ，t h ed e v i c e e l a o i c ea n dt h eh a r d w a r ed e s i g np r o c e s sa n dt h ep r o c e d u r eo f t h es y s t e m f i n a l l y i td i s c u s s e st h ed e b u g g i n ga n da n t i - j a m m i n gm e 掷u r e o f s y s t e m t h ei n n o v a t i o no f t l a et h e s i si st h a ti ti n t e g r a t e st h et e c h n o l o g yo f r f i d 、t h e c o m m u n i c a t i o na n dt h ec a nt or e a l i z et h em o n i t o r i n ga n dl 讲疆l 删o no ft h e 2 m i l l e ，w i t ht h i ss y s t e mw om a yn o to n l yr e a l i z et h ef t m c t i o no fm o n i t o r i n ga n d l o c a l i z a t i o nt ot h el n i n o ，m o r e o v e ri th a sc h a r a c t e r i s t i c so fs t r o n ge x t e n s i o na n d f l e x i b l yi nu i s e f o re x a m p l e ，w ec a nm a k ed i f f e r e n tr e v i s i o na b o u tt h em c u a c c o r d i n gt ot h ea c t a a tn e e d , o d o w n l o a dd i f f e r e n tp r o c e d u r et od i f f e t 嘲a ts y s t e m t h eh a r d w a r em o d u l eo ft h es y s t e ma l s om a yb ee x p a n d e da c c o r d i n gt on e e dt o r e a l i z et h ef u n c t i o no fs o t m da n dt h es h o r tm e s s a g e i ti sn op r o b l e mt od e s i g n o t h e rr f i ds y s t e mo nt h eb a s i so ft h i ss y s t e m s u c ha st h eh i g h w a yc h a r g e v e h i c l ec a r r i e st h er f i ds y s t e m , e l e c t r o n i cs e c u r i t yi n s t a l l m e n ts i t u a t i o na n ds o o i l k e yw o r d s ： r f i dd a t ag a t h e r i n gs t a t i o n i d e n t i f i c a t i o nc a r d a n t i - j a m m m g 3 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 煤炭资源是社会发展的重要物资基础，在经济建设和人民生活中有着重 要的意义。我国是一个产煤大国，如何在保证安全的基础上提高综合开采煤 炭资源的水平，是煤矿安全生产的重要问题。 近年来，全国矿井事故不断发生，如何保障安全生产，提高事故发生后 的搜救效率，摆在了国家各级主管部门和煤矿领导面前。但是矿井巷道纵横 交错、地形复杂，井下人员作业有一定的流动性，通讯不便，具体人数、具 体位置时刻发生变化，地面调度很难知道井下人员的具体分布情况，特别是 安检人员、瓦检人员、维护人员和管理人员的位置及作业情况，不利于安全 监督和动态调度。