基于RFID技术的井下人员实时管理系统

1、基于RFID技术的井下人员实时管理系统摘要:介绍了 RFID技术，并对井下使用RFID技术进行可行性分析。在 分析了井下无线资源特点的基础上，提出了采用915MHz的RFID技术进行矿井人员实时管理系统的开发。系统可以实现对井下人员进行实 时跟踪监测和定位，可为工作人员提供矿井巷道网络、人员位置、危 险区域及相应提示的动态信息。如果发生灾变，还可立即从监控计算 机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤 退线路等信息，为事故抢险提供科学依据。关键词:RFID矿井安全;实时定位 总线网络0 引言 目前我国大中型煤矿及广大乡镇小煤矿已大量装备了煤矿安全生产监 控系统， 这些安全装

2、备的推广应用大大改善了我国煤矿安全生产状况。 矿难的不断发生和抢险救灾的不力，暴露出目前监控系统的弊端:监控系统对入井人员管理困难，井上人员难以及时掌握井下人员的动态分 布及作业情况，一旦事故发生，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢 险救灾、安全救护的效率低，效果不理想。本文提出的基于RFID的新型矿井人员定位跟踪管理系统，可对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位，可为工作人员提供矿井巷道网络、人员位置、危险区域及相应提示的动态信息。如果发生灾变，还可立 即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、 被困人员数量、 遇险人员撤退线路等信息，为事故抢险提供科学依据。同时，也可利 用系统的日常考勤

3、管理功能，对矿井人员进行考勤管理。1RFID简介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，可工作于各种恶劣环境，识别高速运动物体并 同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID应用系统由4部分组成：（1）RFID电子标签。RFID电子标签能够贮存有关物体的数据信息（约Ikbits）。在自动识别管理系统中，每个 RFID标签中保存着一个物体的 属性、状态、编号等信息。标签通常安装在物体表面，具有一定的无 金属遮挡的视角。（2）读写器，用于识读及写入标签数据，其主要功能是：查阅RFID电子标 签中当前贮存的数据信息；向空白RFID电子标签中写入预贮存的数据

4、信息;修改（重新写入）RFID电子标签中的数据信息；与后台管理计算机进行信息交互(3) 发送接收信号的天线。天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、 接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也 会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行 设计、安装。(4) 通信网络系统。包括数据库服务器和其他信息系统。数据库服务器 负责处理读写器传送过来的信息，并进行信息处理。将重要信息存储 在数据库中。其他信息系统根据需要向读写器发送指令，对标签进行 相应操作。2 可行性分析(1) 频率的选择。井下无线频带资源丰富，没有频带利用的限制，Tag和Reade的可供选择的资源丰富。但是矿

5、井巷道内情况十分复杂，巷道中 有钢轨、支架、风门、照明线和动力电缆等，巷道壁凹凸不平，巷道 纵横交错、拐弯抹角。对平直隧道中，频率越高，越有利电磁波的传 输，在弯曲隧道中，频率越高，越不利电磁波的传输。因此对于巷道 中的无线通信，最佳频率在550950MHz,对于不同的传输距离，不同 的巷道情况，最佳工作频率是不一样的。在生产实践中，要根据实际情况确定最佳工作频率。RFID从频率上可分为低频（125KHZ）、高频（13.56MHz）、超高频 （868-954MHZ,北美 915MHz）以及微波（2.45GHz）4种频率。低频标签比超高频标签便宜，节省能量，穿透废金属物体力强，工作 频率不受无线

6、电频率管制约束，最适合用于含水成分较高的物体，但 是识别距离小于1m,虽然具有良好的个体定位功能，如果要做到整个 矿井的良好定位，就需要在井下布置大量的基站，投资很大，同时标 签的防冲撞功能不好。高频标签属于中短距识别。2.45GHz微波，识别开阔场所达200m，井 下为 100m 左右。但是距离太大就会失去定位的功能了, 同时标签的防 冲撞功能不好。所以本系统采用915MHz的频段上RFID技术，井下人员跟踪定位基站 有效接收范围10m，允许被测目标最大移动速度 6m/s，能够很好的实 现定位;同时识别目标个数 20个，防冲撞功能好 ;通讯方式采用 RS485， 传输波特率为2400bps，

