【正文】 中文題目：井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)外文題目：DESIGN OF UNDERGROUND PERSONNEL POSITIONING SYSTEM 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共98頁(yè) （其中：外文文獻(xiàn)及譯文26頁(yè)） 圖紙共3張完成日期2009年6月10日 答辯日期2009年6月23日摘要井下人員定位系統(tǒng)是為了提高煤礦人員管理效率和加強(qiáng)井下與地面信息溝通而設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)顯示井下工作人員的實(shí)時(shí)位置，并能夠?qū)と说墓ぷ鲿r(shí)間和工作區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本文首先分析了國(guó)內(nèi)外井下人員定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并比較了其中的優(yōu)缺點(diǎn)。分析了系統(tǒng)的工作原理，并進(jìn)行了功能劃分。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中采用了模塊化思想，從三個(gè)子系統(tǒng)分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文中重點(diǎn)研究了井下的無線通信問題，并選擇了RFID（射頻識(shí)別）為井下無線通信方案；在井下與地面的通信方式中選擇了技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的CAN總線技術(shù)；在地面監(jiān)控端結(jié)合當(dāng)前的新技術(shù)采用了GIS（地理信息系統(tǒng)）進(jìn)行井下監(jiān)控情況的實(shí)時(shí)顯示。關(guān)鍵字：井下人員定位；RFID；CAN；GISAbstractUnderground personnel positioning system is designed to improve the management efficiency of coal miners and strengthen the munication between the ground and underground .The system can dynamically display the realtime location of underground staff and record the working hours and regions of workers.In this paper, we first dicussed the development of mine personnel positioning technology at home and abroad , and pared the advantages and disadvantages of them. Then we put forward the idea of the design of positioning system, and analysised its working principle and. During the process of design we submit the system into some models and design the system form three the process we focused on the issue of underground wireless munication, and select the RFID (radio frequency identification) for underground wireless munications program. To solve the problem of munication with the ground we select the CAN bus technology,which was technologically advanced and has reliable performance. In designsing of the monitoring on the ground side, we use the GIS(Geographic Information System) bined with the currentthe new technology to monitor the situation of underground and pit the realtime display. Key words: positioning of underground personnel。 RFID。 CAN。 