聚来井下人员定位系统技术方案

1  聚来井下人员定位系统技术方案 

1.1 系统概述 
    上海聚来射频电子技术有限公司基于第三代RFID技术研发的井下人员、设备定位跟踪系统是采用目前国际上最先进的BEST-RFID技术的井下定位系统。能够及时（无轮巡、无延时）、准确（无错码、无漏卡）地将井下各个区域人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。当事故发生时，井下人员可以通过持有的定位卡片向地面机房求救，救援人员也可根据上海聚来井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。 

    第三代RFID技术---BEST RFID---又称卓越RFID。是从第一代RFID不能准确无误识别人员信息—--到第二代RFID只能单读头较准确识别，再到第三代BEST RFID---卓越RFID 能网络化、多方向、多读头，（两个以上、单一子网即多可达上百个，整个网络可达上千个）同时准确识别人员定位信息的本质性飞跃。 

    第三代RFID技术---BEST RFID，又称卓越RFID，应用0.13um芯片制造工艺，依靠世界顶尖的射频电子技术专家，整合国际上最领先的天线技术、光通信技术、工业以太网传输技术、数据库处理技术、计算机软件技术、地理信息系统技术、互联网技术、工程结构学技术、井下应急救灾技术等多学科的综合课题攻关，全面、完善、彻底地解决了井下人员定位系统中遇到的前两代RFID无法突破的技术瓶颈问题。 

    前两代RFID技术虽然在一些应用中能解决单一读头识别，但当系统要求两个以上读头组成系统网络，用于识别人员信息和定位时，会出现人员信息、定位数据延时达10秒、10个以内读头数据延时就达30秒，10个以上读头，数据延时高达三、五分钟以上甚至十数分钟的不治之症。并且，多读头时数据传输较慢。因数据轮巡，各读头数据只能分批上传，造成井下人员的定位信息忽前忽后，定位轨迹上下乱窜。根本不能即时有效反应井下人员的位置信息。更突出的问题是，整套子系统读头数量不能超过30个，超过时就要增加通信箱，造成数据延时成倍增加，延时达五分种甚至十几分钟，井下30秒，人就可能移动一百米，五分种以上的人员定位信息，人员就更加无法确定去向。这样的系统根本就不再有人员定位价值。再者，严重的是，前两代系统不具有方向性，或方向性只能在两个读头间，单进单出。不能进行三、四、五、六分巷以及整个定位系统方向性判别。 

     第三代BEST RFID 不仅单一读头与卡片间能完美地达到超高速识别、超远距离识别、超低功耗、超大流量识别，而且较前两代RFID而言，BEST RFID真正实现了RFID技术的网络化应用和高速即时数据传输的、多读头（两个以上、单子网就多可达上百个）同时准确识别的难题，更重要的是识别数据甄别、上传不再有轮巡、延时。各读头之间都有方向性，都能有效判断方向性，而且井下、井上同一时间触发，一秒钟内上位机判别，没有延时。 

   第三代BEST RFID同时也解决了前两代RFID技术感应距离短、防冲突能力差的致命弱点。多频段多频道碰撞性转移，杜绝了冲突的可能。其各项技术指标在同类产品中均处于行业领先地位，开创了真正的超远距离、真正网络化、高速移动条件下、超低功耗发射、真正即时传输的识别技术的新纪元。 

   第三代BEST RFID，由上海聚来射频电子技术有限公司融合国际一流RFID技术专家、计算机软、硬件、网络专家、光通信专家、煤矿非煤矿抢险救灾搜救专家综合课题攻关的成果研发成功。  


   上海聚来井下人员及设备定位系统是集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等一体的综合性运用系统。也是国内技术最先进、运行最稳定、设计最专业化的井下定位系统。这一科技成果的实现，将为煤矿企业的安全生产和日常管理上台阶以及事故急救带来了新的契机。 

