【正文】 線向空中輻射線極化波。RFID電子標簽在要求低成本的同時，還要求有高的可靠性，這些因素對天線的設計提出嚴格的要求。用戶可自定義讀寫標準數(shù)據(jù)，使專門的應用系統(tǒng)效率更加快捷；(與讀寫器和天線有關).超寬工作頻段設計，既符合相關行業(yè)規(guī)定，又能進行靈活的開發(fā)應用；5. 可同時讀寫多個標簽（多達50 個/秒以上），而不受工作區(qū)內(nèi)標簽數(shù)量的限制和影響；6. 從表2一1中我們能夠看出，低頻標簽比超高頻便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強，工作頻率不受無線電頻率管制約束，最適合用于含水分較高的物體，但是識別距離小于lm，雖然具有良好的個體定位功能，如果要做到整個礦井的良好定位，需要在井下布置大量的基站，投資大，同時標簽的防沖撞功能不好。主要應用于需要較長的讀寫距離以及高讀寫速度的系統(tǒng)。當前RFID工作頻率跨越多個頻段，不同頻段具有各自優(yōu)缺點，它既影響標簽的性能和尺寸，還影響標簽與閱讀器的價格。1）有效工作距離長：有效增加識別距離，在一次通過閱讀器的視場時實現(xiàn)多次閱讀，保證盲讀的可靠性。具體見圖33所示。與廉價的條形碼相比，RFID標簽昂貴的價格，讓眾多廠商望而卻步。相應的，射頻標簽在讀取數(shù)據(jù)時不用參照數(shù)據(jù)庫可以直接確定代碼的含義。進行標簽與閱讀器之間的身份驗證等。閱讀器的高頻接口主要完成如下任務產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，以啟動標簽并為其提供能量。在射頻識別系統(tǒng)中，除了具有兩個基本的構成部分外，為了能更好地完成無線射頻識別技術的識讀功能，還需要用到中間件、外部計算機(上位機主系統(tǒng))等附屬設備。:遠距離系統(tǒng)的典型作用距離為11Om，個別系統(tǒng)具有更遠的作用距離。在實際應用中，通常需要將標簽插入到閱讀器中或者將其放置到閱讀器天線的表面。對于通常的天線，此區(qū)域也稱為菲涅爾區(qū)。通?？梢愿鶕?jù)觀測點到天線的距離將天線周圍的場劃分為三個區(qū)域。其中，我國的第二代公民身份證是射頻識別技術應用最大的一個項目。射頻閱讀器可以同時識別多個標簽甚至可識別高速運動物體，操作快捷方便，實現(xiàn)了無源和免接觸操作，應用便利，無機械磨損，壽命長。首先，制定了應用程序的整體框架完成PC機與閱讀器的通信，然后對系統(tǒng)中所要完成的各個操作流程進行設計，給出流程圖。基于此目的，文中把整個課題的研究任務分為以下四個部分來完成:(l)總體方案設計這個部分首先介紹射頻識別系統(tǒng)的原理、工作方式以及射頻識別技術的物理基礎及相關技術，然后對射頻識別系統(tǒng)中的讀寫器與應答器進行簡單的介紹，最后確定整個系統(tǒng)的總體方案。電子標簽采用無線射頻NRF24EI芯片，負責對員工編號的發(fā)送。(1)系統(tǒng)客戶端 系統(tǒng)客戶端是整個井下人員定位系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)操作平臺，客戶端從數(shù)據(jù)庫中提取有效 信息，在操作界面上顯示井下人員信息，包括實時定位信息、各類查詢信息和統(tǒng)計信息，并對一些基本信息進行有效操作。井下主要由采集站、閱讀器、電子標簽、防爆電源等組成。第5章是RFID系統(tǒng)井上部分的設計，在系統(tǒng)分析部分給出了算法流程圖和仿真結果，標簽分析，閱讀器與標簽通信模型，系統(tǒng)組網(wǎng)分析，以及操作可行性分析。 論文的結構安排第1章簡要介紹了RFID的發(fā)展歷史和當前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，同時對我國煤礦安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀進行了分析。在硬件模塊中，按照閱讀器的組成對閱讀器的高頻接口、控制單元以及所使用的天線類型分別進行研究。(4)利用RS485總線進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，不能實時修改井下某監(jiān)控接點信息，不夠靈活。目前國內(nèi)大部分礦井還只能通過傳統(tǒng)礦燈管理等考勤方式來了解下井人員的數(shù)量和情況。 