GIS目錄1 緒論 1 煤礦生產(chǎn)管理中的問題 1 選題意義 2 井下人員定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 3 國(guó)外研究狀況 3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 3 井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題 4 本設(shè)計(jì)所做的工作 52 井下人員定位系統(tǒng)的基本原理 6 定位系統(tǒng)概述 6 井下人員定位系統(tǒng)的基本原理 63 系統(tǒng)的功能劃分 9 井下無線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng) 9 地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng) 9 井下與地面通信子系統(tǒng) 104 井下無線通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 通信的基本知識(shí) 12 信號(hào)的轉(zhuǎn)換與編碼 12 差錯(cuò)控制 12 多路復(fù)用 13 傳輸模式 13 傳輸協(xié)議 13 井下人員定位系統(tǒng)無線通信解決方案及對(duì)比 14 藍(lán)牙(Bluetooth) 14 HomeRF 14 ZigBee 15 RFID（射頻識(shí)別） 15 WIFI 16 無線MESH網(wǎng)絡(luò) 16 幾種無線通信方案的比較 17 無線通信方案的確定 17 無線通信子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 17 基站硬件電路設(shè)計(jì) 18 射頻卡硬件電路設(shè)計(jì) 37 無線通信子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 38 38 射頻卡軟件設(shè)計(jì) 455 井下與地面通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 47 通信方案及比較 47 RS485 47 現(xiàn)場(chǎng)總線 47 工業(yè)以太網(wǎng) 49 CAN總線 50 CAN總線簡(jiǎn)介 50 CAN的性能特點(diǎn) 50 物理層 51 CAN總線接口電路設(shè)計(jì) 51 CAN總線與基站硬件接口電路設(shè)計(jì) 56 CAN總線與PC端的硬件接口電路設(shè)計(jì) 58 CAN總線接口電路軟件設(shè)計(jì) 63 基站部分CAN總線接口電路軟件設(shè)計(jì) 63 PC端CAN總線接口電路軟件設(shè)計(jì) 646 地面監(jiān)管子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 657 結(jié)論 70致謝 71參考文獻(xiàn) 72附錄A 譯文 73附錄B 外文文獻(xiàn) 86附錄C 主電路圖 981 緒論 煤礦生產(chǎn)管理中的問題煤礦的生產(chǎn)分為露天開采和地下開采，而我國(guó)95%的煤礦開采是地下開采作業(yè)，而地下開采的危險(xiǎn)性較之露天開采要大的多。我國(guó)煤層自然賦存條件復(fù)雜多變，影響煤礦安全生產(chǎn)的因素眾多，水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災(zāi)害時(shí)刻都在威脅礦井工作人員的生命安全，都可能是造成事故的客觀因素，礦井重大災(zāi)害及傷亡事故隨時(shí)都有可能發(fā)生。%%(2002~2005年)。近幾年，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)能源的需求增大，煤炭行業(yè)的開始復(fù)蘇，我國(guó)煤炭開采在規(guī)模和產(chǎn)量上都逐年擴(kuò)大，但是通過以上觸目驚心的數(shù)據(jù)我們卻看到煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)的形勢(shì)非常嚴(yán)峻，造成的損失是極其慘重的。特別是煤礦重大及特大瓦斯(煤塵)災(zāi)害事故的頻發(fā)，不但造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)和公民生命的巨大損失，增加了社會(huì)的不穩(wěn)定團(tuán)素，而且嚴(yán)重影響了我國(guó)的國(guó)際聲譽(yù)。實(shí)際上，這些事故的發(fā)生不是偶然的，它是煤礦生產(chǎn)過程中存在問題的集中暴露，涉及許多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人為因素以及國(guó)家的體制、煤礦企業(yè)管理不善等因素。更讓人擔(dān)憂的是，煤礦井下普遍存在入井人員管理困難，難以及時(shí)掌握井下人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，對(duì)井下人員的搶救缺乏可靠信息，搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低。目前國(guó)家對(duì)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國(guó)各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)在裝備礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的裝備大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率。但是，現(xiàn)有的礦井監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象主要有兩種，一是環(huán)境安全監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)各種有害氣體及工作面的作業(yè)條件，如瓦斯?jié)舛?