基于CAN總線(xiàn)和RFID的礦井定位系統設計

引言

　　近年來(lái)，礦井安全事故頻發(fā)。在分析近期幾個(gè)煤礦特大事故時(shí)發(fā)現幾個(gè)共性問(wèn)題：地面與井下人員的信息溝通不及時(shí);煤礦事故發(fā)生后，搶險救災安全救護的效率低，搜救效果差。為了在礦難發(fā)生后能夠迅速確認礦難位置和被困員工人數，以最快的速度開(kāi)展營(yíng)救工作，保障礦工的生命安全，在礦井中布置基于高新技術(shù)的安全監控管理系統勢在必行。

　　本文設計了1個(gè)基于CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和射頻識別技術(shù)的礦井定位系統，該系統可以實(shí)時(shí)地將礦井下人員及礦車(chē)的當前位置通過(guò)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送到位于地面的上位機，不僅可以掌握井下作業(yè)情況，而且一旦發(fā)生安全事故，可以立刻確定被困人員所處的位置及人數，以便迅速展開(kāi)救援工作。

1、RFID技術(shù)和CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　射頻識別（RFID，RadioFrequencyIdentification）技術(shù)是利用無(wú)線(xiàn)電波進(jìn)行通信的一種非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)。射頻識別系統由讀寫(xiě)器和電子標簽（Tag）組成，每個(gè)Tag具有1個(gè)全球唯一的ID號，可以與讀寫(xiě)器進(jìn)行無(wú)接觸的信息交換。根據射頻識別系統的工作頻率，可分為低頻（100―500kHz）、中頻（10―15MHz）、射頻（850―950MHz）和微波（2.45―5.8GHz）系統，不同的工作頻段影響系統的讀寫(xiě)距離。按Tag的供電方式，可分為有源和無(wú)源兩類(lèi)。

　　有源Tag需要電源供電，讀寫(xiě)距離遠，但使用不方便，價(jià)格高，壽命有限;無(wú)源Tag使用讀卡器天線(xiàn)發(fā)射的電磁波的能量，因此無(wú)源Tag的讀寫(xiě)距離有限，但壽命長(cháng)、體積小。基于在礦井下使用的特殊環(huán)境，將Tag嵌人到礦工的安全帽或皮帶中，因此本系統使用無(wú)源Tag，增加其使用壽命。低頻和中頻系統對Tag的讀寫(xiě)距離只有10cm左右，射頻系統的讀寫(xiě)距離可達7m左右，微波系統（主要使用有源Tag）可達幾十米。由于礦井下需要相對精確的定位信息，而且還要讀寫(xiě)方便，本系統選擇工作在射頻波段，需要在礦井中每隔15m左右安裝1個(gè)讀寫(xiě)器。

　　CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)最早由德國B(niǎo)OSCH公司提出，主要用于汽車(chē)內部測量與控制中心之間的數據通信。由于其良好的性能，廣泛應用于其他領(lǐng)域當中，并逐漸成為主要通訊手段。其主要特點(diǎn)有：國際標準的工業(yè)級現場(chǎng)總線(xiàn)，傳輸可靠，實(shí)時(shí)性高;傳輸距離遠（無(wú)中繼最遠10km），傳輸速率快（最高1bit/s）;單條總線(xiàn)最多可接110個(gè)節點(diǎn)，并可方便的擴充節點(diǎn)數;報文為短幀結構并有硬件CRC校驗，受干擾概率小，數據出錯率極低;出錯的CAN節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)關(guān)閉并切斷和總線(xiàn)的聯(lián)系，不影響總線(xiàn)的通訊;非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，可多節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)數據，總線(xiàn)利用率高;總線(xiàn)上各節點(diǎn)的地位平等，不分主從，突發(fā)數據可實(shí)時(shí)傳輸;具有硬件地址濾波功能，可簡(jiǎn)化軟件的協(xié)議編制;CAN―bus總線(xiàn)系統結構簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比極高。當礦井通訊網(wǎng)絡(luò )需求達到更遠的通訊距離（大于10km），或者終端數目較多（大于110個(gè)）時(shí)，安裝CANbridge網(wǎng)橋可以成倍地延長(cháng)通訊距離，也可以成倍地增加CAN―bus網(wǎng)絡(luò )中終端設備的數目。而且在礦井中使用CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )還有利于將礦井中相互獨立的各種類(lèi)型系統互通，進(jìn)行統一管理。

2、礦井定位系統硬件設計

　　本系統中監控器位于地面的監控室，通過(guò)CAN轉換卡與CAN總線(xiàn)相連，其上運行由VisualC++編寫(xiě)的監控軟件，可以動(dòng)態(tài)顯示礦工當前位于哪一基站附近，還可以向某些基站發(fā)出查詢(xún)命令，查詢(xún)某一員工當前位置;射頻讀寫(xiě)器作為基站安裝在礦井中的已知位置，通過(guò)CAN總線(xiàn)與其他基站和監控器相連;礦工進(jìn)入礦井時(shí)都要佩戴安全帽或腰帶（內嵌電子標簽），并且電子標簽的ID已與監控系統信息相關(guān)聯(lián)。當通信距離長(cháng)、基站節點(diǎn)數量多時(shí)，可以使用CANbridge延長(cháng)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

　　本系統使用的無(wú)源電子標簽是TI公司的RI―UHF―STRAP一08，其符合EPCglobalTMGen2（v.1.0.9）和ISO/IEC18000―6c協(xié)議標準，內置192bit的存儲器（96bit的EPC存儲器、32bit的操作密碼、32bit的KILL密碼、32bit的Tag―ID存儲器），工作在860～960MHz的頻段，但此頻段還未推出專(zhuān)用的讀寫(xiě)器模塊，因此本系統的重點(diǎn)是射頻讀寫(xiě)器的研制。