基于RFID的矿山井下人员定位系统设计

1、基于RFID 的矿山井下人员定位系统设计傅智河(龙岩学院物理与机电工程学院福建龙岩364000摘要:针对目前矿井井下通信系统功能不完善,技术与实现复杂的现状,提出了一种基于RFID 技术的井下人员定位监控系统。详细介绍了定位原理与具体实现过程,对改善矿山的安全生产管理有着重要的现实意义。关键词:人员定位;RFID;定位系统中图分类号:TD65文献标识码:A文章编号:1673-4629(200706-0050-03收稿日期:20070625作者简介:傅智河(1970,男,福建上杭人,讲师,主要研究方向:电子技术应用。龙岩学院学报随着国家对矿山企业安全问题的日益重视和监管力度的不断加强,以及矿井机

2、械化程度的不断提高,建立一套有效可靠的人员监控和调度系统已成为许多矿山企业管理的迫切要求之一。但目前矿井下还普遍存在入井人员管理困难,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。由此,建立可靠实用的井下人员定位系统,消除地面管理人员对井下作业人员视野盲区,提高对井下作业人员的有效监控和调度,增强矿井灾害发生时井下作业人员的快速反应能力,以改善矿山的安全生产管理有着重要的现实意义。射频识别(Radio Frequency Identification,简称RFID技术,目前在国内外己引起广泛关注。在我国,也

3、已经有很多场合应用这种技术了,比如,学校食堂用的“金龙卡”、公交车使用的月票卡等等,都是RFID 技术的典型应用。鉴于此,我们同样可以把这项技术应用到矿井中来,为灾后救援工作提供相关人员和贵重物品确切地理位置。这样便可在最短时间内开展紧急救援工作,大大缩短救援的时间,提高救助效率。1射频识别系统及主要特点RFID 技术起源于8O 年代中期,9O 年代后得到了极为迅速的发展。它利用无线射频方式进行非接触双向通信,以达到识别目的并交换数据,其数据存储在电子数据载体(称应答器或标签之中。然而,应答器的能量供应以及应答器与阅读器之间的数据交换不是通过电流的触点接通而是通过磁场或电磁场,这方面采用了无线

4、电和雷达技术。它是自动设备识别中最优秀和应用领域最广泛的技术之一。与传统的磁卡、IC 卡相比,射频卡最大的特点就在于非接触,因此完成识别工作时无须人工干预,适合于实现系统的自动化且不易损坏,可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡,操作快捷方便。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境,可以代替条形码;长距离的产品多用于交通上,识别距离可达几十米,可用在自动收费及车辆自动识别等场合1。1.1射频识别系统一个典型的RFID 系统由读写器,应答器和数据管理、处理单元组成。RFID 系统分为有源和无源两类,有源RFID 系统的应答器由电池提供能量,无源RFID 系统的应答器则没有电池。无源RFI

5、D 系统(如图1所示由于其应答器具有结构简单、成本低、寿命长等优点,近年来发展较快。控制模块射频模块天线天线数据解调数据调制能量检测控制逻辑EPPROM读写器应答器数据处理图1无源RFID 系统组成在无源RFID 系统中,应答器工作的能量由读写器发出的射频信号提供。应答器由电子数据处理、存储设备(通常是单个的微小芯片和天线组成。当应答器进入读写器的能量场,应答器的能量检测电路将射频信号转化为直流信号,供其工作。同时,芯片内部的数据解调部分从接收到的射频信号中解调出数据并送到控制逻辑。控制逻辑负责分析数据并执行相应操作,包括从EPPROM 读数据或写入数据,将数据(如应答器ID 和其他用户数据等

6、调制并发送出去。1.2射频识别系统主要特点有下面几点。数据量大,根据需要可传输除识别信息外的目标的身份信息、运行状态等;信息处理速度快,在某些应用场合可以达到几十个50微秒;保密性高,未经允许几乎不能复制与修改数据;具有很强的环境适应性,抗干扰能力强,可在全天候下使用,几乎不受污染与潮湿的影响,同时还避免了机械上的磨损;一种系统可以满足多用途的要求,可以实现多目标识别、运动目标识别;系统可靠性高,操作方便快捷;2矿山井下人员定位系统总体设计思路2.1系统概述系统由KJX0502读写器(工作频段902928MHz,最大读写距离可达10m2、安装在安全帽内的人员随身携带应答器、矿井专用处理传输分站

