基于RFID與CAN的煤礦井下人員定位系統研究

1　射頻識別技術(shù)

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(dòng)識別技術(shù),它利用無(wú)線(xiàn)傳輸方式進(jìn)行雙向數據通信,進(jìn)而達到自動(dòng)識別并交換信息的目的。近年來(lái),自動(dòng)識別技術(shù)得到了快速普及和推廣,自動(dòng)識別方法多種多樣:條形碼是一種應用廣泛、廉價(jià)的自動(dòng)識別術(shù),但條形碼信息量小,不能改寫(xiě);有觸點(diǎn)排的IC卡是電子數據載體最普遍的結構,但在許多情況下,機械觸點(diǎn)的接通是不可靠的;RFID卻可以讓物品實(shí)現真正的自動(dòng)化管理,其優(yōu)勢非常明顯:存儲信息量大,每一個(gè)產(chǎn)品擁有獨一無(wú)二的ID號;讀寫(xiě)不需要光源,可以透過(guò)外部材料讀取數據;使用壽命長(cháng),能在惡劣環(huán)境下工作;能夠輕易嵌入或附著(zhù)在不同形狀、類(lèi)型的產(chǎn)品上;讀取距離更遠,可以寫(xiě)入及存取數據,實(shí)現標簽的內容動(dòng)態(tài)改變;能夠同時(shí)處理多個(gè)標簽;標簽的數據存取有密碼保護,安全性更高;可以對RFID標簽所附著(zhù)的物體進(jìn)行追蹤定位。

1.2　射頻識別系統組成
射頻識別系統主要由Tag、讀寫(xiě)器、天線(xiàn)等組成,一般還需要其他軟硬件的支持。
1）讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)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(xiě)器讀取電子標簽中的信息,然后將信息發(fā)送到地面監控中心。
2）無(wú)源電子標簽。電子標簽由耦合元件和ASIC（IC）組成。無(wú)源電子標簽,即沒(méi)有自己的電源供給的電子標簽,由讀寫(xiě)器發(fā)出的高頻場(chǎng)提供能量。模擬前端配合解調器從電子標簽天線(xiàn)吸收電流,整流后使電容充電,再經(jīng)穩壓后為電子標簽供電。

2　CAN總線(xiàn)技術(shù)
CAN是由ISO定義的串行通訊總線(xiàn),最初應用在80年代末的汽車(chē)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(gè)理想的解決方法,在各種控制系統得到了廣泛應用。

CAN采用了新技術(shù)及獨特的設計,與RS485相比具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN具有多主節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )特性,總線(xiàn)利用率高,數據傳輸速度快,可擴充性好,通訊距離長(cháng),加中繼器通訊距離可達數十千米,具有可靠的錯誤處理和檢錯機制,個(gè)別節點(diǎn)失效并不影響整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò )的運行,實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現位置信息的上傳,當需要時(shí)還可以實(shí)時(shí)修改井下某監控接點(diǎn)信息。比較可知,RS-485網(wǎng)絡(luò )除了硬件成本、開(kāi)發(fā)難度比CAN-bus網(wǎng)絡(luò )稍具優(yōu)勢外其他性能方面都沒(méi)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(shí)間,產(chǎn)品的后期維護軟件開(kāi)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(xiàn)取代RS-485總線(xiàn)是一種比較徹底的方案。

3　煤礦井下人員定位系統設計

3.1　定位系統基本構成
系統由井上與井下兩部分設備組成。井上設備主要由監控中心（包括服務(wù)器）及共享網(wǎng)絡(luò )終端等組成;井下設備以CAN總線(xiàn)作為主傳輸途徑,開(kāi)發(fā)相應的煤礦井下人員監控節點(diǎn),配合天線(xiàn)、電子標簽、傳輸介質(zhì)、中繼器R等與監控中心掛接,從而實(shí)現井下作業(yè)人員的定位和安全管理。系統網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。

3.2　定位系統工作原理
定位系統主要實(shí)現井下人員及設備安全監測工作。在坑道、作業(yè)面的交叉道口安裝監控節點(diǎn),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。RFID讀寫(xiě)器通過(guò)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(jìn)入讀寫(xiě)器的天線(xiàn)工作區域后被激活,并將載有個(gè)人信息的射頻信號經(jīng)卡內收發(fā)模塊發(fā)射出去;讀寫(xiě)器天線(xiàn)接收到電子標簽發(fā)來(lái)的射頻信號,經(jīng)過(guò)處理后,提取出個(gè)人信息,通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)送至井上監控中心,記錄井下工作人員經(jīng)過(guò)地點(diǎn)、時(shí)間、活動(dòng)軌跡等實(shí)時(shí)信息,還可自動(dòng)生成考勤作業(yè)的統計與管理等方面的報表資料,提高管理效益。