基于RFID的井下人员定位系统设计

近年来，矿井事故频繁发生，由于矿井下情况的复杂性，矿工们的救援工作十分困难。如果能及时了解工人们在矿井下具体的位置，将会大幅度减少事故的伤亡率。因此，矿井下人员的定位一直都是煤炭开采中一个紧迫的任务，研究人员们提出了许多方案，但成效甚微。本设计吸收了目前国内外的一些方案的优点，对它们的不足之处做了研究，提出了自己的设计方案，以求能更好地推广应用。 

1 系统的整体设计思路 

系统主要使用的技术是无线射频识别技术(Radio Frequency Idenficafion，RFlD)，是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。 

本设计主要解决的是矿井下人员定位的问题。它能够实时地监控井下员工的具体位置(误差范围内)；能够进行员工下井考勤与相应时间、地点的统计(包括何时下井，何时离井，具体位置等)。它既可以供中小型矿井作为一个功能齐全的自动监控考勤系统使用，也可以与已有的矿井综合系统结合，作为一个重要的功能供大型矿井使用。 

主要设计参数如下：网络规模大小为1 km 10km2；基站总数量约为6o 0o个；无线通信距离为5 m～10m；基站间距为80m～100m；通信器移动速度为0m／s一5 m／s。 

在具体的井下组网时，由于井下信号的衰减较大，要合理地设置基站的发射功率与基站间的距离，基站设置要重点考虑员工密集区和信号衰减严重区域(如十字路口处)。 

2 人员定位系统的设计 

2．1 人员定位系统方案的设计 
定位系统主要由地面控制中心、井下基站(射频自动识别读写器)以及无源电子标签(Tag)组成。控制中心负责整个通信定位系统的管理与控制，与相应的矿井地理信息系统配合可以对井下人员进行实时监控。它可由一台计算机并配有相应数据库管理软件完成。基站为整个定位系统的关键部分，负责Tag周期性信号的检测，电子标签由井下工作人员随身佩戴，凭电子标签进入井下，并通过读写器读取标签中的出厂卡号(本系统使用只读电子标签，每个标签的出厂卡号唯一)，卡号对应每个人的个人信息，把时间、位置和个人情况写入数据库，控制中心自动生成考勤作业统计与报表。 

2．2 井下人员定位原理 
目前，常用的一种定位方案是信号强度检测法，它类似于手机信号的检测，基站的信号需要覆盖整个矿井，当一个Tag处于某个基站附近时，这个基站获得的信号最强，我们很容易判断它的位置，如果Tag移动到两个基站的重叠区时。两个基站获得的信号强度不一致，对比信号的强度我们也能精确地判断出Tag的具体位置。这种方案的优点是定位精确，但是需要设置大量的基站，容易浪费人力物力。而我们实际应用时，往往只需要一个大概的方位。在此，笔者提出—个终点定位法，定位系统 原理见图1。当某个电子标签经过基站A时，我们可以得到佩戴这个电子标签的人员信息(人员的编号、位置和处于此位置的时间)。如果在以后的时间里，其他的基站不再出现该标签的信息，我们便可以判断该人员的位置范围。如果他继续前行，我们可以从其他的基站中读出该人员的最终位置并可以得出他的行进轨迹。可以肯定的是，只要基站布置合理，我们便可以准确地对井下每个员工定位，而且可以减少大部分不必要的基站。 

2.3 硬件系统的设计 
硬件系统结构(见图2)由多个射频识别设备、数据库服务器及监控主机组成。其中，射频识别是本系统的核心技术，在此，我们采用的是杰讯公司的JXO521射频自动识别读写器、UHF射频自动识别卡(电子标签)和JX—90o一12- H65天线。 

JX0521是国产的超长距离射频自动识别读写器，工作频率为9o2MHz一928 MHz，读卡距离≥8 m，读卡速度为每单字(32 b)读取时间6ms，有防碰撞检测功能，一次可成批读取3O张电子标签，平均功率≤12w。其优点是：非接触性，无源射频卡与读写设备之间没有机械接触，无机械损伤。与读写设备也没有插口(全密封)，能适应多尘、潮湿等恶劣环境，可靠性高，使用寿命长，安全保密性好，十分合适矿井下使用。普通磁卡受到强磁场干扰会丢失信息，射频识别卡利用存储器记录信息，不受磁场的干扰；体积小，方便各种封装形式，价格比较便宜。 

为更好地保障矿井下工作人员的安全生产，实时地掌握矿井下的人员的分布情况是必须的，比如，某时某个矿工在哪个坑道作业。为此，在每一个坑道、工作面分岔入口处放置一个射频读写器。地面控制中心为每个读写器设置位置序列号，该序列号对应矿井下具体的地理位置(见图1)。每个电子标签Tag设有不同的身份认证序列号，分别对应不同的员工信息。射频读写器不问断地发射高频电磁波，当遇到电子标签(Tag)时，耦合并反射，同时带回电子标签的信息。无源电子标签没有内装电池，在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无源状态，在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。无源电子标签采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送(见图3)，最后基站采集到的信息通过Rs485发给地面控制中心的后台数据库服务器。考虑到矿井的复杂环境和布线的难度，所以各分岔口通过无线的方式与交叉口进行数据传输。基站与后台数据库服务器的距离较远，采用稳定性好、传输距离远的RS485串行总线。 

2、4 软件系统的设计 
射频读写器与数据库通过RS485总线连接后，我们还需要控制主机的应用程序。本系统中，软件的主要功能是：电子标签在射频读写器的监测范围内被检测，生成标签记录，读写器将标签记录以数据包的形式发给主机，主机处理接收到的数据包，将处理的结果及与标签对应的矿井工人的个人基本信息、位置、时间储存在后台数据库中。 

3 结语 

各行各业，保障人员的安全都是首要原则。采矿作为一个事故多发的行业，虽然国家在这方面投入了大量的人力物力，但是每年我国在这个方面的损失还是十分惨痛的。由于矿井下环境复杂，我们难以预料事故的发生，那么在事故发生后，第一时间内了解井下情况，及时挽救工作人员的生命，也是十分必要的。本系统采用先进的射频技术，如果和已有的矿井通信系统结合起来，既节省成本：又能收到很好的效果，应用前景十分广阔。 

参考文献 

[1] 侯方勇，戴葵．计算机射频通信系统的设计与实现[J]．计算机应用研究，2002，19(12)：105—107． 
[2] 文汉云，金升藻．基于RFID技术的动物识别与跟踪管理系统研究[J]计算机系统应用，2006(3)：73-75． 
[3] 谭仲夏．射频识别技术及其在烟草上的应用{J7．中国制造业信息化，2006(9)：73-76．