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基于RFID的煤矿井下人车智能安全管理系统的设计与应用
作者：郭宏强 王进涛 王宏德 李永刚
来源：RFID世界网
日期：2007-12-11 09:44:34
摘要：随着RFID技术的不断发展，应用也愈来愈广泛。结合矿井生产的特点提出了基于RFID的煤矿井下人车智能安全管理系统的框架并分析了系统功能、整体方案。实现了煤矿井下的目标监测、跟踪等自动化和信息化管理，为煤矿的安全生产管理提供科学的透明化管理手段。
O 前言
近年来我国矿难事故频发，除矿主的安全法制意识淡薄外，安全设施的落后以及矿井人员和设备管理不善也是重要的原因之一。在分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现几个共性问题：地面与井下人员的信息沟通不及时；地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确人员定位；一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。为此，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，有效进行矿工管理，保证抢险救灾、安全救护的高效运作显得尤为重要和紧迫。
本文提出的基于RFID的煤矿井下人车智能安全管理系统，可对煤矿井下人员和车辆进行实时跟踪监测和定位，可为工作人员提供矿井巷道网络、人员位置、车辆动态、危险区域及相应提示的动态信息。如果发生灾情，还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息，为事故抢险提供科学依据。同时，也可利用系统的日常考勤管理功能，对矿井人员进行考勤管理。
1 系统的构成及工作原理
系统包括硬件系统和软件系统。软件系统包括应用软件和嵌人式软件两部分。用于完成信息采集、识别、加工及其传输，由这两部分软件共同支撑着整个系统的运行；硬件系统由井下分站设备、天线、Tag、数据传输接口和地面设备组成。用于完成信息采集和识别，从而实现预设的系统功能和信息化管理目标。
1．1 系统硬件
(1)井下分站设备 井下分站设备由信息采集处理板、信息传输处理板、隔爆电源、备用电池、汉字液晶显示模块、嵌人式软件以及矿用阻燃电源电缆、矿用阻燃双绞线通信电缆、接线盒等组成。信息处理采集板是完成对分站区域内的Tag信息的采集、处理；信息传输处理板是将RS232信号转换为RS485信号和自动存储监测数据，传输距离可达l0km，同时将重码的信息进行判定和过滤，接受上位机的轮循访问并向上位机传送所采集到的人员编码信息；备用电源是停电后能提供2 h的供电电源；汉字液晶显示模块主要显示人员编码和时钟功能，可用遥控器查询历史记录。
(2)天线实现与Tag之间的数据通信。
(3)Tag Tag镶嵌在安全帽或车辆上，通常当RFID的Tag天线结构发生弯曲时，天线的方向系数与输人阻抗都会改变，相应地，RFID系统的工作距离必定产生变化。经过仿真处理和实验证明，镶嵌在安全帽上的Tag天线发生的弯曲对系统的性能影响可以忽略不计。
Tag平时处于睡眠状态，当Tag进入系统工作区时，天线能接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流。再经过整流电路，就会激活电路上的微型开关，给Tag 供电。从而Tag发送出的自身信息被Reader读取并解码后送至数据交换、管理系统处理。
(4)数传接口 主要由电源板、信号转换板及安全栓组成，完成通讯信号的转换和本安与非本安运行环境的隔离。
(5)地面设备地面人员监测管理部分由数据通信接口、HUB、监控计算机、管理计算机、服务器、UPS电源、打印机、网络终端、防雷设备等组成。监控计算机实现对信息的自动化管理，在计算机屏幕上直观动态显示井下人员的分布情况，使管理者一目了然；UPS电源主要是为了在交流电源停电后继
续维持系统设备正常运行；打印机主要用来打印人员监测管理报表；网络终端主要是人员监测信息的网上共享。
管理计算机主要是完成人员和机车信息资料的录入，分类存人计算机以备随时检索使用；对原始数据进行统计并输出各种文字和文字报表；通过对原始数据及图像进行多条件复合查询并汇总；进行标识卡的发行、回收、挂失、恢复操作；对系统进行各种初始设置等功能。
网络服务器完成整个管理系统局域网络的管理及作为数据库服务器进行原始数据及图像的存储、备份工作。
1．2 系统软件系统
本系统的软件部分包括单片机运行程序、信息读取发送程序、信息接收程序、前端服务器数据采集软件和后台数据库。该系统采用VC开发的集数据采集和信息处理的管理系统，具有射频识别卡地址码设置和标签信息管理、数据统计、实时显示、历史数据查询、活动轨迹图形模拟、系统更新维护等功能，另外数据库系统还能提供基于web的网络发布和查询功能。
2 系统在井下安全生产中的应用