一旦井下发生瓦斯、煤尘爆炸、透水等事故，地面人员难 以实时地掌握井下人员的分布情况，不能进行精确的人员定位。不利于制定 切实有效的救灾救援方案，降低了抢险救灾、安全救护地效率，可能会造成 无法弥补的损失。因此，急需研制一套先进有效的煤矿安全管理系统。 现在，国内外研究机构开始将射频识别技术及计算机通信技术引入到煤 矿的安全生产中来，以加强煤矿的安全监控措施。射频识别技术( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f m ) 是种非接触的自动识别技术，其基本原理l l j 是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 传输特性，实现对被识别物体 的自动识剔。是一种快速、准确、实时、高效采集与处理信息的高新技术， 在生产、零售、物流、交通、矿井等许多要求非接触数据采集和交换的场合 有着广泛的应用前景。 当前，在国外最典型的矿井人员监测与定位系统产品是澳大利亚矿通公 司 2 1 的“人员及车辆定位系统( p e r s o n n e l & v e h i c l el o c a t i o ns y s t e m ) ”。该系统 主要由编码发射器、读卡器、地面中心站及数据传输通道组成。但是该系统 在使用中存在多种限制，如没有方向识别功能因而定位精度较低；该系统的 另一不足之处是功能单一，缺少门禁等功能当发生灾情，人员被埋没或被 困时，无法确定其更准确的位置，只能知道其大致的范围，给救灾工作带来 第一章绪论 一定的难度。 国内也在致力于煤矿安全监测与定位系统的研究，取得了一定的成绩， 但目前使用的“人员监测 产品的共同特点是功能单一、不能成网和需要人工 进行操作，因此识别精度不高，在矿井中的应用还不够广泛。现在越来越多 的公司都在积极的研究如何建立功能强大、自动化程度高、成本低的煤矿定 位系统，千方百计提高煤矿的安全水平 在调研国内外矿井定位系统p 4 及其它的射频应用系统的基础上，本设计 提出了一套以r f i d ( 射频识别) 技术为基础的矿井人员监测和定位系统， 该系统主要由数据采集站( 读写器) 、电子识别卡( 应答器) 、地面中心站及 数据传输通道组成，可以实现地面对井下人员情况的实时调度和信息沟通， 该系统也是射频识别技术、无线电技术和计算机软件处理技术在井下应用的 重大实现 1 2 系统的工作过程 该系统的工作过程为：矿井地面监控中心主计算机在软件数据库的支持 下，通过传输接口和c a n 总线，定时对安装在矿井各巷道进出口、交叉道 口、工作面、重要酮室、危险场合( 如盲巷) 、地面主要出入口等位置的采 集站采集，进行数据巡检和信号采集，以得到由区间内员工、车辆等携带的 识别卡发射的电子数据信号和传感器采集的瓦斯等环境数据信息，然后经圭 机软件处理分类，可将井下人员( 含机车等移动目标) 动态分布和井下环境 安全参数在井上监控中心得以实时反映，从而实现井下人员动态、环境安全 参数在井上数字化监控管理的目的。 1 2 1 系统功能 ( 1 ) 矿井目标定位、跟踪 矿井目标包括人员、车辆以及一些移动设备等。当携带有识别卡的人员、 车辆、设备进入监测分站的检测范围，监测分站可以将相关人员的身份、车 辆车号、设备编号等信息读出并传送到控制中心，控制中心的计算机将收到 的信息显示在屏幕上，同时保存到数据库中，以备随时查阅。系统结合井下 4 第一章绪论 电子地图可以显示某个区域那人员、车辆、设备的分布情况，可以显示特定 人员、车辆在井下的移动路线；可以对指定人员、设备进行定位和跟踪；可 以查询特定人员、车辆在并下的位置；可以实时显示定位信息，也可以查询 某历史时刻的定位信息；特别是发生紧急事件时，可以快速定位人员的准确 位置，以便及时有效地对事故现场人员进行搜寻和定位，为救护提供可靠信 息。 ( 2 ) 人员无线寻呼 当系统需呼叫某一个人时，可以通过监测分站发出呼叫信号，提示相关 的人员。在需撤离或寻找失踪人员时，该系统将发挥重要作用。 ( 3 ) 系统考勤 通过对井下工作人员的入井、升井时间以及在井下各区域停留时间的记 录和统计，及时提供员工在井下期间各巷道生产面的员工人数，当日下井人 次，对矿长瓦检员等下并人员分类别进行时间段、日、月统计，根据查询结 果可生成综合统计报表进行打印，从而为企业提供了考勤管理的基础信息。 ( 4 ) 环境监控功能 系统通过安装在井下瓦斯传感器等设备可以实现自动监测瓦斯浓度，超 限报警；自动监测c o 浓度，超限报警；自动监测温度，超限报警；自动监 测风速，超限报警；根据实际需要实施电闭锁。 ( 5 ) 网络化与信息共享 井下监测与定位系统在矿内、局内可进行联网监测在局域网上运行，可 以实现矿井目标定位、安全管理信息的充分共享，为矿井各部门及各级各层 领导提供实时监测信息和历史信息，也可通过强大的功能软件在i a t c m e t 访 问有利与外出人员和出国人员随时掌握矿内和局内各种信息，为监督、指挥 和决策提供重要依据。同时为了安全设置了用户权限管理功能，一般用户只 能查看一般信息，责任用户只有将户名和密码登陆后才能进行数据的增、删、 改，同时也避免了不同操作员之间彼此的录入数据。 1 2 2 主要技术指标 系统容量：可连接数据监测分站1 2 7 个，无线编码发射器1 6 3 8 4 个； 第一章绪论 传输方式：主从方式，半双工；与主机通信采用r s 2 3 2 ，井下为总线方 式： 传输速率：4 8 0 0 9 6 0 0 1 9 2 0 0 b p s ( 用户可设定) ； 地面中心站至数据监测分站最大传输距离：l o l a n ； 编码发射器供电电压：d c l 5 v 一5 5 v ： 数据监测分站最大有效接收区半径：8 0 2 0 0 米( 现场设定) ； 工作频率：4 3 3 - 4 3 4 m i - i z ： 系统具备实时查询当前井下人员、身份、区域信息，可对事故现场人员 进行搜寻和定位，对救护提供可靠信息、可与局域网进行联网，达到信息共 享，具有统计、打印等功能。 1 3 关键技术 ( 1 ) 本系统的关键技术之一在于射频识别技术的应用。即如何应用射频 识别( r f i d ) 技术实现对矿井目标信息的采集，具体即是如何设计识别卡和 数据采集站。 ( 2 ) 关键技术之二在于系统软件的开发，即系统灵魂的开发，由其来完 成信息采集、识剐、加工、显示、存储及传输功能。软件系统包括两大部分， 井下的5 1 单片机汇编程序和地面监控中心的管理软件，由这两部分软件共 同支撑着整个系统的运行。 ( 3 ) 关键技术之三为如何将采集到的目标信息，送至中央监控室。系统 的通信距离要求在1 0 k m 左右，一般的现场总线难以达到这一指标，而目前 应用比较成熟的c a n 总线却能满足这个技术要求。 ( 4 ) 关键技术之四在于本系统应用在井下，环境条件十分恶劣，井下设 备维修不便，工人操作不便，所以所选择的设备必须具备耐用、稳定性高、 拆卸简单符合隔爆或本安标准等要求；同时在设计过程中也要有相应的抗干 扰设施。 1 4 论文的总体规划 这篇论文的目的就是利用射频识别技术来设计一个矿井信息采集与定 6 第一章绪论 位系统。作为实现矿井目标的自动化识别与智能化管理的信息采集平台，其 功能是把矿工、车辆及设备的主要信息写入电子识别标签中，实现矿用安全 监测。基于此目的，文中把整个课题的研究任务分为以下三个部分来完成： ( 1 ) 总体方案设计 这个部分首先介绍射频识别系统的原理、工作方式以及射频识别技术的 物理基础及相关技术，然后对射频识别系统中的读写器与应答器进行简单的 介绍，最后确定整个系统的总体方案。 ( 2 ) 数据采集站( 阅读器) 与识别卡( 电子识别标签) 的设计 采集站与识别卡的设计分为硬件设计和控制程序两个模块来完成。在硬 件设计中，按照二者的组成分别对其工作原理、控制单元以及所使用的各种 芯片进行研究，选用一种比较合适的接收和发射方案，并给出其具体的实现 电路。 ( 3 ) 应用系统软件设计 在前面的理论研究和硬件设计的基础上，本部分对实际的矿井目标信息 采集系统的p c 机操作界面和数据库进行设计。首先，制定了应用程序的整 体框架完成p c 机与阅读器的通信，然后对系统中所要完成的各个操作流程 进行设计，给出流程图。 另外，系统还给出了抗干扰技术等其他可扩展性的内容。 