1.2 系统总体设计思路  
   井下人员定位跟踪及考勤管理系统涉及计算机软件、数据库、电子电路、防爆本安电源、数字通讯、无线识别RFID技术、井下工业以太网、井下施工等方面。因此，在设计方案时，除了考虑其功能外，在稳定性、可靠性、抗干扰能力、容错能力及异常保护等方面也进行了充分考虑。项目方案确定利用现有成熟的高速工业以太网系统作为主传输平台，开发相应的井下人员跟踪定位基站、人员无线编码发射器等设备与系统挂接，通过井下人员跟踪定位基站及考勤管理专用软件与主系统以标准的专用数据库进行后台数据交换从而实现井下作业人员的跟踪定位和安全管理。系统总体设计主要体现在：  

实现煤矿井下作业人员进出的有效识别和监测监控，使管理系统充分体现“人性化、信息化和高度自动化”，实现数字矿山的目标。  
为煤矿管理人员提供人员进出限制、考勤作业、监测监控等多方面的管理信息，一旦发生安全事故，通过该系统可在事故现场10～30米范围内可立刻探测该作业面工作人员及其数量，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。  
系统设计具备安全性、可扩容性、易维护性和易操作性。  
轻松联网，BS结构，轻松实现县、市、省及更广阔地域联网监控。  

1.3系统设计原理及依据 
1.3.1系统设计原理 
   井下人员定位管理及搜救系统是由地面监控中心主计算机在系统软件支持下，通过数据传输接口和沿巷道铺设的通讯光/电缆，无间断、即时地对井下安装的无线数据采集器进行数据信息采集，无线数据采集器将自动采集有效识别距离内的标识卡的信息，并无间断、即时地通过传输网络将相关数据传送至地面中心站。数据信息经分析处理后，将井下人员（或机车等移动目标）动态分布在主计算机界面中得以实时反映，从而实现井下安全状态在井上数字化管理的目的。 

   遵循“统一发卡、统一装备、统一管理”的原则，将标识卡视为“上岗证”或“坑道准入证” ，按准许上岗人员实行“一人一卡”制。 

根据矿井监测需求，在井下坑道、峒室、作业面等地点安装无线数据采集器，并通过电缆/光纤数据传输接口相互连接为井下高速工业以太网，从而构成完整通讯线路。  

煤矿生产单位输入工作人员相关信息后，向下井工作人员颁发并装备标识卡。  

系统数据库记录该标识卡相对应人员的基本信息，包括姓名、年龄、性别、所属班组、所属工种、职务、本人照片、有效期等基本信息。  

进入坑道的工作人员必须随身携带标识卡，当持卡人员经过设置识别系统的地点时被系统识别。系统将读取该卡号信息，通过系统传输网络，将持卡人通过的路段、时间等资料传输到地面监控中心进行数据管理，并可同时在地理信息大屏幕墙上出现提示信息，显示通过人员的姓名。如果感应的无线标识卡号无效或进入限制通道，系统将自动报警，安全监控中心值班人员接到报警信号，立即执行相关安全工作管理程序。 
 
生产单位可根据生产计划，对该标识卡进行授权管理。授权范围包括：该员工可以准入的坑道或作业面。为防止无关人员和非法人员进入坑道或作业面，系统设置该卡准入坑道或作业面的时效管理模块及卡的失效、报失等。  

坑道一旦发生安全事故，监控中心在第一时间内可以知道被困人员的基本情况，救险队使用移动式远距离识别装置，在10-30米的范围内方便探测遇险人员的位置，便于（进行安全高效的救护、救助工作）救护工作的安全和高效运作，便于事故救助工作的开展。
  
系统可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表资料，提高管理效益。  

1.3.2  系统设计依据  
（1） GA/T75《安全防范工程程序与要求》 

（2） MT209-1990《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》  

（3） 国家安监总局《煤矿井下人员位置管理系统标准（建议）稿》 

1.4系统功能及特点 
1.4.1系统功能： 
20项卓越的功能特点，源自第三代BEST-RFID在井下人员定位跟踪系统的卓越性能发挥，确保了上海聚来井下人员定位跟踪系统与前两代系统相比较，堪称一个划时代的完善产品。 

1、精确时间定位 
    整套系统控制流和数据流不用轮巡，上百读头数据刷新以毫秒来计算，在定位传感器（2-512个）网络有效覆盖范围内，上位机软件真正做到“所见即所得”，即时读取和上传人员位置信息，没有时间延时，真正做到定位时间精确到秒。 