完成井下移动人员和车辆位置信息的跟踪和管理，将有助于加强安全生产和提高工作效率，更有利于安全隐患的预报和抢险救灾的顺利实施。系统的设计要充分考虑井下环境特点和使用人员的要求。
2．1 系统的主要特点
(1)实行“统一地址编码、统一管理、一人一卡”的原则。
(2)具有本质安全型的防爆、防尘、防磁、防水性能，无需人工操作，便于携带。
(3)采用无源识别卡，无电磁污染，免维护，使用安全可靠。
(4)射频信号穿透障碍物的通信能力强，工作灵敏可靠。
(5)提供井下人员实时跟踪、显示、查询、考勤、日常管理、灾后急救等功能。
(6)光缆／电缆混合网络，配置灵活方便，传输带宽(9 600 bps以上，最高可达2 Mbps)，系统容量高。
(7)标准的通信端口便于利用井下通信系统完成井上、井下各种信息的传递和交换。
2．2 系统射频频率的选择
射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。它是一种非接触式的自动识别技术，可通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，反应速度快，抗干扰能力强，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签。具有快速自动扫描、体积小、信息容量大、耐久性强、可重复使用、安全保密性高、便于携带等特点。
常见的RFID射频频率基本上有4个：低频(135kHz)、高频(13．65 MHz)、超高频(900 MHz)和微波(2．45 GHz)，考虑到矿井巷道是空间受限的非自由传播空间，同时受到矿井巷道的截面大小、弯曲程度、巷道壁的煤岩层结构、巷道内障碍物以及巷道中现有的电缆、动力线、轨道等给无线传输带来的影响，并结合识别距离和速度、天线尺寸、穿透能力、环境干扰、抗冲撞能力等综合因素，选择适用于井下的9O0 MHz频段。
3 结语
基于RFID的煤矿井下人车智能安全管理系统可实现对井下人员和车辆进行实时跟踪定位，可快速指导矿井突发性事故的救护工作；可使管理人员及时准确地查询各种信息，方便作业人员和设备的调度和优化煤矿的整体管理水平。实现井下管理信息化、规范化和可视化，最大限度地保障人员和设备的安全。
参考文献
[1]郑召文，王刚，孙继平．基于RFID技术的井下人员实时管理系统[J]．煤矿安全，2006(6)：65—68．
[2]张瑞峰．RFID技术在煤矿安全生产管理中的应用[j]．山西煤炭，2004，24(4)：56—58．
[3]张宏福，肖耀猛，赵广党，等．RF1D技术在煤矿安全生产中的应用[J]．煤矿安全，2006(8)：48—49．
作者简介：郭宏强(1967一)，河南新密人，工程师，现任郑煤集团裴沟煤矿安全副总，电话：0371—69731351
近年来我国矿难事故频发，除矿主的安全法制意识淡薄外，安全设施的落后以及矿井人员和设备管理不善也是重要的原因之一。在分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现几个共性问题：地面与井下人员的信息沟通不及时；地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确人员定位；一旦煤矿事故发生，抢险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。为此，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，有效进行矿工管理，保证抢险救灾、安全救护的高效运作显得尤为重要和紧迫。
本文提出的基于RFID的煤矿井下人车智能安全管理系统，可对煤矿井下人员和车辆进行实时跟踪监测和定位，可为工作人员提供矿井巷道网络、人员位置、车辆动态、危险区域及相应提示的动态信息。如果发生灾情，还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息，为事故抢险提供科学依据。同时，也可利用系统的日常考勤管理功能，对矿井人员进行考勤管理。
1 系统的构成及工作原理
系统包括硬件系统和软件系统。软件系统包括应用软件和嵌人式软件两部分。用于完成信息采集、识别、加工及其传输，由这两部分软件共同支撑着整个系统的运行；硬件系统由井下分站设备、天线、Tag、数据传输接口和地面设备组成。用于完成信息采集和识别，从而实现预设的系统功能和信息化管理目标。
1．1 系统硬件
(1)井下分站设备 井下分站设备由信息采集处理板、信息传输处理板、隔爆电源、备用电池、汉字液晶显示模块、嵌人式软件以及矿用阻燃电源电缆、矿用阻燃双绞线通信电缆、接线盒等组成。信息处理采集板是完成对分站区域内的Tag信息的采集、处理；信息传输处理板是将RS232信号转换为RS485信号和自动存储监测数据，传输距离可达l0km，同时将重码的信息进行判定和过滤，接受上位机的轮循访问并向上位机传送所采集到的人员编码信息；备用电源是停电后能提供2 h的供电电源；汉字液晶显示模块主要显示人员编码和时钟功能，可用遥控器查询历史记录。
