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基于RFID 的井下人员定位系统
作者：中国矿业大学信电学院 丁琳 陈春 杨礼现
来源：RFID世界网
日期：2007-12-13 17:32:29
摘要：无线射频得到新的发展和应用，RFID 无线射频识别技术得到越来越广泛的应用，本文根据矿业生产的特点以及现行比较流行的无线射频技术分析了基于RFID的井下人员定位系统，在介绍RFID 的基础上，给出了读写器和身份标签的硬件软件设计，并对构建无线读写器网络进行叙述。最后对井下人员定位的发展前景进行了阐述。
1. 引言
我国是煤炭的生产和消费大国，随着经济的飞速发展，对能源的需求越来越大，而煤炭是我国能源消费中的主体。占到能源消费总量的70%以上。煤炭工业在经济建设中的地位很重要。我国煤炭的开采主要是井下开采。井下开采煤炭相对于其它职业来说是一个比较高危险的工作。井下开采常常因为瓦斯爆炸和透水等事故，使国家在遭受巨大经济损失的同时也失去了很多井下作业的工人的生命。尽管国家大力重视煤炭的安全生产，但仍然有很多不确定的因素导致事故的发生。我国是煤炭事故的高发国家。百万吨煤产量的死亡率是6 人。这要远远高于其它国家。事故的发生有很多原因，有的甚至是突发的，人力不可避免的。一旦事故发生，最主要的任务就是如何快速有序的开展救援工作。但限于国内煤炭生产的现状，井上对井下人员的监控还不完善，对井下人员的分布情况掌握不够清除，这就给救援工作带来很大的困难。无法知道矿工的具体位置情况就无法展开最有效的营救方案，时间的延误往往造成工人生命的丢失。建立一个井下人员定位的系统，不仅能在事故发生后提供准确的人员位置情况，帮助积极快速的开展营救，在平时的生产中也能有效的掌握人员分布情况，安排和调度工作，提高煤炭生产的管理水平[1]。
2. 统整体设计
2.1 系统介绍
为更好地保障矿井工作人员的安全生产, 实时地掌握矿井下的人员及设备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, 在每一个坑道的交叉口都因安装读写器。为了保证定位的精确性，在比较长的巷道，可以适当的分段安装读写器。井下的工作人员每人随身携带一个标签，每个标签有唯一的ID 对应相应的人员，在井下各巷道口及巷道中安装读写器，读写器有不同的地址。适当数量的读写器组成一个井下基站。基站的各个站点组成CAN[2]总线网络连接到地面的上位机。当井下工作人员经过读写器的读写区域时，他们随身的标签会向读写器发送ID，读写器将收集到的人员ID 信息发送给基站，上位机发送命令来获取基站中的人员位置信息。上位机通过处理信息来判断人员的位置情况。井下人员标签和读写器构成了井下硬件网络，上位机软件则是由操作界面和数据库系统组成。
2.1.1 无线数据的收发
人员携带身份标签到井下，在读写区域内，标签主动发送身份码，读写器读取身份标签， 并将数据转发到基站存储器内。转发的数据包含的信息有人员身份ID，读写器的地址ID。人员身份ID 来确定人员身份，读写器ID 来确定地点，时间来确定人员的行经路线和最新所处的地点。
2.1.2 井下读写器网络的选择
为了缩小定位的范围，就必须尽可能的多安装读写器来细分各巷道段。但这样以来就增加了节点个数，目前常用的总线网络一般节点数都较少，为了能满足系统的需求，我们采用将一定数量的读写器先用RS485 组成小网，设立基站。再将各基站通过CAN 总线来组成整个网络。基站将读写器读取并发过来的数据进行收集，再通过CAN 总线网络将数据传输到上位机。
2.1.3 人员定位的软件界面
人员定位软件系统由操作界面，以及数据库系统组成。将人员位置信息数据入库，为了保证人员数据的可靠接收，我们将标签设定成重复发送。这就会带来数据重复的问题，在数据入库后我们根据时间戳和读写器的ID 来对数据进行删减，在查询数据里实时的更新每个人员的位置信息，并且可以通过软件模拟绘图配合GIS 地理系统图来现实人员所处的位置。
3. 系统的硬件设计
3.1 读写器的设计
读写器由无线接收模块，天线，MCU 以及电源组成。天线可采用吸顶式天线安装在巷道的顶部，电源由防爆电源箱提供。无线收发芯片的选择也是十分重要的工作，目前井下定位RFID[3]所采用的通信频率多是1GHz 以上。这个频道有它的优势就是读写距离远，可是井下的特殊地理环境使得它的优势不那么明显。超高频的绕射能力比较差，最终我们选择的无线接收模块采用的是NORDIC 公司的Nrf9e5[4]芯片，它的工作频率有433MHz,868MHz 和915MHz 三种可选择。该芯片的特点有内嵌8051 单片机，工作电压低，内部有VDD 电源监控，极低的功耗，采用载波检测技术，提高了读写的防冲突性和移动标签的读取性。由于接收的数据不是很复杂，所以对MCU 的要求不是很高，该芯片就能很好的满足要求。使读写器的设计更加简单。
