【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)研究 課 題 類 型： 設(shè)計√ 實驗研究□ 論文□ 開 題 時 間： 2011年3月15日2011 年 3 月 18 日摘要安全生產(chǎn)、保障礦工的生命安全是煤炭行業(yè)永恒的主題，研制新型的煤礦井下人員定位系統(tǒng)是保證井下工作人員安全、實現(xiàn)快速救援的重要手段?，F(xiàn)有的礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是災(zāi)前預(yù)警系統(tǒng)，監(jiān)測對象主要是環(huán)境安全參數(shù)、生產(chǎn)過程及生產(chǎn)工藝監(jiān)測，不能實現(xiàn)井下工作人員的定位。礦井下員工的具體位置與分布情況等重要數(shù)據(jù)不能及時傳到井上監(jiān)制中心，這些都是礦難事故頻發(fā)而營救效率十分低下的癥結(jié)所在。因此，建立一套完善的煤礦井下人員定位系統(tǒng)具有重大現(xiàn)實意義。論文首先分析了目前我國礦井生產(chǎn)中的安全管理現(xiàn)狀，根據(jù)礦井特殊的生產(chǎn)環(huán)境結(jié)合射頻識別技術(shù)原理提出了系統(tǒng)的功能要求、技術(shù)參數(shù)和整體結(jié)構(gòu)，確定了本設(shè)計的總體方案:然后重點論述了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集站與標簽的硬件設(shè)計，給出了系統(tǒng)的管理軟件和應(yīng)用程序的流程圖。最后討論了系統(tǒng)的調(diào)試及抗干擾措施。另外，論文還對頻識別技術(shù)的工作原理、防沖突策略以及其在井下人員定位系統(tǒng)中的可靠應(yīng)用展開深入的研究，并與其他多項自動識別技術(shù)(如條碼、磁卡、IC卡)進行了對比分析。RFID技術(shù)具有無接觸、距離遠、同時可識別多個電子標簽、抗惡劣環(huán)境工作能力強等特點，符合礦井下工作環(huán)境的要求。針對人員定位系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的選擇上，論文對現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場常見技術(shù)，包括RS485總線、工業(yè)以太網(wǎng)、CAN現(xiàn)場總線、基金會現(xiàn)場總線(FF，F(xiàn)UNDATIONFIELDBUS)和PROFIBUS現(xiàn)場總線進行了對比，認為CAN現(xiàn)場總線在性能、協(xié)議、抗干擾以及成本上都具有一定的優(yōu)勢。根據(jù)該系統(tǒng)實時性、可靠性等要求，并且數(shù)據(jù)量較小的特點，提出應(yīng)用CAN總線技術(shù)構(gòu)建人員定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。在以上基礎(chǔ)上，論文提出了一套基于RFID與CAN總線技術(shù)的煤礦井人員定位系統(tǒng)解決方案，對方案的系統(tǒng)構(gòu)架、設(shè)計框圖、硬件原理以及軟件實現(xiàn)進行了詳盡的描述。最終并完成了監(jiān)控節(jié)點硬件、電子標簽軟件、監(jiān)控節(jié)點軟件等設(shè)計。本文主要完成井下網(wǎng)絡(luò)部分的硬件設(shè)計，主要包括井下主要傳輸途徑的選擇，井下監(jiān)測分站的硬件設(shè)計，井下網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的通信接口的設(shè)計，經(jīng)實驗測試證明，本系統(tǒng)完全可以應(yīng)用到煤礦滿足井下人員跟蹤定位的要求。這套系統(tǒng)的創(chuàng)新在于綜合應(yīng)用了射頻識別技術(shù)、計算機通信以及CAN總線技術(shù)等多項先進的技術(shù)，來實現(xiàn)對礦井的自動監(jiān)控與定位。而且系統(tǒng)可擴展性強，使用靈活。例如根據(jù)實際需要對處理器中的程序做不同的修改。也可以添加更多的功能模塊對系統(tǒng)做不同的擴充，實現(xiàn)語音、短信等功能?？梢哉f在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計其它RFID系統(tǒng)完全沒有問題。例如高速公路收費的車載RFID系統(tǒng)，電子門鎖防盜裝置等需要信息識別的場合。關(guān)鍵詞：RFID 閱讀器 電子標簽 CAN總線 防沖突目錄摘要 2 引言 5 第一章 緒論 6 課題的提出 6 選題的意義 7 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 8 國外研究現(xiàn)狀 8 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 8 9 存在的主要問題 10 目前研究熱點 11 論文的研究任務(wù)和工作 12 論文的結(jié)構(gòu)安排 13 第二章 總體方案設(shè)計 14 14 14 16 第三章 RFID技術(shù)研究 17 3．1 概述 17 RFID系統(tǒng)的組成 19 3．4 閱讀器 19 電子標簽 20 20 21 21 22 ．5電子標簽的選型 23 RFID天線研究 24 24 26 第四章 井下部分設(shè)計 27 27 27 28 . 3 電子標簽軟件設(shè)計 34 . 4 電子標簽軟件程序調(diào)試 35 35 閱讀器的硬件設(shè)計 36 閱讀器的軟件設(shè)計 36 第五章 井上部分設(shè)計 38 38 39 第六章 系統(tǒng)的抗干擾 41 41 41 41 41 41 42 42 42 43 43 “看門狗”技術(shù) 43 結(jié)論與展望 45 總結(jié) 45 45 致謝 47 參考文獻 48 附錄 49 引言我國礦井地質(zhì)情況復(fù)雜，危險性事故頻頻發(fā)生，直接威脅著礦工的人身安全，因此煤礦安全生產(chǎn)管理是一個迫在眉睫急需解決的重大問題。