【正文】 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。基于上述原因，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。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。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。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。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。 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。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。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。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國監(jiān)測監(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)測儀器投入使用，如AYJ1，AWBY ，MJC100等，實現(xiàn)了對瓦斯的連續(xù)監(jiān)測。結(jié)果證明PED系統(tǒng)信號司以穿透巖層傳播并覆蓋到全部生產(chǎn)區(qū)，發(fā)出和收到信號準確率為 100%。到門前為止國內(nèi)部分礦井，尤其是現(xiàn)代化礦一井都安裝了識別系統(tǒng)，用以取代以前依據(jù)礦燈管理來對下井人員進行管理。上海秀派電子科技公司(ShangHai Super Eleamp。RFID射頻識別技術(shù)將大量的來自完全不同的專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)（例如，高頻技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護和密碼學(xué)技術(shù)、電信技術(shù)、制造技術(shù)等）綜合起來。具體表現(xiàn)在，基于RFID射頻識別技術(shù)的電子標簽產(chǎn)品將達到：芯片所需的功耗更低，無源標簽、半有源標簽技術(shù)更趨成熟；作用距離更遠；無線可讀寫性能更加完善；適合高速移動物品識別；快速多標簽讀／寫功能；一致性更好；強場強下的自保護功能更完善；智能性更強；成本更低。系統(tǒng)和模塊將達到：可替換性更好，也更普及。這將是繼零售供應(yīng)鏈RFID電子標簽產(chǎn)品的應(yīng)用之后，全球使用RFID射頻識別技術(shù)產(chǎn)品的第2大行業(yè)。國內(nèi)也曾引進國外的先進設(shè)備，像 PED 系統(tǒng)。（2）不符合國內(nèi)煤炭行業(yè)的實際情況我國人口眾多，現(xiàn)有煤礦職土超過百萬，職工素質(zhì)普遍較低，國外設(shè)備的引進無法滿足各個煤礦的實際需要。從自動識別技術(shù)發(fā)展起來之后，包括科研、院校、設(shè)計院等單位自行開發(fā)研制針對各個煤礦企業(yè)的考勤系統(tǒng)。但包括條形碼、光電孔卡以及指紋在內(nèi)的這些識別方式在人員集中的時段和地點考勤時間長，效率低，無法解決排隊考勤的現(xiàn)狀。（5）故障率高、可靠性不夠井下環(huán)境惡劣，設(shè)備容易受損，故障時有發(fā)生，人員識別信息容易丟失。然后對射頻識別技術(shù)中的防沖突算法進行研究探討，并對這些算法進行性能比較，最后提出一個性能更好的防沖突算法。在對高頻接口的研究中，根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選用一種比較合適的接收機和發(fā)射機方案。應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計在前面的理論研究和硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，本部分對實際的井下人員定位系統(tǒng)的PC機操作界面和數(shù)據(jù)庫進行設(shè)計。