目前，煤礦井下普遍存在入井人員管理困難，管理人員難以及時掌握井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，對井下人員的搶救缺乏可靠信息，搶險救災、安全救護的效率低。引入和運用煤礦井下人員定位系統(tǒng)，工作人員佩戴的電子標簽通過井下監(jiān)控節(jié)點向監(jiān)控中心傳送他們的位置信息，實時掌握每個人在井下的位置及活動軌跡，對煤礦的安全生產(chǎn)將有積極作用，在一定程度上減少人員傷亡。平時，上傳的位置信息也可以用做工作人員的考勤記錄。

1射頻識別技術

1.1 射頻識別發(fā)展

RFID是20世紀90年代興起的一種非接觸式的新型自動識別技術, 它利用無線傳輸方式進行雙向數(shù)據(jù)通信, 進而達到自動識別并交換信息的目的。近年來, 自動識別技術得到了快速普及和推廣, 自動識別方法多種多樣: 條形碼是一種應用廣泛、廉價的自動識別術, 但條形碼信息量小, 不能改寫; 有觸點排的IC卡是電子數(shù)據(jù)載體最普遍的結構, 但在許多情況下, 機械觸點的接通是不可靠的;RF ID卻可以讓物品實現(xiàn)真正的自動化管理, 其優(yōu)勢非常明顯: 存儲信息量大, 每一個產(chǎn)品擁有獨一無二的ID號; 讀寫不需要光源, 可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù); 使用壽命長,能在惡劣環(huán)境下工作; 能夠輕易嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品上; 讀取距離更遠, 可以寫入及存取數(shù)據(jù), 實現(xiàn)標簽的內容動態(tài)改變; 能夠同時處理多個標簽; 標簽的數(shù)據(jù)存取有密碼保護, 安全性更高; 可以對RF ID標簽所附著的物體進行追蹤定位。

1.2射頻識別系統(tǒng)組成

射頻識別系統(tǒng)主要由Tag、讀寫器、天線等組成, 一般還需要其他軟硬件的支持。

1） 讀寫器。讀寫器可以簡化為兩個基本的功能模塊:高頻接口模塊（發(fā)送器和接收器）和控制單元兩部分。讀寫器讀取電子標簽中的信息, 然后將信息發(fā)送到地面監(jiān)控中心。

2） 無源電子標簽。電子標簽由耦合元件和ASIC （ IC）組成。無源電子標簽, 即沒有自己的電源供給的電子標簽,由讀寫器發(fā)出的高頻場提供能量。模擬前端配合解調器從電子標簽天線吸收電流, 整流后使電容充電, 再經(jīng)穩(wěn)壓后為電子標簽供電。

2CAN總線技術

CAN是由ISO定義的串行通訊總線, 最初應用在80年代末的汽車工業(yè)里。它具有高位速率、高抗電磁干擾性、高可靠性而且能夠檢測到產(chǎn)生的任何錯誤。CAN在微控制器之間需要互相通信或微控制器和遠程的外圍器件要互相通信的情況下是一個理想的解決方法, 在各種控制系統(tǒng)得到了廣泛應用。

CAN采用了新技術及獨特的設計, 與RS485相比具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN具有多主節(jié)點的網(wǎng)絡特性, 總線利用率高, 數(shù)據(jù)傳輸速度快, 可擴充性好,通訊距離長, 加中繼器通訊距離可達數(shù)十千米, 具有可靠的錯誤處理和檢錯機制, 個別節(jié)點失效并不影響整個通訊網(wǎng)絡的運行, 實時性好等優(yōu)點。另外, CAN的雙向通信彌補了RS485半雙工通信的缺陷, 不僅能夠實現(xiàn)位置信息的上傳, 當需要時還可以實時修改井下某監(jiān)控接點信息。比較可知, RS - 485 網(wǎng)絡除了硬件成本、開發(fā)難度比CAN -bus網(wǎng)絡稍具優(yōu)勢外其他性能方面都沒有可比性。在產(chǎn)品更新速度特別快的今天, 如果將產(chǎn)品的上市時間, 產(chǎn)品的后期維護軟件開發(fā)難度等計算在一起, RS - 485 的硬件成本優(yōu)勢也變得不十分明顯, 因而用CAN 總線取代RS - 485 總線是一種比較徹底的方案。