2、精确空间定位： 
   在读头有效识别距离间隔下，卡片在各读头间可实现精确区域定位。在读头依次排列下，读头间隔为最小定位精度，读头间隔10-2000米以上可调。 

3、整体系统任一读头都能有效识别方向： 
    每个读头和卡片都有方向识别信息，整套系统内的任一读头都有判别卡片多方向性运动的能力，在三、四、五、六以上多分支巷道处，各分支单一读头，就能准确判断方向，成倍降低安装成本。 

4、卡片标签低电压报警。 
    卡片电池使用时间可达五年以上，在长期使用后，电池将要耗尽时，可自动提示更换卡片电池，这一重要功能，根本杜绝了SUPER-RFID产品在使用一段时间后，逐渐大量出现坏卡（缺电），而因其系统本身没有自检功能，造成的用户还要重复投入相当的人力和设备进行考勤和卡片管理，使定位系统形同虚设的现象。BEST-RFID出现低电压提示后，电池仍能正常使用一月以上。 

5、系统杜绝第二代RFID产品不可避免的乱码现象，确保数据和卡片识别真正万无一失： 
    0.13um加CAN+内置协议的独特芯片集成创新技术，从本质上超越了第二代RFID技术的性能。从设计结构和技术协议上保证了BEST-RFID产品不会出现任何乱码现象。 

6、不轮巡，无延时：真正标准CAN技术+井下工业以太网平台，真正意义上及时井下人员动态显示： 
系统从芯片设计起就定制为CAN+工业以太网结构，不论定位传感器有多少（2-512个）都不用系统轮巡，数据再没有延时。  
真正任一时间查询并显示井下某个地点的人数、分布情况及身份。  
查询一个或多个人员现在的井下实际位置、活动轨迹。  
有实际意义（精确到秒，而不是数分钟以上的轮巡）的记录有关人员在任一地点的到/离时间和总工作时间等一系列信息，可以督促和落实重要巡查人员（如：瓦斯检测人员）是否按时、到点的进行实地查看，或进行各项数据的检测和处理，从根本上尽量杜绝因人为因素而造成的相关事故。  

7、光纤、电缆传输方式自由选择： 
    依照井下实际情况和客户要求，可自由选择CAN和TCP/IP接口协议，搭入已建或在建、新建光纤井下以太网或电缆直铺方式。 

8、真正即时准确、丰富的人员下井考勤能力： 
   可精确到毫秒级的对出入井人员进行统计，实现下井人员考勤记录，建立并打印人员出入井的各种信息报表（如：下井时间报表、出勤月报表、加班报表、缺勤报表等等），方便管理人员的查询与管理。 

9、可靠、有效的紧急呼救能力： 
     每张定位卡片上自带专门设计、被《中华人民共和国专利法》-功能型专利保护的紧急呼救装置。当井下人员遇险时，持卡人员方便有效地向地面机房、搜救人员呼救。监控机房可第一时间根据呼救报警，结合有效手段，对井下求救和灾害信息进行辨别处置，必要时向井下发出广播信息。搜救人员使用手持探测设备可以查找遇险人员。 

11、可选井下小区广播，即时对特定或矿山范围内的紧急情况进行通知： 
     在监控机房和管理人员对井下紧急情况进行有效判别后，可以通能过系统的小区广播选件对井下特定范围或全部进行广播通知。有效告知和疏散井下人员。 

12、真正井下无卡人员禁入功能： 
    无持卡人员的定位和管理，是实施井下人员位置管理后的一个难点。上海聚来设计有专用的无卡人员禁入传感器和禁入装置，做为系统的可选择设备，起到百密无一疏的管理效能。 

13、大容量、超高超识别技术： 
    单一读头同时可识别8000张以上卡片，远远超出第二代RFID技术的200张的极限。 

14、卡片安装自如方便，不受使用位置的限制： 
   根据客户需要，提供各种安装方式，帽卡、胸卡、腰卡、矿帽、矿灯电池上，准确无误识别，确保根据管理需要自如安装，不受第二代的产品只能装在矿帽上、在腰部就加大发射功率对使用人体造成职业损害的缺陷限制，。 

15、信息多点共享： 
   系统中心站及网络终端可以局域网方式联网运行，使网上所有终端在使用权限范围内实现信息多点共享，供多个矿井各部门及领导同时在不同地点共享监测信息、系统综合分析信息、查询各类数据报表。 