标签由无线发射芯片，MCU，电源组成。标签的无线发射芯片采用NORDIC 公司的Nrf905[5]芯片，由于其数据传输接口是SPI 接口，所以在选取MCU 是选取有SPI 总线的51单片机。在选取电源时考虑到人员的移动性和标签携带的方便性，所以电源采用纽扣电池， 由于该芯片的供电电压低，而且功耗很低，所以纽扣电池能够满足要求。另外芯片工作时的电流只有几毫安，所以满足井下安全要求，无需添加防爆外壳，可以使标签体积更小，便于携带。
4.1 标签程序设计
为了保证人员位置信息不丢失，也就是准确的被读写器读取，我们将标签设成重复发送方式，根据读写器安装的距离来设定好适当的时间间隔，这些通过写芯片配置命令很容易控制，芯片再进入读写区域内，就开始对信道进行载波检测的监听，如果信道空闲那么标签就可以发送数据（发射方式为 特有的ShockBurst 方式），当数据发送完毕时就可 以根据配置命令来判断数据是否重复发送，并做相 应的处理。
读写器的主要功能就是提供一个能量场，和标签进行通信。接收身份标签发送过来的数据。MCU 初始化后读写芯片就开始进行载波监听，如果有标签发送数据，在完成载波检测和地址匹配的判断后就开始接收数据，芯片具有自动校验功能，如果校验错误就重新接收。在完成对数据的正确接收之后，读写器将数据发送至基站，再由基站向上位机传送。
随着无线技术的高速发展，会在越来越多的领域得到应用。井下人员定位的现实意义十分重大，RFID 技术在井下人员定位中将会得到很好的利用和发展，虽然该系统的设计还不能定位。现在的技术还达不到能监控人员任意时刻的精确位置。要想精确定位首先要实现网络覆盖，一方面是成本问题，一方面是技术问题。随着技术的飞速发展，相信会有更好的定位方案出来。
参考文献
[1] 李洪宇．《井下人员定位系统》[D] ．济南：山东科技大学，2004．
[2] 迟东民．《基于CAN 总线分布式监控系统的设计与实现》[D] ．西安：西安电子科技大学，2005．
[3] 游战请，李苏剑．《无线射频识别技术（RFID）理论与应用》[M] ．电子工业出版社，2004 .10．
[4] NPRDIC．nRF9E5 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，January 2004．
[5] NPRDIC．Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF905 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，Jun 2004．
我国是煤炭的生产和消费大国，随着经济的飞速发展，对能源的需求越来越大，而煤炭是我国能源消费中的主体。占到能源消费总量的70%以上。煤炭工业在经济建设中的地位很重要。我国煤炭的开采主要是井下开采。井下开采煤炭相对于其它职业来说是一个比较高危险的工作。井下开采常常因为瓦斯爆炸和透水等事故，使国家在遭受巨大经济损失的同时也失去了很多井下作业的工人的生命。尽管国家大力重视煤炭的安全生产，但仍然有很多不确定的因素导致事故的发生。我国是煤炭事故的高发国家。百万吨煤产量的死亡率是6 人。这要远远高于其它国家。事故的发生有很多原因，有的甚至是突发的，人力不可避免的。一旦事故发生，最主要的任务就是如何快速有序的开展救援工作。但限于国内煤炭生产的现状，井上对井下人员的监控还不完善，对井下人员的分布情况掌握不够清除，这就给救援工作带来很大的困难。无法知道矿工的具体位置情况就无法展开最有效的营救方案，时间的延误往往造成工人生命的丢失。建立一个井下人员定位的系统，不仅能在事故发生后提供准确的人员位置情况，帮助积极快速的开展营救，在平时的生产中也能有效的掌握人员分布情况，安排和调度工作，提高煤炭生产的管理水平[1]。
2. 统整体设计
2.1 系统介绍
为更好地保障矿井工作人员的安全生产, 实时地掌握矿井下的人员及设备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, 在每一个坑道的交叉口都因安装读写器。为了保证定位的精确性，在比较长的巷道，可以适当的分段安装读写器。井下的工作人员每人随身携带一个标签，每个标签有唯一的ID 对应相应的人员，在井下各巷道口及巷道中安装读写器，读写器有不同的地址。适当数量的读写器组成一个井下基站。基站的各个站点组成CAN[2]总线网络连接到地面的上位机。当井下工作人员经过读写器的读写区域时，他们随身的标签会向读写器发送ID，读写器将收集到的人员ID 信息发送给基站，上位机发送命令来获取基站中的人员位置信息。上位机通过处理信息来判断人员的位置情况。井下人员标签和读写器构成了井下硬件网络，上位机软件则是由操作界面和数据库系统组成。