7 第二章射频识别技术原理与应用 第二章射频识别技术原理与应用 2 1 射频识别技术的物理学基础 无线射频识别技* ( r a d i o 姻啪眵i d e n t i f i c a t i o n ，m ) 是一种非接触的 自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合瞒 输特性，实现对被识别物体的自动识别。般来讲，射频识别系统由两个部 分组成，阅读器( 读写器，m ：a d 盯) 和电予标签( 应答器，t a g t r a n s p o n d e r ) 。在 射频识别系统的实际应用中，电子标签附着在被识别的物体上( 表面或内部) ， 一旦带有电子标签的被识别物体进入可识读范围时，阅读器可以自动以无接 触的方式将约定的信息从电子标签中读取出来，从而完成自动识别物品或者 自动收集物品标志信息的功能。射频识别技术是直接继承了雷达的概念，并 由此发展起来的一种新的自动识别技术。1 9 4 8 年，哈里斯托克曼 s t o c k n m ) 发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别的理论基础，成为射 频识别理论领域的不朽之作【1 1 。 为了深入理解射频识别系统的工作方法，必须首先探讨其赖以依托的物 理学基础。按照射频识别系统所使用的无线电波的频率划分，低于3 岫的 系统一般是按电感耦合的原理工作的，要理解阅读器与应答器之间的能量和 数据传输的过程，必须使用磁场理论。而要理解无线电波的频率在3 0 m h z 以 上的射频识别系统，则必须使用电磁波理论。另外还有的系统使用表面波原 理，由于目前实际应用相对较少，本文不作介绍。 运动的电荷产生磁场。对于电感耦合的射频识n ( p f i d ) 系统的读写器来 说，为了产生交变磁场，一般采用导体回路来做磁性天线【5 】。深入的研究表 明，从线圈的中心到一定距离内的场强几乎是不变的。两个相互接近的导体 回路之间，一个回路产生的磁通量穿过另一个回路可以在另一个回路上面产 生感应电压，电感耦合的射频识别系统正是基于这一个物理现象而工作的。 然而，随着读写器和应答器之间的距离的增大，电感耦合将不再有用武之地， 这是因为导体回路产生的场强开始急剧下降。初始磁场从天线上开始，在空 间感应电力线，这个范围被穆为天线的近场。当距离为珑时，电磁场脱离 0 第二章射频识别技术原理与应用 天线，并作为电磁波进入空间，这种脱离的电磁场被称为远距离场，这时， 不能通过电感或者电容的耦合而反作用于天线。源于雷达技术的电磁波反射 原理是高频射频识别技术的物理基础。电磁波从天线向周围空间反射，会遇 到不同的目标，达到目标的高频能量的一部分被目标吸收，并转变成热量， 另外一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一小部分最终返 回到发送天线。对射频识别系统来说，用电磁波反射( 反向散射系统) 进行从 应答器到阅读器的数据传输 2 2 射频识别技术的工作原理 由于射频识别系统种类繁多，不同种类的射频识别系的工作原理各有不 同。在这一节中将根据数据载体的不同，主要分两个方面来阐述。一种是所 谓的l 比特应答器旧，它只表示两种可能的状态：“相应范围内有应答器”或者 “相应范围内没有应答器”，另外一种是用芯片储存数据的应答器，储存的数 据量可以达到数千字节。 2 2 11 比特应答器 1 比特应答器仅需识别两种状态“l ”或“o ”。虽然功能简单，其构造也十分 简单且价廉有的甚至做成一次性的消耗品来使用。但是它的应用范围仍然十 分广泛，特别是在超级市场里作为电子产品监视器来使用。电子防盗器( e a s ) 一般由一个阅读器或检测器的天线、安全保密设备或标签以及一种可选的在 付款后使标签无效的去活化器。有一些系统还使用另一种活化器，用这种活 化器可以将去活化后的标签重新活化成可以再次使用的。l 比特应答器主要 有以下4 种基本实现方法。同时，这些基本方法也是后面要阐述的带芯片的 应答器射频识别系统的实现方法的雏形。 ( 1 ) 射频法 射频附) 法是运用l - c 振荡回路工作的。这时的应答器实际上就是个l c 振荡回路，电感是蚀刻的印制线圈，电容为平面薄膜电容( 约1 0 u m 厚) 。