、一氧化碳、氧氣濃度、風(fēng)速、空氣溫度、壓力、粉塵濃度等等；二是生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如煤倉(cāng)料位、水倉(cāng)水位、水泵、提升機(jī)、扇風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、膠帶輸送機(jī)、采煤機(jī)等運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)?？梢钥闯?，井下礦工并不是現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象，他們?cè)诰碌奈恢煤瓦\(yùn)行軌跡仍然是不得而知的，一旦發(fā)生突發(fā)性災(zāi)難營(yíng)救工作將無從下手。礦難事故發(fā)生后，對(duì)遇難的井下工作人員生命的搶救成為首要任務(wù)，決策指揮人員必須全面分析災(zāi)情及其災(zāi)變趨勢(shì)，迅速組織偵察工作，準(zhǔn)確探明事故性質(zhì)、原因、影響范圍、遇險(xiǎn)人員數(shù)量和所在位置，以最快的速度、最短的路線進(jìn)入災(zāi)區(qū)，營(yíng)救災(zāi)區(qū)遇險(xiǎn)人員。然而，目前國(guó)內(nèi)煤礦正在使用的該類監(jiān)控系統(tǒng)，并不能實(shí)時(shí)提供井下工作人員的具體位置與分布情況等重要數(shù)據(jù)，加之井下地形復(fù)雜，國(guó)內(nèi)大部分礦井救護(hù)技術(shù)裝備落后，人員素質(zhì)較低，這些都給偵察工作帶來了極大的困難。特別是在搜尋井下遇險(xiǎn)人員的過程中，救護(hù)隊(duì)員只能依靠反映礦井現(xiàn)實(shí)情況的有關(guān)圖紙以及事故現(xiàn)場(chǎng)偵察得來的各種信息展開搶救工作。在缺乏準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的情況下，無法迅速制定出合理、有效的營(yíng)救方案與措施，結(jié)果錯(cuò)失最佳的營(yíng)救時(shí)機(jī)，甚至是盲目營(yíng)救。 選題意義面對(duì)我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)峻形勢(shì)，用高新技術(shù)和先進(jìn)實(shí)用技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，增加科技含量，促進(jìn)產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，是走新型煤炭工業(yè)化道路的必然選擇。煤礦的現(xiàn)代化管理和煤礦的安全生產(chǎn)是煤炭行業(yè)舉足輕重的大事。在煤炭行業(yè)管理和安全方面，人的管理是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。長(zhǎng)期以來，大部分礦井，尤其是現(xiàn)代化的礦井，井下都是連續(xù)生產(chǎn)，然而煤礦井下的員工狀況如何，一直是較難查清的問題。到目前為止，即使是我國(guó)的現(xiàn)代化礦井的管理，也只能是依據(jù)傳統(tǒng)礦燈管理、領(lǐng)取工作牌等考勤方式來了解下井人員的數(shù)量和情況。隨著無線通信、自動(dòng)識(shí)別和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域中的不斷發(fā)展，如何確定災(zāi)害事故中遇險(xiǎn)人員的具體情況和分布位置得到進(jìn)一步地解決。特別是在國(guó)內(nèi)射頻識(shí)別技術(shù)的引進(jìn)和發(fā)展，使得對(duì)下井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤變得可行。利用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)井下人員進(jìn)行跟蹤定位不僅能方便決策人員快速準(zhǔn)確了解井下遇險(xiǎn)人員的具體分布位置、贏得搶救的寶貴時(shí)間，還可以用于煤礦的日?？记凇⑸a(chǎn)調(diào)度等方面。不僅加強(qiáng)了煤炭行業(yè)的生產(chǎn)與安全管理，使生產(chǎn)調(diào)度及時(shí)、準(zhǔn)確，更得使煤礦的安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)大大提高。在建立了井下人員定位系統(tǒng)后，若井下發(fā)生突發(fā)事件，可立即通過地面主機(jī)實(shí)時(shí)查出井下各位置的人員狀況，這樣就能夠做出及時(shí)的搶救決策，使事故損失降到最低。平時(shí)可以用來指揮生產(chǎn)做出優(yōu)化決策，使生產(chǎn)指揮高效。煤礦井下人員定位系統(tǒng)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。煤礦井下人員定位系統(tǒng)將在礦井的防災(zāi)、減災(zāi)以及提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮著重大的作用，而高性能的計(jì)算機(jī)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用前景尤為的廣闊。 井下人員定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外研究狀況國(guó)外研制礦井計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)始于20世紀(jì)60年代，為保證煤礦安全生產(chǎn)，世界主要產(chǎn)煤國(guó)（如美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、波蘭、前蘇聯(lián)等）從50年代開始，陸續(xù)地把監(jiān)測(cè)、監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用到安全生產(chǎn)管理上。