2.1.1 无线数据的收发
人员携带身份标签到井下，在读写区域内，标签主动发送身份码，读写器读取身份标签， 并将数据转发到基站存储器内。转发的数据包含的信息有人员身份ID，读写器的地址ID。人员身份ID 来确定人员身份，读写器ID 来确定地点，时间来确定人员的行经路线和最新所处的地点。
2.1.2 井下读写器网络的选择
为了缩小定位的范围，就必须尽可能的多安装读写器来细分各巷道段。但这样以来就增加了节点个数，目前常用的总线网络一般节点数都较少，为了能满足系统的需求，我们采用将一定数量的读写器先用RS485 组成小网，设立基站。再将各基站通过CAN 总线来组成整个网络。基站将读写器读取并发过来的数据进行收集，再通过CAN 总线网络将数据传输到上位机。
2.1.3 人员定位的软件界面
人员定位软件系统由操作界面，以及数据库系统组成。将人员位置信息数据入库，为了保证人员数据的可靠接收，我们将标签设定成重复发送。这就会带来数据重复的问题，在数据入库后我们根据时间戳和读写器的ID 来对数据进行删减，在查询数据里实时的更新每个人员的位置信息，并且可以通过软件模拟绘图配合GIS 地理系统图来现实人员所处的位置。
3. 系统的硬件设计
3.1 读写器的设计
读写器由无线接收模块，天线，MCU 以及电源组成。天线可采用吸顶式天线安装在巷道的顶部，电源由防爆电源箱提供。无线收发芯片的选择也是十分重要的工作，目前井下定位RFID[3]所采用的通信频率多是1GHz 以上。这个频道有它的优势就是读写距离远，可是井下的特殊地理环境使得它的优势不那么明显。超高频的绕射能力比较差，最终我们选择的无线接收模块采用的是NORDIC 公司的Nrf9e5[4]芯片，它的工作频率有433MHz,868MHz 和915MHz 三种可选择。该芯片的特点有内嵌8051 单片机，工作电压低，内部有VDD 电源监控，极低的功耗，采用载波检测技术，提高了读写的防冲突性和移动标签的读取性。由于接收的数据不是很复杂，所以对MCU 的要求不是很高，该芯片就能很好的满足要求。使读写器的设计更加简单。
标签由无线发射芯片，MCU，电源组成。标签的无线发射芯片采用NORDIC 公司的Nrf905[5]芯片，由于其数据传输接口是SPI 接口，所以在选取MCU 是选取有SPI 总线的51单片机。在选取电源时考虑到人员的移动性和标签携带的方便性，所以电源采用纽扣电池， 由于该芯片的供电电压低，而且功耗很低，所以纽扣电池能够满足要求。另外芯片工作时的电流只有几毫安，所以满足井下安全要求，无需添加防爆外壳，可以使标签体积更小，便于携带。
4.1 标签程序设计
为了保证人员位置信息不丢失，也就是准确的被读写器读取，我们将标签设成重复发送方式，根据读写器安装的距离来设定好适当的时间间隔，这些通过写芯片配置命令很容易控制，芯片再进入读写区域内，就开始对信道进行载波检测的监听，如果信道空闲那么标签就可以发送数据（发射方式为 特有的ShockBurst 方式），当数据发送完毕时就可 以根据配置命令来判断数据是否重复发送，并做相 应的处理。
读写器的主要功能就是提供一个能量场，和标签进行通信。接收身份标签发送过来的数据。MCU 初始化后读写芯片就开始进行载波监听，如果有标签发送数据，在完成载波检测和地址匹配的判断后就开始接收数据，芯片具有自动校验功能，如果校验错误就重新接收。在完成对数据的正确接收之后，读写器将数据发送至基站，再由基站向上位机传送。
随着无线技术的高速发展，会在越来越多的领域得到应用。井下人员定位的现实意义十分重大，RFID 技术在井下人员定位中将会得到很好的利用和发展，虽然该系统的设计还不能定位。现在的技术还达不到能监控人员任意时刻的精确位置。要想精确定位首先要实现网络覆盖，一方面是成本问题，一方面是技术问题。随着技术的飞速发展，相信会有更好的定位方案出来。
参考文献
[1] 李洪宇．《井下人员定位系统》[D] ．济南：山东科技大学，2004．
[2] 迟东民．《基于CAN 总线分布式监控系统的设计与实现》[D] ．西安：西安电子科技大学，2005．
[3] 游战请，李苏剑．《无线射频识别技术（RFID）理论与应用》[M] ．电子工业出版社，2004 .10．
[4] NPRDIC．nRF9E5 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，January 2004．
[5] NPRDIC．Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF905 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，Jun 2004．