因 此可以把它们做成平面的标签，粘贴在商品上，其谐振频率为f r 。工作时， 阅读器的天线发出频率为岛的扫频信号，如图2 1 所示，若有一应答器位于阅 9 第二毒射频识别技术原理与应用 读器的作用范围内，则当f r - - f o 时，在应答器的l c 回路上产生谐振，显然， 只有在应答器谐振时，才从阅读器吸取能量。这样，没有负载时，阅读器天 线线圈的电流为一恒定不变的值1 0 ，有应答器时，在f o = f r 处产生一个上凹( 线 圈电压产生一个下凹) 。检测b 发现了天线线圈电流的上凹，就说明在阅读 器工作范围内有应答器的存在。 正常工作时，在收款处由收款员把电子标签揭下来( 可以重复使用) ，或 是用一个能产生足够强磁场的去活化器来击穿应答器的薄膜电容器，这种击 穿是不可逆的( 一次性使用) ，从而使l 心回路失谐，不能再对岛谐振而失去作 用。这样，因为检测不到信号，所以是平安无事的。否则，阅读器会因发现 应答器的存在而报警。 ( 2 ) 微波法 如果把上述的射频l 比特应答器的工作频率改变到微波波段内，把薄膜 电容改变为电容二极管，就构成了一个微波l 比特应答器( 参见图2 2 ) 。阅读 器不必扫频而直接发送厶瓜的微波信号，由于变容二极管的非线性效应，将 产生出f a 的n 次谐波，按二极管的类型，可选用2 次或3 次谐波。此谐波将被应 答器的偶极子反射回去，并被接收器接收检波以表明其存在。为了方便起见， 可对基波进行调制，应答器产生的谐波中也都包含有这种调制。以便用来区 别干扰”信号和有用”信号，从而可以在很大程度上排除由于外来信号造成 的错误报警。在收款处可将标签揭下，以备重复应用。 岔 出：a 宙2 1 舟读蠢电藏在谐拗f 的麦化 1 0 第二章射频识别技术原理与应用 厶日 “钽 2 x 矗g = = = 电容= 极蕾 圈2 2 徽波标簦基本电路 ( 3 ) 分频器 工作频率处于1 0 0 1 3 5 5 k h z 的长波范围内，和微波的应答器相反，这里 应用了分频技术。安全标签中包含了一个微型芯片，外接电容和漆包线绕成 的振荡回路。 应答器的微型芯片从阅读器的磁场中取得工作时所需的能量。微型芯片 把收到的长波信号分频后回送给阅读器。分频信号经一个抽头送回到振荡回 路。用低频触发安全装置的磁场( 经a s k 调制) 可以改善检出率。载波受到的 调制保持在分频( 分谐波) 的信号中，可用以区别干扰”和“有用”信号。这样， 系统几乎完全排除了错误报警。 ( 4 电磁法 电磁型1 比特应答器用1 0 h z 一2 0 k h z 的低频强磁场工作，所用电子标签中， 有一条具有倾斜磁滞回线的坡莫合金软磁带，在强交变磁场中，磁带的极性 周期地反复改变。外加磁场h 在跨越零处的改变，使磁带中的磁通密度b 发 生突然变化，产生了阅读器信号频率的大量谐波。这些谐波可以由安全装置 接收和处理。电磁法可以通过将附加的高频信号加到主信号上进行优化，由 于磁带的磁滞回线的明显的非线性，不仅产生了谐波，还产生了所有信号的 和频与差频信号。设主信号频率为而最i = 2 0 h z ，而附加信号为f i _ 3 5 k h z 和。 f z = s 3 k h z ，所产生的一阶信号的频率将是： f i + | = 曷+ 2 = 8 8 0 妊舷 l l 第二章射频识别技术原理与应用 五- 8 嗡2 = 1 8 0 l 【h z 轩哺礴_ 3 5 2 l 沮z 等等 阅读器对主信号基频的谐波没有反应，而是对另外的和频或差频信号起作 用。电子标签做成数厘米至2 0 厘米长的粘贴带，由于工作频率很低，因而， 这种电磁型应答器是唯一的适用于金属商品的系统。然而，这种标签的缺点 是对于位置的依赖性，为了可靠地检出，阅读器的磁力线应垂直通过坡莫合 金带。为了去活化，标签上覆盖有易于磁化的金屑涂层，它在外部强永久磁 场的作用下磁化。由于它预先被磁化，阅读器的较弱的交变磁场不再能改变 坡莫合金带的极性，因而应答器也就不能再被读出通过去磁化，标签可随 时被再活化。而且可进行任意次数的活化和去活化。因此，这类应答器的主 要应用领域本来是外借图书的图书馆，由于标签小( 最小为3 2 m m 长) 而便宜， 这些系统也越来越多地用于食品零售业了。 