用什么方法、什么手段來實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)管理，一直是煤炭生產(chǎn)領(lǐng)域中技術(shù)人員和管理者追尋的目標，特別是礦工在井下的動態(tài)情況更是關(guān)注的重點。在正常的日常生產(chǎn)活動中，有效的管理系統(tǒng)能夠帶來較高的勞動效率，在災(zāi)害發(fā)生時，管理系統(tǒng)所記錄的人員最后的位置，將對及時的營救起到至關(guān)重要的作用。人們希望能有一種更新，更完善的技術(shù)來解決煤礦安全生產(chǎn)管理中人員定位的難題。射頻識別技術(shù) (RadioFrequencyID，簡稱RFID)通過射頻信號自動識別目標，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，己在煤礦安全管理中嶄露頭角。RFID技術(shù)不僅可以識別高速運動物體，并可同時識別多個標簽，實現(xiàn)對下井人員進行考勤記錄、定位記錄、追蹤記錄，實時掌握井下每個工作人員的動態(tài)信息及工作人員在井下的位置分布情況，并可對歷史記錄進行統(tǒng)計打印等。那就能在事故救援時，及時準確地了解井下的人員分布情況和比較準確的位置，使救援工作做到目標定位準確、速度快、針對性強。目前，射頻識別技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展很快，各種RFID產(chǎn)品也趨于成熟，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化，商業(yè)自動化，交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域。然而該技術(shù)在煤炭行業(yè)中的應(yīng)用才剛剛開始，應(yīng)用前景廣闊?；诖?，本文研究了RFID技術(shù)及其在井下人員定位中的應(yīng)用。第一章 緒論 課題的提出目前我國的煤炭產(chǎn)量居世界第一位。煤礦的生產(chǎn)分為露天開采和地下開采，我國95%的煤礦開采是地下開采作業(yè)，而地下開采的危險性較之露天開采要大的多。我國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)害及傷亡事故隨時都有可能發(fā)生。據(jù)調(diào)查煤礦事故占工礦企業(yè)一次死亡10人以上特大事故的 %%(2002一2005年)。近幾年，隨著國民經(jīng)濟對能源的需求增大，煤炭行業(yè)的開始復(fù)蘇，我國煤炭開采在規(guī)模和產(chǎn)量上都逐年擴大，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)的形勢非常嚴峻，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)，不但造成國家財產(chǎn)和公民生命的巨大損失，增加了社會的不穩(wěn)定團素，而且嚴重影響了我國的國際聲譽。實際上，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，難以及時掌握井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，對井下人員的搶救缺乏可靠信息，搶險救災(zāi)、安全救護的效率低。自2000年以來，國家對煤礦企業(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)測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測對象主要有兩種，一是環(huán)境安全監(jiān)測:監(jiān)測各種有害氣體及工作面的作業(yè)條件，如瓦斯?jié)舛取⒁谎趸?、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:監(jiān)測主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運行狀態(tài)，如煤倉料位、水倉水位、水泵、提升機、扇風(fēng)機、壓風(fēng)機、膠帶輸送機、采煤機等運行狀態(tài)和參數(shù)等運行狀態(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)控對象，他們在井下的位置和運行軌跡仍然是不得而知的，一旦發(fā)生突發(fā)性災(zāi)難營救工作將無從下手。礦難事故發(fā)生后，對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，迅速組織偵察工作，準確探明事故性質(zhì)、原因、影響范圍、遇險人員數(shù)量和所在位置，以最快的速度、最短的路線進入災(zāi)區(qū)，營救災(zāi)區(qū)遇險人員。然而，目前國內(nèi)煤礦正在使用的該類監(jiān)控系統(tǒng)，并不能實時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，國內(nèi)大部分礦井救護技術(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人員的過程中，救護隊員只能依靠反映礦井現(xiàn)實情況的有關(guān)圖紙以及事故現(xiàn)場偵察得來的各種信息展開搶救工作。在缺乏準確數(shù)據(jù)的情況下，無法迅速制定出合理、有效的營救方案與措施，結(jié)果錯失最佳的營救時機，甚至是盲目營救。面對我國煤礦安全生產(chǎn)的嚴峻形勢，用高新技術(shù)和先進實用技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，增加科技含量，促進產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益，是走新型煤炭工業(yè)化道路的必然選擇?；谏鲜鲈?，我們在廣泛調(diào)研了國內(nèi)的科研院所及現(xiàn)代化礦井后，提出了一種以RFID與CAN技術(shù)為基礎(chǔ)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)具有考勤管理功能、安全保障功能功能、生產(chǎn)調(diào)度功能、信息聯(lián)網(wǎng)功能以及禁區(qū)報警功能，滿足現(xiàn)代化礦井的安全監(jiān)控要求，對煤炭的安全生產(chǎn)必將起到重大的推動作用。 