指出安全生產(chǎn)中的重要一環(huán)是人員的管理與識別。最后還對防沖突問題做了初步的研究。然后還給出了如何利用CAN總線實現(xiàn)與PC機之間串口通信的方法。提出了文章的不足并且指出存在的諸多問題，有待以后進一步的設(shè)計研究。兩系統(tǒng)之間通過CAN總線連接。井下部分主要的作用是信息的采集，而井上部分則是對信息的處理。本課題的系統(tǒng)客戶端使VisualC++，基于windowsXP操作系統(tǒng)，采用C++語言進行系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)軟件系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能。本課題的數(shù)據(jù)通信是由CAN總線模塊來實現(xiàn)的，將閱讀器讀取到的射頻標簽信息負責發(fā)送至地面 。電子標簽設(shè)計過程中，考慮了數(shù)據(jù)的碰撞問題以及如何用載波偵聽算法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的防碰撞。軟件設(shè)計借鑒面向?qū)ο蟮乃枷?，采用模塊化設(shè)計方法，將整個軟件按照功能劃分為初始化、射頻信號的發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)采集和處理、實時時鐘和RS232通信等幾個相對獨立的模塊，論文針對部分模塊，給出其詳細軟件設(shè)計思想及設(shè)計流程。這一部分上面已經(jīng)完成。在硬件設(shè)計中，按照二者的組成分別對其工作原理、控制單元以及所使用的各種芯片進行研究，選用一種比較合適的接收和發(fā)射方案，并給出其具體的實現(xiàn)電路。另外，系統(tǒng)還給出了抗干擾技術(shù)等其他可擴展性的內(nèi)容。由于RFID標簽的存儲容量是2的96次方以上，因此它可以彌補條形碼的存儲容量不足等種種限制，甚至可以為世界上的每一種物品配備一個獨一無二的電子識別標簽。在數(shù)據(jù)安全方面，除標簽的密碼保護外，數(shù)據(jù)部分可用一些算法實現(xiàn)安全管理，識別標簽和射頻閱讀器之間也可相互認證，實現(xiàn)安全通信和存儲。射頻識別技術(shù)在國外發(fā)展非常迅速，其產(chǎn)品種類繁多。總之，在未來的發(fā)展中，射頻技術(shù)將廣泛結(jié)合其它高新技術(shù)1171，如GPS、生物識別技術(shù)等，由單一識別向多功能識別方向發(fā)展。 RFID的物理原理要理解射頻識別(RF工D)系統(tǒng)的工作原理，弄清閱讀器與標簽之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸實質(zhì)，深入研究磁現(xiàn)象的物理本質(zhì)和波在遠距離磁場中的傳播原理是非常必要的。一無功近場區(qū)無功近場區(qū)又稱為電抗近場區(qū)，它是天線輻射場中緊鄰天線口徑的一個近場區(qū)域。在該區(qū)域中束縛于天線的電磁場未曾做功(只是進行相互轉(zhuǎn)換)，因而將該區(qū)域稱為無功近場區(qū)。輻射遠場區(qū)即人們常說的遠場區(qū)，又稱為夫朗荷費區(qū)。通常情況下，這種作用距離定義為標簽與閱讀器之間能夠可靠交換數(shù)據(jù)的距離。密禍合系統(tǒng)利用的是射頻標簽與閱讀器天線的無功近場區(qū)之間的電感藕合(閉合磁路)構(gòu)成的無接觸的空間信息傳輸射頻通道工作的。遙禍合系統(tǒng)又可細分為近藕合系統(tǒng)(典型作用距離為15cln)與疏禍合系統(tǒng)(典型作用距離為lm)兩類。所有的遠距離系統(tǒng)均是利用標簽與閱讀器天線輻射遠場區(qū)之間的電磁藕合(電磁波的發(fā)射與反射)所構(gòu)成的無接觸空間信息傳輸通道工作的。射頻卡由天線、功能模塊和存儲器等組成。3．4 閱讀器閱讀器是RFID系統(tǒng)的主要部分之一。，能夠標識電池相關(guān)信息，如電量等。，然后執(zhí)行導(dǎo)入的程序。對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給標簽。信號的編碼與解碼。 電子標簽無線電子標簽技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。