16、丰富的地图功能： 
   具有放大、缩小、移动、标尺测距、视野控制、中心移动、土层控制、地图打印等功能，支持多种图形格式。鼠标和键盘均可操作，全面支持实时多任务。 

17、禁区或设备故障报警功能： 
   对于指定的禁区，如果有非授权人员进入，实时声音报警，并显示进入禁区的人数及身份。系统同时拥有自检功能，当系统部分设备发生故障时，上位机软件能及时反应，并初步判断故障原因，能输出和打印相关信息报表。 

18、灾后急救信息： 
   一旦发生各类事故，上位机上立即能显示出事故地点的人员数量、人员信息，人员位置等信息，并结合矿井地图，能够使救灾人员快速判断并确定事故应急预案，大大提高抢险效率和救护效果。 

19、后备电力： 
    系统产品的坑道壁挂式设计，保证系统在恶劣环境下能连续运转，并提供断电后较长时间的供电电源，采用多组后备电池，能提供长达2-4小时断电保护。 

20、基站应急功能： 
   井下人员跟踪定位基站与地面中心站失去联系时，基站仍能独立工作，自动存储人员监测数据。 

1.4.2性能特点 
1、超低的功耗，超高的灵敏性能： 
0.13um的芯片制造工艺，造就了卓越BEST-RFID的性能。  
真正的超低功耗，是第二代RFID产品的十分之一以下，在同样发身射功率条件下，有效传感距离超过第二代RFID产品一倍以上。  
真正的超高灵敏度，同样的-10db，有效识别距离是第二代RFID的一倍以上。  
独特的超小型高性能天线设计，可以满足任何场地和空间应用需要。  

2、强大的系统处理能力： 
采用G-W算法优化系统数据处理能力；  
高度自动化，自动监测、统计、分析信息，整个过程无需人为干涉；  
基于GIS技术的地理信息显示、查询系统；  
完善的数据分析能力；  
通讯距离远，可达40公里以上。 
 
3、卓越的识别性能： 
高度的识别可靠性，100%的前端识别率；  
识别距离远（识别距离方便可调，可达1-180米以上）；  
极高的防冲突性（每个检测点可最多同时识别8000个卡片）；  
高度的识别稳定性（误码率小于10的-9次方，达到一亿分之1）；  
快速的识别速度（最快可达到200公里/小时的识别速度）。  

4、现场优势： 
全套系统本安型结构设计，ABS抗静电外壳。  
彻底防潮结构设计，最恶劣井下环境也能长时间稳定工作。  
环境适应性：高抗干扰性，对井下干扰源、周界环境无特殊要求；  
安装方便性：传感器一体化结构设计，无需外接天线或地感；  
运行可靠性：内部电路高度集成化，器件故障率最小化。  
读头、卡片有自动自检复位结构，能长年运行不虚报、漏报。  

5、电气特性： 
超低功耗，无线标签在不更换电池的情况下可连续正常工作5年；  
方便性、安全性，标签无须外接矿灯电源，无须充电、无须更换电池；  
无辐射，对人体和环境无任何影响，更安全更健康。  
所有设备均适合井下使用，具备防水、防震、防腐、防潮、阻燃等等功能。  
正常工作环境条件：温度-40℃-85℃，相对湿度40%-70%，大气压力80kpa-106kpa  
抗电磁干扰: 10V/m 0.1～1000MHz AM调幅电磁波  

1.5系统硬件及软件 
1.5.1系统硬件特点 
   1、超级集成，全双工无线传输： 

   0.13um工艺，造就了超低功耗、超高灵敏度、超远距离传输、超高速度识别、超大容易识别、超低误乱率。同时，也轻易地实现了无线传输的高速度和高带宽，带宽达到4M，在全双工状态下轻松实现语音和图象传输。 

   2、工控频段 

   由于采用无线的传输介质，无线传感器网络克服了许多传统有线网络传输信息的弊病。在一些物理障碍和特殊环境下，有线网络是不可能实现的。另一方面，与传统的公网无线通讯相比，2.4G工控频段无线通讯无需无线电管制委员会批准，不需缴纳频谱占用费用。 