7、(含发射天线、接受天线、数据传输接口、地面中心站软件组成。当携带应答器的人员通过井下专用处理传输分站区域时,应答器立即发射出具有代表身份特征的射频信号,经目标识别器接收并通过专用处理传输分站发送到地面中心站。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、存储报表和查询打印等功能。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,提高和优化矿山的整体管理水平。2.2系统原理及构成井下分站设备的人员信息采集处理板(如图2所示将加密数据载波信号经发射天线向外发送;随身携带的应答器进入高频的发射天线工作区域后被激活(

8、未进入发射天线工作区域标识卡不工作,同时将加密的载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去;接收天线接收到应答器发来的载波信号,经分站人员信息采集处理板接收处理后,提取出目标识别码,并经人员信息传输处理板送至地面计算机,完成预设的系统功能,从而实现目标的自动化管理。LED 信号强度显示灯3V电池电源控制开关预留串行接口USART DCC微控制器SCLSDA射频识别模块(RFID利用I2C总线传输数据天线图2人员信息采集处理板结构图用一定数量的监测站点(读卡器成网地设立在需要监控的地方,分布区域的大小可视井下具体环境而定。可以自动记录该点人员的编码和通过时间,从而确定井下人员在任一时刻在井下

9、所处的区域,便于统一管理,并在灾害发生时,能指导救灾工作快速有效的进行,系统构成如图3所示。地面部分由数据通信接口、主机(含监控管理软件等组成。其中通信接口是将井下的RS485转换为监控计算机RS232串口信号;含人员安全管理系统的主机能实现对信息的自动化管理,在计算机屏幕上直观动态显示井下人员的分布情况,使管理层一目了然。主机井下天线天线天线天线天线天线地面读卡器读卡器读卡器读卡器接口图3矿井井下人员定位系统结构图2.3系统软件功能矿山井下人员安全管理系统是在Widows XP环境下以SQL Server2000数据库为核心并采用Client/Server模式开发而成3,系统模块如图4所示,

10、管理系统具有如下功能:实时定位跟踪查询。实时查询井下人员动态分布情况及数量;查询指定人员当日或某日的活动轨迹。数据统计。将各类信息统计汇总,按指定的格式生成任一时间段内职工下井状况统计表、出勤状况统计表等。考勤功能。对下井人员上下井时间、下井次数、停留时间等信息分类统计,自动生成考勤报表。救护功能。当发现井下工作人员下班后丢失或发生塌方、瓦斯爆炸、突水淹井等灾害时,可迅速确定井下灾区人员的位置、数量、身份等信息,为抢险救灾迅速提供准确的依据,将损失减少到最小。矿山井下人员安全管理系统管理员登陆安时定位跟踪查询数据统计考勤功能救护功能图4矿山井下人员安全管理系统模块图513结束语矿山井下通信系统

11、对矿业安全生产与管理意义重大。矿山井下地形复杂,无线信号衰减严重,使得目前大多井下通信系统不仅功能简单,而且技术复杂,造价较高,不能较好地应用于实际生产过程中。基于RFID技术的矿山井下人员定位系统通过有线与无线结合的方式,该技术可远距离同时识别多个移动目标的特点,结合计算机网络在数据传输、数据库储存管理、统计计算等方面的优点,可实时查询井下工作人员的位置,为人员调度、矿井突发性事故的救助工作带来了很大的方便。相信随着电子标签技术的发展和普及,射频识别技术将极大地促进我国矿山企业的整体管理水平,减少安全事故的发生。参考文献:2周晓光.射频识别技术原理与应用实例M.北京:人民邮电出版社,2006

12、.3曹军生.SQL Server2000实用教程M.北京:北京理工大学出版社,2004.责任编辑:邱维敦Design of Mine Personnel Orientation System Based on RFIDFU Zhi-heAbstract:The author proposes a monitoring system based on the RFID for miners on duty to solve the present problems of imperfect communication system in mine and complicated technology.The author also introduces in detail the principle of the system and th