2 2 2 传输数据的应答器 1 比特应答器大多通过应用简单的物理效应 o o 黜 1 x ) ( j、 、m i 7 n r f 4 0 1 芯片必须外加简单的外围器件构成收发模块方可工作，在本采 集站的设计应用中1 1 恻，n r f4 0 1 的连接方式如图3 6 所示。 n m 一 1 ：一m m 御 m 第三章系统的硬件设计 l 龟 砰 声 暑己 f。 1 i i 一 _ l i 煎 毫- w a t t t - 曲 匕h _ 牟 i - ” 、 _ _ 1 f1 i l 广i 岛， n mg m i1 ”坚 ：= c i l 。r ；t ” l i = 蹄韶 i a n t l 和a n 1 2 是接收时接收放大器( i ，n a ) 的输入，以及发送时功率 放大器的输出，天线是以单端天线的方式连接到n 砌4 0 1 上的，功率放大器 输出是两个开路输出三极管，配置成差分配对方式，功率放大器的v d d 必 须通过集电极负载，当采用差分环形天线时，v d d 必须通过环形开线的中 心输入。p l l 环路滤波器是一个单端二阶滤波器，在数字信号由d i n 引脚 输入时，环路滤波器为压控振荡器( v c o ) 提供反馈电压，用于稳频。芯片的 v c o 电路需要外接一个v c o 电感，这个电感是非常关键的，需要一个高质 量的q 值，4 5 4 3 3 ，精度为2 。调整r f 偏压电阻r 9 可以调节输出发射 功率，最大发射功率可以调整到1 0 d b m 。n r f 4 0 1 使用一个4 m 的晶振，制 作p c b 板时，要注意从引入的晶体走线不能离单片机太远。 3 3 4 液晶显示电路 液晶显示电路可以实现当前数据采集站的工作内容，如正在检测的识别 卡号、瓦斯浓度温度、时间等参数。用金鹏科技有限公司o c m 4 x 8 c 液晶模 块。该液晶显示模块是1 2 8 x 6 4 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉 字及图形，内置国标g b 2 3 1 2 码简体中文字库( 1 6 x 1 6 点阵) 、1 2 8 个字符( 8 x 1 6 点阵) 及6 4 x 2 5 6 点阵显示r a m ( g d r a m ) 。可与c p u 直接接口，提供两 第三章系统的硬件设讦 种界面来连接微处理机：8 位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光 标显示、画面移位、睡眠模式等。 3 3 5 环境参数采集电路 矿井作业环境比较恶劣，要实现安全生产需要随时掌握当前矿井的温 度、湿度、瓦斯气体的浓度等重要的环境参数，在系统中这些参数可以通过 安装相应的传感器采集，由于接收到的是模拟信号所以需要经过a d 转换电 路，才能送到单片机，进行对比分析，一旦超标，即启动报警电路，自动连 接地面监控中心，并发出告警信号。 a d 转换电路采用的芯片为a d c 0 8 0 9 ，它是8 通道8 位逐次逼近型a d 转换器，典型的时钟频率为6 4 0 k h z ，可利用筒8 9 c 5 l ( 时钟频率为1 2 m ) 提供的地址锁存允许信号a l e 经d 触发器7 4 l s 7 4 四分频后获得，每一通道 的转换时间约为1 0 0 i _ t s ，采用软件延时的方法读取采集转换的结果。 a = r 8 9 c 5 l 还需要实现与p c 主机通信，涉及的数据量比较大，因此扩展 了一片r a m 。最后的实现电路如图3 7 所示，【2 1 - 2 3 包括控制单元、液晶显 示电路、存储器扩展电路、a d c 电路、发光二极管报警电路、看门狗电路 等。 3 i 第三章系统的硬件设计 3 4 电子识别卡的设计 电子识别卡作为矿井人员或车辆的信息载体，分别安装在矿灯上或矿车 上，可以直接利用电池供电，功耗非常小且携带方便，工作频率采用 4 3 3 9 2 m h z ，定时向信息采集站发送自身的d 信，以便系统对员工及车辆 进行定位。通过安装在矿井不同的工作面的采集站，可以实现对矿井所有通 道的全面监视，便于高层管理人员的查询与管理。一旦发生事故，可以通过 识别卡发送的信息，方便、快捷、准确地确定遇险人员的方位，实旖营救 3 。