   3、超低功耗 

   卡片标识器件在技术上采用了合理休眠模式，具有收发信息功耗低等特点，确保能在电池支持下持续工作长达 5年左右。同时，整体结构的低功耗设计既保证了设备的有效运转，又减少了应用实施的复杂性和成本。 

   4、设备体积小 

   无线传感器网络的基本单元是硬币大小的智能计算传感设备。现代集成电路技术的集成度和产品性使得上海聚来无线传感设备的体积在不断地小，而它的功能却越来越强大。微小的体积不但使得在特殊环境下的应用成为可能，也大大降低了安装和维护的要求与成本。 

   5、网络容量大 

   一个传感网络可以容纳多达六万五千的微型智能传感器件和大量的接入点。大容量保证了网络强大的数据采集能力。同时，网络的高冗余性保证了整个网络在个别节点停止工作的情况下仍然可以正常运转。 

   6、精密、可靠 

   无线传感器网络的精确性、可靠性、稳定性是传统方式的百倍以上。上海聚来无线传感系统核心技术目前采用独有的校验冗余纠错算法，并结合分布式计算技术、神经网络技术、网络信息融合技术，实现网络自唤醒、自容错、自愈合、无误码、无乱码。 

   7、运行及维护成本低 

   综合以上无线传感器网络的特性，可以看出，建网所需要的人工费用是很低的。任何一个经过授权的微型智能传感器件只要放在网络的无线信号覆盖范围内，就可自动加入网络工作，无须任何安装配置。高度智能化最大程度上降低了网络维护所需的人力和时间，加上网络节点本身价格低廉，使得上海聚来无线传感器网络的维护成本极低。 

   8、 技术特点： 

   l 多种信号采集； 

   l 极低的电流功耗； 

   l 4Mbps 2.4GHZ IEEE802.15.4 兼容的射频收发； 

   l < 10us 的快速激活/睡眠状态转换； 

   l 硬件层加密与身份验证安全特性； 

   l 数字信号强度（RSSI）与无线连接质量（LQI）支持。 

   9、传输快、速率高 

   高速光纤工业以太网的应用使整个系统的传输速率由几百字节提高到百兆，实现了传输速率质的飞跃，从而可实现多点并发式查询，即多个采集点同时上传数据，极大的缩短了采集时间，从而极大的提高了实时性（真正意义上的多点并发，从芯片设计就独有的。）而不是第二代RFID依靠各种转换卡、转换器，把232或485转成CAN或TCP/IP，这只能使干线传输的协议变成CAN或TCP/IP，但各单一传感器输出仍保存着485轮巡的本质特点，系统网络化特点根本就不具备，系统控制和数据信号还要依靠轮巡实现。 

   10、移动动态采集 

   先进的无线传感器网络技术与所需的传感器相连，从而实现移动动态的采集，如瓦斯、矿压、矿温等环境参数均可实现移动动态的采集。 

   11、可靠性高 

   先进的自有技术的应用，极大的提高了产品的可靠性和产品的识别能力。如专有的时间戳技术，即在每一个接收到的信息基础上加入采集时间信息，使整个系统更为可靠。 

   12、 多功能 

   实现了井下人员实时跟踪定位、机车实时跟踪定位、准确的考勤、历史查询、紧急呼救、小区广播、无卡禁入、低电压和禁区报警、辅助灾后搜救等九大重要安全管理功能。 

   13、 开放性 

   整个系统留有丰富的软硬件接口，具有极大的开放性，可根据用户的需求作相应的调整。 

   14、 高容量 

   井下人员管理及搜救系统在井下可容纳1000个数据采集器，每个数据采集器可同时采集8000张以上标识卡信息，整个系统可容纳标识卡上亿个，足以满足现有大中型煤矿的需要。 

1.5.2系统软件界面 

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  （图一）  

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   （ 图二）  

1.6配置要求、系统图及实施步骤 
1.6.1运行设备配置要求 
地面中心站 

   地面中心站主机采用工控机。 

CPU：使用相当于Intel公司的Pentium IV或以上级别的CPU；  
操作系统：Windows2000以上操作系统；  
内存：512M以上；  
显卡：Windows系统兼容，含有16MB以上的显示内存，1280*800分辨率以上；  
硬盘：40G以上。  
1.6.2 系统图   

