【正文】 ，在沒(méi)有防沖突機(jī)制的情況下，信息傳輸過(guò)程將產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致信 息讀取失敗。 圖 35 閱讀器與閱讀器之間的干擾 (2)多個(gè) 閱讀器 對(duì)識(shí)別標(biāo)簽的干擾 :指的是多個(gè) 閱讀器 同時(shí)讀取 1 個(gè)標(biāo)簽，標(biāo)簽受到頻率干擾，讀取數(shù)據(jù)失敗。這種情形往往發(fā)生在閱讀器 工作范圍不重疊的區(qū)域，如圖 35所示。然而，一個(gè)圓極化天線在接收一個(gè)線極化波時(shí)，其有效增益要比同增益線極化天線低 3dB。如金屬物體對(duì)電磁信號(hào)有衰減作用，金屬表面對(duì)信號(hào)有反射作用，以及金屬和寬頻信號(hào)源產(chǎn)生的電磁屏蔽和電磁干擾等影響。這里，我選的是 DC8320B 有源電子標(biāo)簽 。()在美國(guó) 。主要應(yīng)用于距離較短和成本較低的系統(tǒng)中，比如門(mén)禁控制、校園 卡、貨物跟蹤等。 5）超低功耗：更健康、更安全和更長(zhǎng)的電池壽命。這些產(chǎn)品都有其固有缺陷而難以在煤礦普及使用，其缺陷主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 遠(yuǎn)距離無(wú)源卡、半有源卡的缺點(diǎn)：需要大功率輻射的讀卡設(shè)備，不可能達(dá)到煤安要求，且高場(chǎng)強(qiáng)的讀取電波輻射也是難以滿足煤安要求的，且可能對(duì)人體造成傷害；其次無(wú)源卡對(duì)人體感應(yīng)、卡與讀取天線的相對(duì)方向、金屬物接近等十分敏感，造成讀卡不可靠，不可能做到盲讀，所以沒(méi)有真正在井下成功應(yīng)用的案例。該公司宣稱，這一過(guò)程可以生產(chǎn)出成本在 510美分的標(biāo)簽，此時(shí)生產(chǎn)規(guī)模必須達(dá)到至少 10億個(gè)標(biāo)簽。 ISO 標(biāo)準(zhǔn)則秉持標(biāo)準(zhǔn)的基本理念，少了一些商業(yè)利益，更側(cè)重標(biāo)準(zhǔn)的中立性，因此對(duì)于加速 RFID 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，似乎更具有彈性和發(fā)展前景。標(biāo)簽中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)應(yīng)用和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)決定的。信號(hào)的編碼與解碼 。 ，然后執(zhí)行導(dǎo)入的程序。 RS232 等進(jìn)行通信。射頻卡由天線、功能模塊和存儲(chǔ)器等組成。遙禍合系統(tǒng)又可細(xì)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。通常情況下，這種作用距離定義為標(biāo)簽與閱讀器之間能夠可靠交換數(shù)據(jù)的距離。在該區(qū)域中束縛于天線的電磁場(chǎng)未曾做功 (只是進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換 )，因而將該區(qū)域稱為無(wú)功近場(chǎng)區(qū) 。 RFID 的物理原理 要理解射頻識(shí)別 (RF 工 D)系統(tǒng)的工作原理，弄清閱讀器與標(biāo)簽之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)質(zhì)，深入研究磁現(xiàn)象的物理本質(zhì)和波在遠(yuǎn)距離磁場(chǎng)中的傳播原理是非常必要的。 射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)外發(fā)展非常迅速，其產(chǎn)品種類繁多。由于 RFID 標(biāo)簽的存儲(chǔ)容量是 2 的 96 次方以上，因此它可以彌補(bǔ)條形碼的存儲(chǔ)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(gè)獨(dú)一無(wú)二的電子識(shí)別標(biāo)簽。在硬件設(shè)計(jì)中，按照二者的組成分別對(duì)其工作原理、控制單元以及所使用的各種芯片進(jìn)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(shí)現(xiàn)電路。軟件設(shè)計(jì)借鑒面向?qū)ο蟮乃枷耄捎媚K化設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)軟件按照功能劃分為初始化、射頻信號(hào)的發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)采集和處理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和 RS232 通信等幾個(gè)相對(duì) 15 獨(dú)立的模塊，論文針對(duì)部分模塊，給出其詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)流程。本課題的數(shù)據(jù)通信是由 CAN 總線模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將閱讀器讀取到的射頻標(biāo)簽信息負(fù)責(zé)發(fā)送至地面 。