(2)天线实现与Tag之间的数据通信。
(3)Tag Tag镶嵌在安全帽或车辆上，通常当RFID的Tag天线结构发生弯曲时，天线的方向系数与输人阻抗都会改变，相应地，RFID系统的工作距离必定产生变化。经过仿真处理和实验证明，镶嵌在安全帽上的Tag天线发生的弯曲对系统的性能影响可以忽略不计。
Tag平时处于睡眠状态，当Tag进入系统工作区时，天线能接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流。再经过整流电路，就会激活电路上的微型开关，给Tag 供电。从而Tag发送出的自身信息被Reader读取并解码后送至数据交换、管理系统处理。
(4)数传接口 主要由电源板、信号转换板及安全栓组成，完成通讯信号的转换和本安与非本安运行环境的隔离。
(5)地面设备地面人员监测管理部分由数据通信接口、HUB、监控计算机、管理计算机、服务器、UPS电源、打印机、网络终端、防雷设备等组成。监控计算机实现对信息的自动化管理，在计算机屏幕上直观动态显示井下人员的分布情况，使管理者一目了然；UPS电源主要是为了在交流电源停电后继
续维持系统设备正常运行；打印机主要用来打印人员监测管理报表；网络终端主要是人员监测信息的网上共享。
管理计算机主要是完成人员和机车信息资料的录入，分类存人计算机以备随时检索使用；对原始数据进行统计并输出各种文字和文字报表；通过对原始数据及图像进行多条件复合查询并汇总；进行标识卡的发行、回收、挂失、恢复操作；对系统进行各种初始设置等功能。
网络服务器完成整个管理系统局域网络的管理及作为数据库服务器进行原始数据及图像的存储、备份工作。
1．2 系统软件系统
本系统的软件部分包括单片机运行程序、信息读取发送程序、信息接收程序、前端服务器数据采集软件和后台数据库。该系统采用VC开发的集数据采集和信息处理的管理系统，具有射频识别卡地址码设置和标签信息管理、数据统计、实时显示、历史数据查询、活动轨迹图形模拟、系统更新维护等功能，另外数据库系统还能提供基于web的网络发布和查询功能。
2 系统在井下安全生产中的应用
完成井下移动人员和车辆位置信息的跟踪和管理，将有助于加强安全生产和提高工作效率，更有利于安全隐患的预报和抢险救灾的顺利实施。系统的设计要充分考虑井下环境特点和使用人员的要求。
2．1 系统的主要特点
(1)实行“统一地址编码、统一管理、一人一卡”的原则。
(2)具有本质安全型的防爆、防尘、防磁、防水性能，无需人工操作，便于携带。
(3)采用无源识别卡，无电磁污染，免维护，使用安全可靠。
(4)射频信号穿透障碍物的通信能力强，工作灵敏可靠。
(5)提供井下人员实时跟踪、显示、查询、考勤、日常管理、灾后急救等功能。
(6)光缆／电缆混合网络，配置灵活方便，传输带宽(9 600 bps以上，最高可达2 Mbps)，系统容量高。
(7)标准的通信端口便于利用井下通信系统完成井上、井下各种信息的传递和交换。
2．2 系统射频频率的选择
射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。它是一种非接触式的自动识别技术，可通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，反应速度快，抗干扰能力强，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签。具有快速自动扫描、体积小、信息容量大、耐久性强、可重复使用、安全保密性高、便于携带等特点。
常见的RFID射频频率基本上有4个：低频(135kHz)、高频(13．65 MHz)、超高频(900 MHz)和微波(2．45 GHz)，考虑到矿井巷道是空间受限的非自由传播空间，同时受到矿井巷道的截面大小、弯曲程度、巷道壁的煤岩层结构、巷道内障碍物以及巷道中现有的电缆、动力线、轨道等给无线传输带来的影响，并结合识别距离和速度、天线尺寸、穿透能力、环境干扰、抗冲撞能力等综合因素，选择适用于井下的9O0 MHz频段。
3 结语
基于RFID的煤矿井下人车智能安全管理系统可实现对井下人员和车辆进行实时跟踪定位，可快速指导矿井突发性事故的救护工作；可使管理人员及时准确地查询各种信息，方便作业人员和设备的调度和优化煤矿的整体管理水平。实现井下管理信息化、规范化和可视化，最大限度地保障人员和设备的安全。
参考文献
[1]郑召文，王刚，孙继平．基于RFID技术的井下人员实时管理系统[J]．煤矿安全，2006(6)：65—68．
[2]张瑞峰．RFID技术在煤矿安全生产管理中的应用[j]．山西煤炭，2004，24(4)：56—58．
[3]张宏福，肖耀猛，赵广党，等．RF1D技术在煤矿安全生产中的应用[J]．煤矿安全，2006(8)：48—49．
作者简介：郭宏强(1967一)，河南新密人，工程师，现任郑煤集团裴沟煤矿安全副总，电话：0371—69731351
