基于RFID與CAN的煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究

1　射頻識別技術(shù)

1.1射頻識別發(fā)展
RFID是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的新型自動識別技術(shù),它利用無線傳輸方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信,進(jìn)而達(dá)到自動識別并交換信息的目的。近年來,自動識別技術(shù)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(yīng)用廣泛、廉價的自動識別術(shù),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(jié)構(gòu),但在許多情況下,機(jī)械觸點的接通是不可靠的;RFID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(yuǎn),可以寫入及存取數(shù)據(jù),實現(xiàn)標(biāo)簽的內(nèi)容動態(tài)改變;能夠同時處理多個標(biāo)簽;標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存取有密碼保護(hù),安全性更高;可以對RFID標(biāo)簽所附著的物體進(jìn)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(biāo)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(biāo)簽。電子標(biāo)簽由耦合元件和ASIC（IC）組成。無源電子標(biāo)簽,即沒有自己的電源供給的電子標(biāo)簽,由讀寫器發(fā)出的高頻場提供能量。模擬前端配合解調(diào)器從電子標(biāo)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(biāo)簽供電。

2　CAN總線技術(shù)
CAN是由ISO定義的串行通訊總線,最初應(yīng)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(yuǎn)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(yīng)用。

CAN采用了新技術(shù)及獨特的設(shè)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(luò)特性,總線利用率高,數(shù)據(jù)傳輸速度快,可擴(kuò)充性好,通訊距離長,加中繼器通訊距離可達(dá)數(shù)十千米,具有可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制,個別節(jié)點失效并不影響整個通訊網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行,實時性好等優(yōu)點。另外,CAN的雙向通信彌補(bǔ)了RS485半雙工通信的缺陷,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的上傳,當(dāng)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(luò)除了硬件成本、開發(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(hù)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(shè)計

3.1　定位系統(tǒng)基本構(gòu)成
系統(tǒng)由井上與井下兩部分設(shè)備組成。井上設(shè)備主要由監(jiān)控中心（包括服務(wù)器）及共享網(wǎng)絡(luò)終端等組成;井下設(shè)備以CAN總線作為主傳輸途徑,開發(fā)相應(yīng)的煤礦井下人員監(jiān)控節(jié)點,配合天線、電子標(biāo)簽、傳輸介質(zhì)、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(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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(shè)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(biāo)簽的腰帶,或佩戴裝有電子標(biāo)簽的安全帽。RFID讀寫器通過固定頻率的射頻載波向電子標(biāo)簽傳送信號,電子標(biāo)簽（工作人員隨身佩戴）進(jìn)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(nèi)收發(fā)模塊發(fā)射出去;讀寫器天線接收到電子標(biāo)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。