井下部分主要的作用是信息的采集，而井上部分則是對(duì)信息的處理。提出了文章的不足并且指出存在的諸多問(wèn) 題，有待以后進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究。最后還對(duì)防沖突問(wèn)題做了初步的研究。 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在前面的理論研究和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本部分對(duì)實(shí)際的井下人員定位系統(tǒng)的 PC機(jī)操作界面和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后對(duì)射頻識(shí)別 技術(shù)中的防沖突算法進(jìn)行研究探討，并對(duì)這些算法進(jìn)行性能比較，最后提出一個(gè)性能更好的防沖突算法。但包括條形碼、光電孔卡以及指紋在內(nèi)的這些識(shí)別方式在人員集中的時(shí)段和地點(diǎn)考勤時(shí)間長(zhǎng)，效率低，無(wú)法解決排隊(duì)考勤的現(xiàn)狀。 （ 2）不符合國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)的實(shí)際情況 我國(guó)人口眾多，現(xiàn)有煤礦職土超過(guò)百萬(wàn)，職工素質(zhì)普遍較低，國(guó)外設(shè)備的引進(jìn)無(wú)法滿足各個(gè)煤礦的實(shí)際需要。這將是繼零售供應(yīng)鏈 RFID電子標(biāo)簽產(chǎn)品的應(yīng)用之后， 全球使用 RFID射頻識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品的第 2大行業(yè)。具體表現(xiàn)在，基于 RFID射頻識(shí)別技術(shù)的電子標(biāo)簽產(chǎn)品將達(dá)到：芯片所需的功耗更低，無(wú)源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽技 術(shù)更趨成熟；作用距離更遠(yuǎn)；無(wú)線可讀寫(xiě)性能更加完善；適合高速移動(dòng)物品識(shí)別；快速多標(biāo)簽讀／寫(xiě)功能；一致性更好；強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)下的自保護(hù)功能更完善；智能性更強(qiáng)；成本更低。上海秀派電子科技公司 (ShangHai Super Eleamp。結(jié)果證明 PED 系統(tǒng)信號(hào)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(hào)準(zhǔn)確率為 100%，最遠(yuǎn)穿透距離達(dá) 公里。 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)的致肯定。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 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(kāi)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。若井下發(fā)生突發(fā)事，可立即通過(guò)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。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(lái)了解下井人員的數(shù)量和情 況。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(lái)了極大的困難 。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。基于此，本文研究了 RFID 技術(shù)及其在井下人員定位中的應(yīng)用。用什么方法、什么手段來(lái)實(shí)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(biāo)，特別是礦工在井下的動(dòng)態(tài)情況更是關(guān)注的重點(diǎn)。 這套系統(tǒng)的創(chuàng)新在于綜合應(yīng)用了射頻識(shí)別技術(shù) 、計(jì)算機(jī)通信以及 CAN 總線技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井的自動(dòng)監(jiān)控與定位。最后討論了系統(tǒng)的調(diào)試及抗干擾措施。 2020 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(shí)現(xiàn)快速救援的重要手段。 針對(duì)人員定位系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的選擇上，論文對(duì)現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)技術(shù)，包括 RS485總線、工業(yè)以太網(wǎng)、 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 (FF， FUNDATIONFIELDBUS)和 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為 CAN 現(xiàn)場(chǎng)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(shì)。