標簽中儲存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)應(yīng)用和相應(yīng)的標準決定的。技術(shù)標準國際上制定RFID標準的組織比較著名的有三個ISO， EPcglobal以及日本的 UbiquitousIDCenter，這三個組織對RFID技術(shù)應(yīng)用規(guī)范都有各自的目標與發(fā)展規(guī)劃。ISO標準則秉持標準的基本理念，少了一些商業(yè)利益，更側(cè)重標準的中立性，因此對于加速RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來說，似乎更具有彈性和發(fā)展前景。因此，制造低成本的標簽，是解決問題的關(guān)鍵所在，許多大公司投入大量人力物力，進行低成本標簽的研究。該公司宣稱，這一過程可以生產(chǎn)出成本在510美分的標簽，此時生產(chǎn)規(guī)模必須達到至少10億個標簽。圖 33 Smartcode公司推出的世界最小的標簽芯片電子標簽內(nèi)加裝電池稱為有源卡，不加裝電池稱為無源卡?；?33MISM 波段的無線通訊有源卡的主要缺點有：無線通訊數(shù)據(jù)率很低（）,從而引起讀卡速度慢，實際同時讀卡數(shù)量少（4 卡），讀卡模塊和卡的功耗很高。2）防沖突：先進的防碰撞算法技術(shù)，在 5800 個標識。6）高抗干擾性: 采用擴頻技術(shù)，對現(xiàn)場各種干擾源無特殊要求。RFID系統(tǒng)工作頻率可分為低頻 (125KHZ)、高頻()、超高頻(868一954MHz)以及微波()4種頻率。用于門禁控制以及需要傳輸大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。因此，我們應(yīng)該根據(jù)實際應(yīng)用的場合，合理地選擇標簽工作頻率，以達到最佳工作效率。()帶電池的有源收發(fā)器井下無線頻帶資源豐富，沒有頻帶利用的限制，Tag和Reader的可供選擇的資源豐富。高頻標簽屬于中短距識別，識別距離通常也小于lm。如圖34所示圖34 DC8320B有源電子標簽產(chǎn)品描述：1.存儲區(qū)供用戶進行加密讀、寫、擦除再寫操作，還開辟指定用戶專用的永久專用字區(qū)。 號DC8320B標簽類別卡狀工作頻率感應(yīng)方式主動感應(yīng)模式識別距離380米材質(zhì)PET,耐高溫,防水外型尺寸85*55*重量20g電池內(nèi)置紐扣鋰電,可連續(xù)使用2年目前，有關(guān)RFID天線的研究主要集中在研究天線結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對天線性能的影響上。對于本課題涉及到天線設(shè)計包括兩方面：一是電子標簽天線的設(shè)計問題，一是閱讀器天線的設(shè)計問題。根據(jù)前面分析，在考慮天線極化匹配的理想情況下，閱讀器接收天線的增益不低于 0dB，但是在煤礦井下，由于巷道狹長窄小、還布滿各種線纜的傳輸媒介，電子標簽的狀態(tài)隨機變化，電磁波在這樣的環(huán)境空間傳播時，極化方向勢必發(fā)生變化，致使接收信號質(zhì)量變差，系統(tǒng)不可靠。所以閱讀器天線在按圓極化形式設(shè)計時，其圓極化增益應(yīng)大于 3dB，考慮余量，應(yīng)大于 5dB 設(shè)計。在井下人員區(qū)域定位中存在著射頻閱讀器碰撞和射頻識別標簽碰撞。圖35中，標簽Tl向閱讀器Rl傳送標簽信息時，受到閱讀器R2的干擾，以至Rl讀卡失敗。圖36 多個閱讀器對標簽的干擾解決井下的射頻識別碰撞問題是實現(xiàn)井下人員區(qū)域定位的關(guān)鍵。RFID安全問題集中在對個人用戶的隱私保護、對企業(yè)用戶的商業(yè)秘密保護、防范對RFID系統(tǒng)的攻擊以及利用RFID技術(shù)進行安全防范等多個方面。如何在不增加太多成本的同時提高電子標簽的安全性是一個有待進一步研究問題。在設(shè)計時，初步對定位卡有以下構(gòu)想：標簽由一個 的無線發(fā)信機和 MCU 組成。根據(jù)國家煤安總局相關(guān)標準要求和已有技術(shù)條件，本課題系統(tǒng)期望達到下述技術(shù)指標：讀卡能力：無遺漏同時讀取多（64）張卡，實現(xiàn)高可靠的讀卡。