4 1 识别卡硬件设计 矿井电子识别卡分为员工识别卡和车辆识别卡，分别装有表示身份的数 据，使用电源供电，其结构电路如图3 8 所示。 第三章系统的硬件设计 其中控制单元为a t 8 9 c 2 0 5 1 ，它是a t m e l 公司生产的，是一种带2 k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机，与工业标准的m c s - 5 i 指令集 和输出管脚相兼容。a t 8 9 c 2 0 5 1 是a t 8 9 c 5 1 的一种精简版本。其结构引脚 图已在前面给出，因此不再赘述。 射频收发芯片同样采用n r f 4 0 1 ，其与2 0 5 1 的接口如上图3 8 所示。 在2 0 5 1 的周围除了射频模块以外还集成了m a x 7 0 6 看门狗电路似五5 1 ； 以保证程序的稳定性，防止陷入死循环；发光二极管与蜂鸣器报警电路，用 于呼叫提醒员工；此外还设置了两个按键，通过触发不同的程序，以接收或 发送信息。 为了实现系统的功能扩展，我们可以加入语音的功能，实现电路原理图 嗍如图3 9 所示。 婺麴 第三章系统的硬件设计 语音模块 2 6 - 2 7 主要用来实现中心与矿工，矿工与矿工之间的话音通信 该模块对传声器输入的话音信号进行语音编码，将无线信道传来的语音编码 数据进行语音解码还原的功能，从而实现双方通话。系统选用美国国家半导 体公司推出的斜率连续可变增量【1 司( c v s d ) 全双工音频调制芯片c m x 6 3 9 。 它完全集成了语音编码和解码功能，实现了单芯片语音处理能力，外围设备 简单，其编码速率为2 0 k b p s 左右，用户可以根据实际情况，由自己设定， 并具有低功耗、低价位、小体积和开发难度低等优点 在该模块中，传声器输出的话音信号须先经过l m 3 8 6 放大器中经过放 大和抗混叠滤波，然后输入到c m x 6 3 9 的编码信号输入端进行语音编码，输 出的是串行比特流，经n r f 4 0 1 发射出去。在接收端，则直接将串行比特流 送入c m 靳3 9 进行解码。c m x 6 3 9 的话音信号的解码输出通过专用的音频芯 片m a x 7 4 0 0 、l m 3 8 6 滤波放大再输出到耳机，实现通话的功能。 3 5 系统硬件调试 在完成电路的原理图设计以后，利用一些测试程序进行了电路的仿真与 调试，以确定电路是否能正常的按照要求工作。 调试用到的工具有：稳压电源、万用表、刻版机、微机、w 舾r e 6 0 0 0 l 、 频谱分析仪、示波器。 首先通过p r o t e l 9 9 将原理图生成p c b 板，使用刻版机制成相应的电路板， 然后按照原理图依次焊接元器件，焊完以后，利用数据线将相应的元件连接 在一起，启动微机( 两台) ，分别用作为采集站( 阅读器) 和识别卡的控制 单元，进入w a v e 6 0 0 0 l 调试界面( 之前已用该软件验证了相关程序的正确 性) ，进入硬件调试状态，打开电路电源，用万用表测试电路板上相关元件 的引脚电压，看看是否正常；若正常接着启动程序运行按钮，观察频谱分析 仪的波形图，看在4 3 3 ，9 2 m 处是否有信号出现，若不能出现说明没有发射或 接收信号，则试着调一下射频板上的电感形状、电阻阻值，得到信号为止，很 幸运的是做实验一开始便4 3 3 9 2 m 观察到了波形，证明有射频收发信号：然 后再观察相应的r a m 里的数据变化情况，先后试验发送一组数据，多组数 第三章系统的硬件i 雯许 据来验证系统是否能比较正确的接收数据，然后通过调整电路的元件或修改 程序。实现二者之问的正确通信，以证明读写器与识别卡可以正常工作；然 后又进行了液晶显示的测试，结果表明可以正常显示，因此，硬件设计已经 没有问题，可以开始系统软件程序的设计 第四章系统的软件设计 第四章系统软件设计 软件设计，是整套系统设计的灵魂，在本章将重点给出该套煤矿安全监 控与目标定位系统的软件设计思路。同硬件的分组一样，该套软件也相应的 分为两大部分，一是井上控制中心的监控定位及考勤管理系统软件，采用面 向对象的v b 集成开发工具进行开发设计；另一部分是单片机控制的井下信 息采集程序，由汇编语言完成。 