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           图1：系统图 

1.6.3实施步骤 
根据矿山需求，进行矿图研究，实地考察，并与矿山主管人员确定无线数据采集器安装数量、相应安装位置等基本要求。  
确定主干网络结构及相应的数据传输接口数量、安装位置。  
敷设物理链路及光缆、电缆等，如已有光缆，可利用此光缆的剩余芯数搭建。竖井或斜井电缆应采用铠装加强光缆或电缆，固定敷设在井壁上。  
设备安装  
数据传输接口安装 

数据传输接口通过膨胀螺栓固定在巷道的侧壁上。参见数据传输接口用户手册。 

无线数据采集器 

无线数据采集器可通过膨胀螺丝或钢钉固定安装在井下巷道一侧墙壁上。参见无线数据采集器用户手册。 

标识卡发放  
系统调试  

2   典型应用及工作模式 
   井下人员管理及搜救系统是一套具有极大的灵活性的系统，可根据用户的需要，可进行不同的搭配构建，设定成不同的工作模式，从而满足不同规模用户的要求。 

   针对不同的矿山，井下情况虽然千差万别，但根据矿山的实际需求和我们的经验，我们将矿山按产量进行分类为：大型(特大型)矿山（年产量200万吨以上）、中型矿山（年产量50万吨以上）、小型矿山（年产量50万吨以下），并根据不同矿山需求及典型应用，进行构建，从而更好地为矿山服务。 

2.1方案一 
矿山实际 
采掘面多，坑道长，范围巨大，传输距离远  
机械化程度高，现代化程度高  
大多已铺设光纤  
实时性、可靠性要求高，
  
系统设计方案 

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方案说明 

利用光纤传输接口，以光纤自愈环网形式，搭建井下的高速工业以太网。  
每4-5Km之间设立光纤传输接口，如在每一个作业面、巷口设立。  
无线数据采集器建议间距200-500米之间，以构成井下的动态探测网络。 
 
2.2方案二 
矿山实际 
采掘面多，坑道较长，范围大，传输距离较远  
机械化程度较高，人员众多  
有一些已铺设光纤  

系统设计方案 

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方案说明 
利用光纤传输接口，以光纤网形式，搭建井下的高速工业以太网。  
每4-5Km之间设立光纤传输接口，在每一个作业面、巷口设立。  
无线数据采集器建议间距500-1000米之间，以构成井下的动态探测网络。  

2.3方案三 
矿山实际采掘面少，坑道较短，范围小，传输距离相对较近  
机械化程度低，人员素质一般
  
系统设计方案 

方案说明

利用一台数据通讯箱，与井上设备连接。
无线数据采集器并联在通讯电缆线上，构成井下的动态探测网络。
成本较光纤系统低

3  技术比较
3.1 与其他人员管理系统的比较


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3.2与其他无线数据通信方式的比较

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关于聚来

上海聚来射频电子技术有限公司（Shanghai Julai RFID electron technology Co.Ltd.），座落在------上海.浦东.张江“国家射频识别产业化（上海）基地”。专业致力于国际最好射频识别（BEST  RFID）技术的网络化、系统化新产品应用的战略研究的高科技公司。为国家射频识别产业化（上海）基地的重点企业，在上海国家射频产业园区RFID芯片设计、制造、测试及RFID应用系统开发等方面处于全面领先的整体环境下，依托园区RFID产业、人才、市场、配套国际合作等各个方面的良好条件，联合参与了第一个RFID国家级软件和硬件联合实验室和演示中心的工作。经过数代多年的经验及系统产品积累，公司拥有一支一流的软、硬件队伍，可完成真正的超远距离、真正的网络化、高速移动条件下、超低功耗发射、真正即时传输的识别技术产品的研发、生产。包括：产业技术研究，芯片设计、测试，RFID标签集成、生产，RFID读写器集成、生产，光电设备制造，软件开发，RFID系统集成，产品检测及信息咨询服务等，形成了在国际RFID微电子技术及产业化领域的优势。为上海聚来射频电子技术有限公司成为国际BEST-RFID（卓越RFID）领先者打下基础。