也可以添加更多的功能模塊對(duì)系統(tǒng)做不同的擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信等功能。射頻識(shí)別技術(shù) (RadioFrequencyID，簡(jiǎn)稱 RFID)通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，己在煤礦安全管理中嶄露頭角。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。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。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。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。 隨著數(shù)字化時(shí)代的深入，基于遠(yuǎn)程信息化網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的社會(huì)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(lái)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(jì)算機(jī)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用前景尤為的廣闊。戴維斯德比公司在地面和井下 RFID 系統(tǒng)的開(kāi)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) 。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。 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。 發(fā)展趨勢(shì) RFID射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為獨(dú)立跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)化將達(dá) 到：標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)性研究更深入，也更成熟；標(biāo)準(zhǔn)化為更多企業(yè)所接受。 存在的主要問(wèn)題 近幾年，國(guó)外己經(jīng)成功地將無(wú)線通訊和遙測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到事故搶險(xiǎn)中人員搜尋、定位和急救上，但在國(guó)內(nèi)因地質(zhì)條件限制和技術(shù)方面的不成熟，成功開(kāi)發(fā)的實(shí)例并不多。 目前國(guó)內(nèi)大部分礦井還只能通過(guò)傳統(tǒng)礦燈管理等考勤方式來(lái)了解下井人員的數(shù)量和情況。 (4)利用 RS485 總線進(jìn)行井下通信不夠靈活 現(xiàn)有煤礦井下人員定位系統(tǒng)通信方式大都采用 RS485 總線，而恰恰是這種半雙工通信的方式?jīng)Q定了該系統(tǒng)僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的上傳，不能實(shí)時(shí)修改井下某監(jiān)控接點(diǎn)信息，不 夠靈活。在硬件模塊中，按照閱讀器的組成對(duì)閱讀器的高頻接口、控制單元以及所使用的天線類型分別進(jìn)行研究。 論文的結(jié)構(gòu)安排 第 1 章簡(jiǎn)要介紹了 RFID 的發(fā)展歷史和當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。 第 5 章是 RFID 系統(tǒng) 井上部分的 設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)分析部分給出了算法流程圖和仿真結(jié)果，標(biāo)簽分析，閱讀器與標(biāo)簽通信模型，系統(tǒng)組網(wǎng)分析，以及操作可行性分析。井下主要由采集站、 閱讀器、 電子 標(biāo)簽 、防爆電源等組成。 (1)系統(tǒng)客戶端 系統(tǒng)客戶端是整個(gè)井下人員定位系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)操作平臺(tái)，客戶端從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取有效 信息，在操作界面上顯示井下人員信息，包括實(shí)時(shí)定位信息、各類查詢信息和統(tǒng)計(jì)信息，并對(duì)一些基本信息進(jìn)行有效操作。 電子標(biāo)簽采用 無(wú)線射頻 NRF24EI 芯片，負(fù)責(zé)對(duì)員工編號(hào)的發(fā)送?；诖四康?