3煤礦井下人員定位系統(tǒng)設計

3.1定位系統(tǒng)基本構成

系統(tǒng)由井上與井下兩部分設備組成。井上設備主要由監(jiān)控中心（包括服務器）及共享網(wǎng)絡終端等組成; 井下設備以CAN總線作為主傳輸途徑, 開發(fā)相應的煤礦井下人員監(jiān)控節(jié)點, 配合天線、電子標簽、傳輸介質、中繼器R等與監(jiān)控中心掛接, 從而實現(xiàn)井下作業(yè)人員的定位和安全管理。系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示。

圖1定位系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖
3.2定位系統(tǒng)工作原理

定位系統(tǒng)主要實現(xiàn)井下人員及設備安全監(jiān)測工作。在坑道、作業(yè)面的交叉道口安裝監(jiān)控節(jié)點, 入井工作人員按照要求佩戴安裝電子標簽的腰帶, 或佩戴裝有電子標簽的安全帽。RF ID讀寫器通過固定頻率的射頻載波向電子標簽傳送信號, 電子標簽（工作人員隨身佩戴）進入讀寫器的天線工作區(qū)域后被激活, 并將載有個人信息的射頻信號經(jīng)卡內收發(fā)模塊發(fā)射出去; 讀寫器天線接收到電子標簽發(fā)來的射頻信號, 經(jīng)過處理后, 提取出個人信息, 通過現(xiàn)場總線送至井上監(jiān)控中心, 記錄井下工作人員經(jīng)過地點、時間、活動軌跡等實時信息, 還可自動生成考勤作業(yè)的統(tǒng)計與管理等方面的報表資料, 提高管理效益。

3.3定位系統(tǒng)核心部件—RF ID監(jiān)控節(jié)點

1） RF ID監(jiān)控節(jié)點硬件設計。監(jiān)控節(jié)點由讀寫器、微控制器（MCU） 、CAN節(jié)點組成。設計中讀寫器使用的射頻芯片是R I - STU - 650A, 它具有抗干擾能力強、通信速率高、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。考慮到成本等方面的問題,設計時RF ID采用的工作頻率為915MHz, 經(jīng)過試驗測試,證明在傳輸距離及數(shù)據(jù)可靠性等方面, 可以達到本系統(tǒng)的功能要求。讀寫器與微控制器89C51間利用SP I串行接口進行通信。CAN 節(jié)點由三部分所構成: 獨立CAN 控制器SJA1000、CAN 驅動器82C250 和高速光電耦合器6N137,如圖2所示。為了增強CAN 節(jié)點的抗干擾能力, SJA1000并不是直接與82C250相連, 而是通過高速光耦6N137 與82C250相連, 這樣就很好的實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。

圖2監(jiān)控節(jié)點內部功能模塊圖
2） RFID監(jiān)控節(jié)點軟件設計。監(jiān)控節(jié)點單片機軟件設計是使用C51和匯編語言混合編程, 包括復位模塊、防沖突模塊、讀寫模塊、通信模塊, 其流程圖見圖3。當Tag被驗證為合法時, 讀寫器才正式讀/寫Tag數(shù)據(jù), 經(jīng)過信息處理之后, 由CAN總線上傳到地面監(jiān)控心。當Tag被驗證為非法時, 讀寫器轉到直接復位應答狀態(tài), 等待下次讀寫操作開始。

3.4系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

1） 考勤管理功能。通過操作平臺專用管理軟件對下井人員進行下井次數(shù)、井下停留時間等信息分類統(tǒng)計, 便于考核, 實現(xiàn)工作人員的考勤統(tǒng)計管理功能和有關報表的打印。

2） 安全保障功能。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中儲存下來的歷史數(shù)據(jù)信息, 可迅速知道井下人員及重要設備的分布情況, 一旦出現(xiàn)礦井災難, 可對現(xiàn)場被困人員進行定位和搜尋,便于有效救護。

圖3RFID監(jiān)控節(jié)點軟件流程圖