煤矿井下作业人员管理系统工作原理及应用探讨

1、煤矿井下作业人员管理系统工作原理及应用探讨煤矿井下作业人员管理系统工作原理及应用探讨摘要：介绍了井下作业人员管理系统的工作原理和其在实际生产中的应用情况，指出并分析了系统目前存在的缺陷，提出了一种简单易行的解决方案。实践表明，这种方案能很好地弥补之前系统中存在的不足。提高人员定位系统在人员定位和灾难期间的救护能力。关键词：煤矿；井下；人员管理在近几年发生的多起煤矿重大安全责任事故中，反映出了一个共性问题：即部分煤矿生产企业劳动组织管理混乱，表现为职工考勤制度执行不严，提前升井现象十分普遍，下井登记、检身管理混乱，煤矿井下人员的数量、实时分布情况难于掌控。1煤矿井下作业人员管理系统工作原理煤矿井

2、下作业人员管理系统由软件系统和硬件系统组成，其中，软件系统包括应用软件和嵌入式软件两部分，主要完成信息的采集、识别、加工及其传输，构建不同的应用系统。硬件系统包括地面监控计算机、传输适配器、射频读写器、射频识别卡和天线等组成，见图 1。主要完成信息采集和识别，从而实现人员识别、人员定位的功能。1.1 井下作业人员管理系统硬件设备工作原理1.1.1 射频识别卡和读写器工作原理(1)射频识别卡：每个射频识别卡具有唯一的电子编码，其内部储存着特殊信息，用来标识目标对象。识别卡平时处于睡眠状态，当进入系统工作区后，射频卡被激活工作，进行射频数据的收发。识别卡通常随身携带。射频识别卡通常集成有射频前端、

3、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。当射频识别卡进入读写器的射频场后，由其天线获得的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。(2)射频读写器：每个监测点安装一个射频读写器，射频读写器将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送，用来激活进入该区域的识别卡；同时把接收天线接收来的识别卡的高频载波信号进行放大、解调。提取有效的数字信号通过 RS485 等总线传给地面监控计算机。RHD 读写器，读写模块的核心部分包括一个控制用微处理器和一个 RFID 基站芯片。它

4、能独立完成对符合 ISO15693 标准卡片的所有操作，它还具有与用户主系统的串行通信能力，可根据用户系统的命令完成对 RHD 卡的读写操作。并将所得数据返回给用户系统，这个用户系统可以是一个主控板或 PC 机。RFID 读写模块提供多种通信方式与用户系统进行通信，极大地方便了用户的连接。RHD 读写器，读写模块硬件主要由中央微处理器(89C52)、RFID 基站芯片、高频电路、模块天线、RS232 通信电路、复位电路、LED 状态显示和喇叭驱动电路等组成。其硬件结构见图 2。1.1.2 天线设计原理射频天线含发射天线和接收天线，与井下射频读写器连接，形成监测点，完成与识别卡的通讯。发射天线用

5、于发射天线电信号以激活识别卡，接收天线接收识别卡发出的无线电信号。射频天线固定在巷道顶部，采用同轴电缆与监测点连接，连接距离不大于 10m 为佳。RFID 的天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型 3 种基本形式的天线。其中，小于 1m 的近距离应用系统的 RFID 天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要工作在中低频段。而 1m 以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的 RFID 天线，它们工作在高频及微波频段。在远距离耦合的 RHD 应用系统中，最常用的是偶极子天线(又称对称振子天线)。偶极子天线及其演化形式见图 3，其中，偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条

6、直线构成，信号从中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上将产生一定的电流分布，这种电流分布就在天线周围空间激发电磁场，利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场强。当单个振子臂的长度为4 时，输入阻抗的电抗分量为零，天线输入阻抗可视为一个纯电阻。在忽略天线粗细的横向影响下，简单的偶极子天线设计可以取振子的长度为4 的整数倍。如工作频率为 2.45GHz 的半波偶极子天线，其长度约为 6cm。当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时，可采用图 3(b)的折合振子。1.1.3 地面监控计算机通过对读写器传送来的编码信号进行分析，识别出人员的身份、位置，并将相关信息进行实时显示、存储，可直观动态显示井下人员的分布情况

7、。1.1.4 传输适配器传输适配器安装在监控计算机旁边，作为数据传输接口，适配器带有RS232RS485 接口，可以连接多个监测点，实现 20km 以内的远距离信息传输。根据巷道分布图布置监测点，各监测点通过矿用通讯电缆或光缆组网，与传输适配器连接，传输适配器通过 RS232 与监控计算机连接。1.2 井下作业人员管理系统软件设计工作原理煤矿井下作业人员管理系统软件设计分为嵌入式软件和应用软件，嵌入式软件主要针对井下硬件设备开发，完成井下实时数据的采集、传输及处理，形成井上数据库；应用软件以数据库为核心完成井下人员定位系统的员工管理和考核统计等功能。嵌入式软件设计主要包括读写器软件设计和射频识

8、别卡软件设计。1.2.1 读写器软件设计读写器上电，电源指示灯亮，经初始化后，首先从拨码开关上读取相应的信息，然后确定本机的地址、要采取哪种无线通信协议，采用多大的通信速率进行数据上传。按照确定无线通讯协议接收射频识别卡信息，接收到，同时进行声光提示。如果协议需要校验，则对接收到的射频识别卡进行相应的校验，校验合格后，识别卡信息加上进入标志一起存入上传通信缓存区，同时，也把识别卡信息写入无线接收存储区，该识别卡进入时间计数器开始计数。在一段时间内，若这张标识卡信息再次被接收到，则计数器清零，重新计数；否则，把标识卡加上出去标志一起存人上传通信缓存区，清除该标识卡在无线接收存储区的信息。在此期间

9、，接收到上传数据的命令，经验证命令准确，则按协议上传数据，同时通信指示灯闪烁，待接收到下一帧数据，同时把前一帧数据从上传通信缓存区清除。1.2.2 射频识别卡软件设计识别卡软件主要有以下 3 部分组成：主程序模块、电源低电压检测程序模块、组织发送数据程序模块。主程序模块实现对微处理器 MCU 和发射芯片的初始化配置，然后进入掉电模式，以节省电能；电源低电压检测程序模块负责对电池电压的定时监测，在识别卡上完成欠压指示功能的同时，把欠压信息送人发射缓冲区，作为识别卡发送数据包的一部分进行无线传输；组织发送数据程序模块完成接收地址、识别卡号、校验码及电池状态等有效信息由微处理器到发射模块的低速传递。

10、其中，电源低电压检测程序和组织发送数据程序共同构成识别卡的中断程序。1.2.3 上位机应用软件界面设计为了达到直观、形象、动态地显示井下巷道布置情况，准确地实现人员定位的目的，大多数系统会引入第三方图形控件，将井下巷道布置图引入到上位机软件中，可以在图形上实时观察各个站点的人员信息，当发生异常时候还可以监测到实时报警信息。在上位机软件主界面上可实现如下功能：(1)定位：在图形上标注不同的区域，通过上位机软件对采集到的数据进行处理，将各个区域的数据信息显示在图上对应的位置，并可查看当前该区域有哪些人员。(2)实时显示：可在界面上查看各个区域人员的流动情况。包括进出限制区域、中点区域时间，超员报警、超时报警、工作异常报警等。(3)报