7、能够实现矿井监控的目标。对于双频系统，由于价格较高，考虑到成本问题，本系统没有采用。（2）安全性分析。煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘，无线通信设 备必须是防爆型电气设备，并宜采用安全性能好、体积小、质量轻、 成本低的本质安全型防爆措施，矿井的辐射电磁场环境应按 2 级中等 电磁辐射环境考虑。并且矿井的瓦斯浓度在不同的位置和不同的时间 会发生的变化RFID采用射频识别技术，理论上不会对井下作业产生危险。在系统中Tag米用无缘芯片，Reader设计和封装时米取本质安全型防爆措施。(3) 设置可行性分析。矿井一般深度都在地下500m 以下。煤矿开采是不断进行的，如果采用的网络结构不能方便的增加节

8、点，会给系统的 使用带来不便。因此 Reade与后台操作可采用现场总线方式连接，同 时信息可利用现有的监控系统的线路进行传输。总线型网络结构，只需增加一段电缆和一个 Reade就可以增加一个节点，这使系统可以随 着煤矿的开采不断的扩充。(4) 操作可行性分析。RFID的Tag携带方便、操作简单，Reade可在10m 以内的距离实现对卡片的自动识别，符合井下作业设备力求简单、方 便的要求。3 系统介绍3.1 系统总体设计思路井下人员实时管理系统是利用现有煤矿监控系统作为主传输平台，开发相应的井下人员跟踪定位分站、射频识别卡等设备与系统挂接。系统主要用于井下人员和机车定位跟踪，由安装在安全帽上的T

9、ag矿井专用处理传输基站 (包括天线和目标识别器 )、数据传输接口、地面中 心站软件组成。当人员经过井下巷道安装的发射天线工作区时，基站 获取人员携带的标签信息，系统自动采集该人员经过的时间、地点信 息，并传送到地面的管理数据库。地面中心站接收来自井下专用处理 传输分站上的编码信号， 实现对井下人员和机车跟踪定位信息的采集、 分析处理、实时显示、历史数据存储报表、查询打印等功能。使管理 人员能及时准确的查询各种信息，方便作业人员和设备的调度和管理 提高和优化煤矿的整体管理水平。3.2 系统设计方案 系统包括硬件系统和软件系统。软件系统包括应用软件和嵌入式软件 两部分组成，用于完成信息采集、识别

10、、加工及其传输，由这两部分 软件共同支撑着整个系统的运行；硬件系统由井下分站设备、天线、Tag 数据传输接口和地面设备组成，用于完成信息采集和识别，从而实现 预设的系统功能和信息化管理目标。(1)井下分站设备。井下分站设备由信息采集处理板、 信息传输处理板、 隔爆电源、备用电池、汉字液晶显示模块、嵌入式软件，以及矿用阻 燃电源电缆、矿用阻燃双绞线通信电缆、接线盒等组成。信息处理采 集主板是完成对分站区域内的 Tag信息的采集、处理；信息传输处理板 是将RS232信号转换为RS485信号和自动存储监测数据，传输距离 10km,同时将重码的信息进行判定和过滤， 接受上位机的轮循访问并向 上位机传送

11、所采集到的人员编码信息 ；不间断电源是停电后提供 2h 的 供电电源 ；矿用阻燃电源电缆是为分站提供工作电源；矿用阻燃双绞线通信电缆主要是完成井下网络的连接，为现场RS485总线方式;汉字液晶显示模块主要显示人员编码和时钟功能，可用遥控器查询记录。(2)天线。实现与Tag之间的数据通信。Tag.Tag镶嵌在安全帽上，安全帽是半球形。一般的，当RFIDTag天线结构发生弯曲时，天线的方向系数与输入阻抗都会改变，相应地，RFID系统的工作距离必定产生变化。经过仿真处理和实验证明，镶嵌 在安全帽上的Tag天线发生的弯曲对系统的性能影响可以忽略不计。Tag平时处于睡眠状态，当Tag进入系统工作区时，天线能接收到特定 的电磁波，线圈就会产生感应电流。再经过整流电路，就会激活电路 上的微型开关，给Tag供电。从而Tag发送出的自身的信息被 Reade: 读取并解码后送至数据交换、管理系统处理。(4) 数传接口。主要由电源板、信号转换板及安全栓组成，完成通讯信 号的转换和本安与非本安运行