選題的意義煤礦的現(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，人的管理是一個十分關(guān)鍵的問題。長期以來，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、自動識別和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域中的不斷發(fā)展，如何確定災(zāi)害事故中遇險人員的具體情況和分布位置得到進一步地解決。特別是在國內(nèi)射頻識別技術(shù)的引進和發(fā)展，使得對下井人員進行實時跟蹤變得可行。利用射頻識別技術(shù)對井下人員進行跟蹤定位不僅能方便決策人員快速準確了解井下遇險人員的具體分布位置、贏得搶救的寶貴時間，還可以用于煤礦的日常考勤、生產(chǎn)調(diào)度等方面。不僅加強了煤炭行業(yè)的生產(chǎn)與安全管理，使生產(chǎn)調(diào)度及時、準確，更得使煤礦的安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)大大提高。本文設(shè)計的定位系統(tǒng)是需要深入到環(huán)境十分復(fù)雜的煤礦井下工作，在設(shè)計方案時，除了考慮其功能外，在穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力、容錯能力及異常保護等方面也進行了充分考慮。項目方案確定利用射頻識別(RFID)技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的井下人員定位監(jiān)控節(jié)點，在需要定位區(qū)域內(nèi)，以以N總線作為主傳輸途徑，建立一個由地面控制中心和井下具有固定位置的各監(jiān)控節(jié)點之間的通信網(wǎng)絡(luò)，通過井下監(jiān)控節(jié)點的無線監(jiān)測與有線傳輸，把數(shù)據(jù)上傳地面控制調(diào)度中心主機。于是在地面也能及時的了解到井下各個區(qū)域的人員狀況。若井下發(fā)生突發(fā)事，可立即通過主機實時查出井下各位置的人員狀況，這樣就能夠做出及時的搶救決策，使事故損失降到最低。平時用來指揮生產(chǎn)做出優(yōu)化決策，使生產(chǎn)指揮高效。因此，基于RFID與CAN的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。隨著數(shù)字化時代的深入，基于遠程信息化網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的社會需求，RFID技術(shù)在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中將發(fā)揮越來越重要的作用，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，而高性能的計算機礦井監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用前景尤為的廣闊。目前RFID技術(shù)正在成為一個新的經(jīng)濟增長點在全球范圍內(nèi)蔓延開來，研究開發(fā)RFID技術(shù)有著巨大的經(jīng)濟效益和社會意義。此外，以美國、日本和歐洲等發(fā)達國家對RFID技術(shù)的研究和應(yīng)用已達到相當高的水平，并且產(chǎn)生了相當?shù)慕?jīng)濟效益，而我國起步較晚，大多采用引進的技術(shù)成果，需要對RFID技術(shù)的研究和應(yīng)用增加投入。RFID技術(shù)是一個復(fù)雜的應(yīng)用技術(shù)，它不僅涵蓋了微波技術(shù)與電磁學(xué)理論，而且還涉及通信原理及半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，是一項多學(xué)科融合的新興應(yīng)用技術(shù)。因此，對RF功技術(shù)的深入研究具有深遠的理論意義。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀國外研制礦井計算機監(jiān)控系統(tǒng)始于20世紀60年代，為保證煤礦安全生產(chǎn)，世界主要產(chǎn)煤國(如美國、英國、德國、波蘭、前蘇聯(lián)等)從50年代開始，陸續(xù)地把監(jiān)測、監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用到安全生產(chǎn)管理上。隨著射頻識別技術(shù)的興起，國外也加快了這一領(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。英國的Davis Derby Limited該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。澳大利亞芒特艾薩礦業(yè)公司開發(fā)了一種人員探測系統(tǒng)，用于監(jiān)測礦工進入危險地帶。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別系統(tǒng)源信標。這個系統(tǒng)使用頂板安裝的天線，用來監(jiān)控裝在每個礦工帽上的小型無源信標()。1990年8月，美國安菲斯公司利用超低頻信號的穿透力研制開發(fā)的世界唯一一套可實現(xiàn)超低頻信號穿透巖層進行傳輸?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)的先進技術(shù)工藝和優(yōu)越的性能得到了礦區(qū)領(lǐng)導(dǎo)的致肯定。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)時自動生成。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，可以在最短的時間內(nèi)，將替告發(fā)送給井下全部或相應(yīng)的工作人員。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國監(jiān)