基于RFID的井下人员定位系统的研究

    我国是世界上产煤最多的国家之一，也是世界上发生矿难最多的地区之一。煤矿事故的发生，不仅给人民群众造成巨大的痛苦，也使国家财产遭受重大损失。经过多年的努力，安全生产状况总体趋于稳定好转，但现实情况仍然不容乐观，百万吨煤产量的死亡率仍高于世界平均水平。面对现实情况，要从两方面人手，一是不断加强灾害预防，减少事故的发生；二是加强事故的搜救工作，一旦发生事故，能及时、准确地掌握井下被困人员的分布情况，快速实施抢救措施，将事故损失降至最低。 

    采用射频识别技术(RFID)构建井下定位系统。该系统能及时、准确地将井下各个区域人员的动态情况反映到地面的监控计算机，使管理人员能随时掌握井下人员的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便进行更加合理的调度管理。当事故发生时，救援人员可根据井下人员定位系统提供的信息，迅速了解有关人员的位置，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率^[1,2]。 

1 射频识别工作原理 

    射频识别技术(RFID，Radio Frequency Identifi—cation)是利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与其它接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可实现对人员或物体在不同状态(移动、静止)下的自动识别和定位。典型的射频识别系统主要包括射频卡和读写器两部分。 

    射频卡是将几个主要模块集成到一块芯片中，芯片上有EEPROM用来储存识别码或其它数据。EEPROM容量从几比特到几万比特。芯片外围仅需连接天线(和电池)，完成与读写器的通信^[3]。与条码、磁卡、Ic卡等同期或早期的识别技术相比，射频卡具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点，可以作为人员的身份或货物的标识卡。其工作原理见图1 

    在多数RFID系统中，读写器在一定区域内发射电磁波(区域大小取决于工作频率和天线尺寸)。射频卡内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同。当射频卡经过这个区域时，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，在电容上感应出电荷。在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存。当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。读写器接收到卡的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后通过RS232、RS422、RS485或无线方式将数据传送到计算机网络。 

2 井下人员定位系统组成及其工作原理 

2．1 系统组成 
定位系统由软件系统和硬件系统组成，其中软件系统包括应用软件和嵌入式软件两部分组成，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，并演绎出各种不同的应用系统。硬件系统由地面监控计算机、传输适配器、射频读写器、射频识别卡和天线组成，用于完成信息采集和识别，从而实现人员识别、定位的功能。各部分功能如下。 
(1)射频识别卡。每个识别卡具有唯一的电子编码，其内部储存着一个人员的信息，用来标识目标对象。识别卡平时处于睡眠状态，当进入系统工作区后，被发射天线发出的无线电信号激活，发射出唯一的加密识别码无线电信号。识别卡通常安装在矿灯帽上。 
(2)射频读写器。每个监测点安装一个射频读写器，射频读写器将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送，用来激活进入该区域的识别卡；同时把接收天线接收来的识别卡的高频载波信号经过放大后，经软件解调、解码后提取有效的数字信号通过标准串口RS485给地面监控计算机。 
(3)天线。发射天线和接收天线，自身不需要电源，与井下射频读写器连接，形成监测点，实现与识别卡的通讯。发射天线用于发射无线电信号以激活识别卡，接收天线接收识别卡发出的无线电信号。 
(4)地面监控计算机。通过对读写器传送来的编码信号进行分析，识别出人员的身份，并将相关信息在显示屏上实时显示，可直观动态显示井下人员的分布情况。 
(5)传输适配器。传输适配器安装在监控计算机旁边，作为数据传输接口，带有RS232／RS485接口，可以连接4O个以上的监测点，实现20 km以内的远距离传输。根据巷道分布图布置监测点，各监测点通过矿用通讯电缆或光缆组网，与传输适配器连接，传输适配器通过RS232与监控计算机连接。最远端监测点距离传输适配器可达20 km。射频天线固定在巷道顶部，采用同轴电缆与监测点连接，连接距离不大于10 m为佳。系统组成见图2。 

2．2 工作原理 
首先，在井下的各个巷道和所有人员可能经过的通道中安放若干个射频读写器，具体数量和位置根据现场实际工况和要实现的功能要求而定，并且将它们通过网络布线和地面的监控计算机联网。同时，在每个下井人员佩带的矿灯帽上安装一个识别卡，当下井人员进入井下以后，只要通过或接近放置在巷道内的任何一个射频读写器，射频读写器即会马上感应到信号同时立即上传到地面的监控计算机上，计算机马上就可判断出具体信息(如是谁?在哪个位置?)，同时把它显示在显示屏上，管理人员也可以根据显示屏上的分布示意图点击井下某一位置，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。另外，一旦井下发生事故，可根据计算机中的人员分布信息马上查出事故地点的人员情况，然后再用特殊的探测器在事故处进一步确定人员位置，以便帮助营救人员准确快速的营救被困人员。 

3 结束语 

本系统虽是人员定位系统，但可以推广运用到对井下重要设备的监控上^[4]。如果开发一些管理软件运行在地面的监控计算机上，该系统便可实现完善的考勤管理功能。如查询某人在任一时间段的活动轨迹；查询一人或多人每天人井次数及在井下的工作时间等一系列信息；可以督促和落实巡查人员(如瓦斯检测人员、温度检测人员、排风人员等)是否按时进行各项数据测试和处理，从根本上杜绝人为因素造成的事故；同时计算机会根据一段时间的人员出入信息整理出这一时期的每个下井人员的各种出勤报表。 

参考文献： 

[1] 王显政，等．煤矿安全新技术[M]．北京：煤炭工业出版社，2002． 
[2] 张成海，张铎．现代自动识别技术与应用[M]．北京：清华大学出版社，2003． 
[3] 黄智伟．射频集成电路芯片原理与应用电路设计[M]．北京：电子工业出版社，2004． 
[4] 刘继文，汤志乎．浅谈射频识别技术在煤矿上的应用[J]．山东煤炭科技，2005，(3)：5—6． 
作者简介：罗贤东(1976一)，男，山东日照人，硕士研究生，研究方向为计算机控制。