，文中把整個(gè)課題的研究任務(wù)分為以下 四 個(gè)部分來(lái)完成 : (l)總體方案設(shè)計(jì) 這個(gè)部分首先介紹射頻識(shí)別系統(tǒng)的原理、工作方式以及射頻識(shí)別技術(shù)的物理基礎(chǔ)及相關(guān)技術(shù)，然后對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)中的讀寫(xiě)器與應(yīng)答器進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，最后確定整個(gè)系統(tǒng)的總體方案。首先，制定了應(yīng)用程序的整體框架完成 PC機(jī)與閱讀器的通信，然后對(duì)系統(tǒng)中所要完成的各個(gè)操作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出流程圖。射頻 閱讀器 可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽甚至可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體，操作快捷方便，實(shí)現(xiàn)了無(wú)源和免接觸操作，應(yīng)用便利，無(wú)機(jī)械磨損，壽命長(zhǎng) 。其中，我國(guó)的第二代公民身份證是射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用最大的一個(gè)項(xiàng)目。通?？梢愿鶕?jù)觀測(cè)點(diǎn)到天線的距離將天線周圍的場(chǎng)劃分為三個(gè) 區(qū)域。對(duì)于通常的天線，此區(qū)域也稱為菲涅爾區(qū)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要將標(biāo)簽插入到閱讀器中或者將其放置到閱讀器天線的表面。 :遠(yuǎn)距離系統(tǒng)的典型作用距離為 11Om，個(gè)別系統(tǒng)具有更遠(yuǎn)的作用距離。 在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，除了具有兩個(gè)基本的構(gòu)成部分外，為了能更好地完成無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的識(shí)讀功 能，還需要用到中間件、外部計(jì)算機(jī) (上位機(jī)主系統(tǒng) )等附屬設(shè)備。 夠校驗(yàn)讀寫(xiě)過(guò)程中的錯(cuò)誤信息 。閱讀器的高頻接口主要完成如下任務(wù)產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，以啟動(dòng)標(biāo)簽并為其提供能量 。進(jìn)行標(biāo)簽與閱讀器之間的身份驗(yàn)證等。相應(yīng)的，射頻標(biāo)簽在讀取數(shù)據(jù)時(shí)不用參照數(shù)據(jù)庫(kù)可以直接確定代碼的含義。與廉價(jià)的條形碼相比，RFID標(biāo)簽昂貴的價(jià)格，讓眾多廠商望而卻步。迄今為止，該射頻標(biāo)簽是成本最低的硅芯片標(biāo)簽。 因此，考慮利用有源 RFID 電子標(biāo)簽有以下優(yōu)點(diǎn)，來(lái)有效解決有源射頻識(shí)別中的幾個(gè)主要難題：盲讀、超低功耗和多卡沖突。 21 工作頻率的選擇 工作頻率的選擇既要適應(yīng)各種不同應(yīng)用的需求，還需 要考慮各國(guó)對(duì)無(wú)線電頻段使用和發(fā)射功率的規(guī)定。其缺點(diǎn)是容易被障礙物阻擋，易受反射和人體擾動(dòng)等因素影響，不易實(shí)現(xiàn)無(wú)線作用范圍的全區(qū)覆蓋。為保證井下通信有效、暢通，對(duì)井下信道的傳輸特性進(jìn)行定性的分析，從而確定通信信號(hào)的最適合頻率是非常必要的。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，RFID 標(biāo)簽通常需要貼于不同類型、形狀的物體表面，甚至需要嵌入到物體內(nèi)部?？紤]到電子標(biāo)簽要求攜帶方便，體積很小，天線采用 1/4 波長(zhǎng)單極天線原理與電子標(biāo)簽印制板電路共形設(shè)計(jì)，并采用實(shí)驗(yàn)方法調(diào)整天線與電路的阻抗匹配使其達(dá)到最佳能量轉(zhuǎn)換效果，保證天線輻射有效增益不低于 3dB。同時(shí)多個(gè)閱讀器之間工作范圍重疊也將造成沖突。這種現(xiàn)象往往發(fā)生在 閱讀器 工作范圍重疊的時(shí)候，如圖 36所示。而射頻 閱讀器 碰撞稍微復(fù)雜些，井下 閱讀器 碰撞大致有如下兩種情形 : (l)閱讀器 和 閱讀 器 間的干擾 :指的是射頻識(shí)別標(biāo)簽向 閱讀器 發(fā)出的信號(hào)受到別的閱讀器 信號(hào)的干擾，以至標(biāo)簽信號(hào)不能正常傳送，讀取數(shù)據(jù)失敗。我們知道任意一個(gè)圓極化波可以分解成兩個(gè)正交的線極化波。而天線的特性不僅受所標(biāo)識(shí)物體的形狀及物理特性影響，還受天線周圍物體和環(huán)境的影響。 ． 5電子標(biāo)簽的選型 鑒于上面對(duì) RFID 技術(shù)在井下定位的應(yīng)用的研究，對(duì)電子標(biāo)簽的選型就有了一個(gè)初步的確定。 表 31 RFID 技術(shù)主要參數(shù) 參數(shù) 低頻率 高頻率 UHF 微波 頻率 125134 KHz MHz MHz PJM MHz () 868915 MHz GHz 讀取 距離 達(dá) 米 米 達(dá) 米 達(dá) 米 達(dá) 4米（ ） 達(dá) 15米 （ ） 速度 不快 小于 5秒（ 5kb為 5 秒） 中 （ 米 /秒）