為了盡可能的延長電池壽命，我們期望期工作周期越長越好，但在快速通過閱讀器時要確保至少讀到 3 次以上，按 50Km/小時速度通過 50M 的讀卡距離，選取 秒的工作周期則可以至少讀取 5 次，可以保證盲讀的可靠性。4．高速閱讀：按 50Km/小時速度通過 50M 的讀卡距離，選取 秒的工作周期則可以至少讀取 5 次，可以保證盲讀的可靠性。電子標簽的硬件設(shè)計原理圖如下圖41所示標簽電源標簽控制電路標簽射頻收發(fā)電路圖41電子標簽原理圖 電子標簽控制電路的組成部分包括MCU和RC振蕩器，、晶體振蕩器和天線組成的。外部晶振選擇16MHz。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。AT89C2051片內(nèi)含有2K字節(jié)的Flash程序存儲器，128字節(jié)的片內(nèi)RAM。AT89C系列單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。數(shù)據(jù)保留10年的時間。兩個16位定時器/計數(shù)器。片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。內(nèi)含增強型8051控制器。該芯片的通道運算時間小于200us，數(shù)據(jù)速率為1MbPs，不需要外接濾波器，內(nèi)部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，作。NRF24EI收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和兩個收發(fā)單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地編程調(diào)節(jié)。NRF24EI的中斷控制器支持ADC、SPI、RF接收器RF接收器喚醒定時器、5個中斷源。晶振直接為NRF24EI的微控制器提供了時鐘來源。如果不使用內(nèi)部的ROM，程序代碼必須從外部非易失性存儲器中加載。NRF24EI可以滿足低功耗和小型化的要求，內(nèi)嵌兼容8051的微處理器，指令周期從標準的1248個時鐘周期縮短到420個時鐘周期，XRAM數(shù)據(jù)存取采用雙指針，提高了CPU的處理和運算速度。各個引腳的復(fù)用功能如表41所示表41 P0口引腳的復(fù)用功能引腳(DIO9)(DIO2)復(fù)用功能WMPT1T0INT1INT0TXDRXDGPIOPO口有兩個控制寄存器PO_ALT和PO_DIR，分別位于OX94和OX95地址處。P1口只有3個引腳，可設(shè)為SPI接口或GPIO，通過 SPI_CTRL進行控制。A/D轉(zhuǎn)換器可在ARFE輸入和內(nèi)部 。此外，該器件還有2個天線接口引腳ANT1和ANT2。為了滿足射頻收發(fā)子系統(tǒng)的需要，RADIO口的默認值與標準8051的P2默認值也不一樣。通過 PWR_UP、CE和CS三個控制引腳，可以設(shè)置nRF24EI的發(fā)送/接收工作方式。PWPWR_UP=0時關(guān)機。③CPU將CE置低，激活ShockBurst發(fā)送。*數(shù)據(jù)高速發(fā)送(250kbPs或1Mbps，可由用戶配置決定)。③經(jīng)過200us處理，nRF24E1子系統(tǒng)監(jiān)視啟動并等待信號的到來。⑦CPU按時序以適當?shù)乃俣?如 1Okbps)把有效數(shù)據(jù)取出。shockBurst收/發(fā)方式使nRF24EI能夠方便地同時接收兩個不同頻率的頻道發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且能夠使接收速度達到最大值。使用第二個數(shù)據(jù)頻道必須滿足要求:第二數(shù)據(jù)頻道的工作頻率至少比第一個頻道的工作頻率高8MHz。Du0Ceiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準備信號，可通過程序使其作為微處理器的中斷或通過GPIO口傳給CPU。喚醒定時器和看門狗的定時時間約為30Ous一8OmS，其默認值為10ms。nRF24E1的其它引腳還有14個。電子標簽的設(shè)計不但要求體積小、重量輕、便于攜帶，而且要求功耗要非常低、電池壽命足夠長。在此不再累贅述。第一:采用大容量的紐扣電池，因此采用cR2450(標稱容量570mAh)。這樣可以有