4 1 管理系统软件的设计 管理系统是在w i n d o w s x p 环境下以s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库为核心 并采用c f i e n t s e r v e r 模式开发而成的具有操作员登录、人员数据库信息录 入、远程通讯、实时显示、数据统计存储、数据查询打印、图形绘制编辑、 网络发布等7 个模块系统管理软件陋铡，其结构如图4 。1 所示，程序数据 流程如图4 2 所示。 目标甩踪定位爰考勤管理系统软件 数据库平台 实时通讯软件 莲爹l | 毒霎| l 曩鬟l 蓁 j 茎il 萋蕈ll 萎 图4 1 系统管理结构图 第四章系统的软件设计 应用软件的开发主要包括以下几个方面： ( 1 ) 串口的设定与处理； ( 2 ) 通信协议( 包括命令和数据帧的组帧和拆帧) ； ( 3 ) 目标定位系统数据管理( 包括巡检计划、允差时间设定、接收数据处 理、考勤报表的生成、打印等) j ( 4 ) 数据采集站的管理( 包括设定当前时问、清除纪录、设定d 号等) 。 可以实现的主要功能有： ( i ) 动目标监测查询功能 a 可查询当前井下人员、机车的数量及区域分布情况； b 可查询任一指定井下人员、机车的当天或指定日期的活动踪迹； c 选定某一区域可以获得当前该区域的人员信息； d 选定某一分站接收探头可以获得经过该分站探头所有的时间信息； e 可对特定的人员、机车进行实时跟踪( 其精度与监测分站的多少有 关) ； ( 2 ) 超时报警功能通过设定下井时间闸，对下井超过一定时间的人员提示 报警，并给出相关人员的名单等信息。 ( 3 ) 统计考勤功能 可具体显示每个下井人员切确的下井时闯和上井时闻。并根据工种( 规 定足班时间) ，判断不同类别的人员是否足班，从而确定其该次下井是否有 效。在月统计报表中对下井时间、下井次数( 有效次数) 等分类统计，便于 考核。还可打印月考勤报表、任意时间段下井统计等有关报表下井统计。 第四章系统的软件设计 ( 4 ) 信息联网功能 作为局、矿信息管理系统( m 【s ) 网的信息源，可向m i s 网提供有关人 员的实时和统计信息。在有互联网( 或局域网) 的情况下，通过建立w e b 服务器，可以以浏览网页的方式实现信息共享，在客户端无须另加任何软件， 4 2 井下信息采集程序设计 4 2 1 流程图 整个井下系统的软件又分为两部分p i - a 2 ，一是数据采集站软件，另一部 分是电子识别卡的单片机程序。 数据采集站的软件流程图如图4 3 所示。 4 3 lt 撼来囊站瘴程田 第四章系统的较件设计 控制单元上电就开始对n 砌4 0 1 射频模块、l c d 显示、报警电路及a d c 电路进行初始化配置，并启动定时器t o 。使得系统中n r f 4 0 1 射频模块工作 在4 3 3 9 2 z ，并处于接收状态当a 船9 c 5 l 接收到数据后，首先判断该 数据是由主机发送的巡检命令还是识别卡的数据 若为识别卡数据帧，则根据数据的前导帧不同判断信息类型，是d 信 息还是意外呼救。然后分别进行处理；当遇到多个卡同时囱采集站发送信息 时，还要在进行防碰撞处理。 若为主机发送来的巡检命令，将进行以下的处理：首先进行数据的合法 性检验，将接收到的数据帧内的数据信息限制在露z 和o 9 的范围内， 若超出该范围，则直接返回无效的命令或数据帧1 ，当数据检验合法后，将 根据数据帧的命令，进行各自的处理。 圈4 4 识别卡软件流程圉 第四章系统的软件设计 目标识别卡分为员工卡和车辆识别卡，其上电初始化由2 0 5 1 完成，设 置n r f 4 0 1 的工作频率，启动定时软件，以实现按时向数据采集站发送自身 的d 信息，同时也采用中断的方式等待主机的特殊命令，如查询呼叫某人 等。由其软件流程图如图4 4 所示： 4 2 2 通信协议 通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则。系统采用时分复用 技术将点对多点的通信方式转化为点对点的通信，因此必然涉及信源与信宿 建立通信的匹配闯题。卣于井下无线通信容易受到外界的干扰而可能使接收 到的信息发生错误，因此可以在发送的每一帧信息