隨著射頻識(shí)別技術(shù)的興起，國(guó)外也加快了這一領(lǐng)域的發(fā)展，并成功地將其應(yīng)用到了井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)中。英國(guó)的Davis Derby Limited公司采用最新的無線射頻技術(shù)開發(fā)了專門用于煤礦井下應(yīng)用的多標(biāo)簽讀取系統(tǒng)；戴維斯德比公司在地面和井下RFID系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售服務(wù)等方面，已擁有十幾年的豐富經(jīng)驗(yàn)；澳大利亞芒特艾薩礦業(yè)公司開發(fā)了一種人員探測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)礦工進(jìn)入危險(xiǎn)地帶；在南非的德里方月(Driefontayne)礦，安裝了一種人員跟蹤系統(tǒng)，它使用由澳大利亞ISD公司制造的一種射頻識(shí)別系統(tǒng)源信標(biāo)；這個(gè)系統(tǒng)使用頂板安裝的天線，用來監(jiān)控裝在每個(gè)礦工帽上的小型無源信標(biāo)。1990年8月，美國(guó)安菲斯公司利用超低頻信號(hào)的穿透力研制開發(fā)的世界唯一套可實(shí)現(xiàn)超低頻信號(hào)穿透巖層進(jìn)行傳輸?shù)臒o線急救通訊系統(tǒng)(PED，即Personal Emergeney Device系統(tǒng))在悉尼附近的一所煤礦投入使用。PED系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)工藝和優(yōu)越的性能得到了礦區(qū)領(lǐng)導(dǎo)的一致肯定。該系統(tǒng)能夠提供一些預(yù)先編制好的緊急信息，這些信息在緊急情況出現(xiàn)時(shí)自動(dòng)生成。該系統(tǒng)可以直接連接現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備，可以監(jiān)控多種輸入。這些警告信息由礦井工作人員預(yù)先指定，在緊急情況發(fā)生時(shí)，可以在最短的時(shí)間內(nèi)，將替告發(fā)送給井下全部或相應(yīng)的工作人員。 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)起步較晚，自1974年以來，僅有幾種單一的瓦斯監(jiān)測(cè)儀器投入使用，如AYJ1，MJC100等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯的連續(xù)監(jiān)測(cè)。為了加快實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化管理的步伐，我國(guó)先后從波、法、德、英、美等國(guó)批量引進(jìn)了安全監(jiān)控系統(tǒng)并裝備了部分煤礦，如美國(guó)的SCADA系統(tǒng)、英國(guó)的MINOS系統(tǒng)、德國(guó)的TF200系統(tǒng)、法國(guó)的CTT63/40/u系統(tǒng)、加拿大森透里昂系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在我國(guó)煤炭行業(yè)中發(fā)揮了作用，也為我國(guó)研制礦用監(jiān)控系統(tǒng)提供了很好的借鑒。國(guó)內(nèi)曾由中國(guó)煤炭部安全司、中國(guó)國(guó)際技術(shù)咨詢公司連手與安菲斯公司確定合作關(guān)系，決定三方共同在中國(guó)煤炭領(lǐng)域推廣PED系統(tǒng)。1998年，人同礦務(wù)局在人同煤峪口礦安裝了中國(guó)第一套PED系統(tǒng)。結(jié)果證明PED系統(tǒng)信號(hào)可以穿透巖層傳播并覆蓋到全部生產(chǎn)區(qū)，發(fā)出和收到信號(hào)準(zhǔn)確率為100%。80年代后期，在引進(jìn)外國(guó)設(shè)備的同時(shí)，消化、吸收了制造技術(shù)，并結(jié)合我國(guó)煤礦的實(shí)際情況，先后研制出自己的監(jiān)控系統(tǒng)，如KJ1，KJ2，KJ4，A1，KJ10，KJ11，KJ22，KT，KJ95及焦作工學(xué)院研制的KJ93礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等，并在我國(guó)煤礦大批使用，有的系統(tǒng)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這些系統(tǒng)主要也是側(cè)重于安全參數(shù)的檢測(cè)，而沒有對(duì)下井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一些煤炭科研機(jī)構(gòu)不斷推出新一代的人員自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于下井人員的管理。到門前為止國(guó)內(nèi)部分礦井，尤其是現(xiàn)代化礦一井都安裝了識(shí)別系統(tǒng)，用以取代以前依據(jù)礦燈管理來對(duì)下井人員進(jìn)行管理。人員識(shí)別系統(tǒng)從最初的條形碼、光電孔卡式到