存在的主要問題近幾年，國外己經(jīng)成功地將無線通訊和遙測監(jiān)測技術應用到事故搶險中人員搜尋、定位和急救上，但在國內(nèi)因地質(zhì)條件限制和技術方面的不成熟，成功開發(fā)的實例并不多。標準化將達到：標準化基礎性研究更深入，也更成熟；標準化為更多企業(yè)所接受。RFID射頻識別技術已經(jīng)逐步發(fā)展成為獨立跨學科的專業(yè)領域。隨著自動識別技術在國內(nèi)各行各業(yè)的發(fā)展和應用，國內(nèi)一些煤炭科研機構不斷推出新一代的人員自動識別系統(tǒng)，并成功應用于下井人員的管理。這些警告信息由礦井工作人員預先指定，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的工作人員。戴維斯德比公司在地面和井下RFID系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售服務等方面，已擁有十幾年的豐富經(jīng)驗。隨著數(shù)字化時代的深入，基于遠程信息化網(wǎng)絡管理技術的社會需求，RFID技術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、減災以及提高生產(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)的應用前景尤為的廣闊。利用射頻識別技術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?？记?、生產(chǎn)調(diào)度等方面。面對我國煤礦安全生產(chǎn)的嚴峻形勢，用高新技術和先進實用技術改造傳統(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。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。我國煤層自然賦存條件復雜多變，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，礦井重大災害及傷亡事故隨時都有可能發(fā)生。射頻識別技術 (RadioFrequencyID，簡稱RFID)通過射頻信號自動識別目標，并獲取相關數(shù)據(jù)，己在煤礦安全管理中嶄露頭角。人們希望能有一種更新，更完善的技術來解決煤礦安全生產(chǎn)管理中人員定位的難題。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。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)。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，結果錯失最佳的營救時機，甚至是盲目營救。特別是在國內(nèi)射頻識別技術的引進和發(fā)展，使得對下井人員進行實時跟蹤變得可行。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。英國的Davis Derby Limited該公司采用最新的無線射頻技術開發(fā)了專門用于煤礦井下應用的多標簽讀取系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以直接連接現(xiàn)有的監(jiān)控設備，可以監(jiān)控多種輸入。這些系統(tǒng)主要也是側重于安全參數(shù)的檢測，而沒有對下井人員進行實時監(jiān)控。該公司已經(jīng)研制成功了井下人員定位系統(tǒng)。管理系統(tǒng)將達到：高頻近距離系統(tǒng)具有更高智能、安全特性；超高頻遠距離系統(tǒng)性能更完備，系統(tǒng)更完善。就技術來講目前有兩大發(fā)展內(nèi)容：發(fā)展智能安全技術，增強通訊安全性，即RFID電子標簽芯片增加各種加密解密算法，將在原接觸卡中才能使用的各種加密解密算法移植到非接觸電子標簽芯片上，或者開發(fā)適合于非接觸RFID電子標簽芯片應用的加密解密算法，適合取代原接觸加密卡領域；發(fā)展超高頻低成本單品級技術，超高頻頻段RFID射頻識別系統(tǒng)具有識別距離遠、識別速度快、多標簽識別效率高和標簽成本低等優(yōu)點，尤其是低成本和單品級產(chǎn)品適合物流控制與管理領域。（3）技術力量不成熟國內(nèi)對井下無線通訊、遙測監(jiān)測技術的研究尚處于起步階段，目前還只是相關理論的研究，開發(fā)研制自主產(chǎn)品還需時間。包括其它一些考勤方式在內(nèi)，系統(tǒng)使用壽命短，投入成本高。閱讀器設計分為硬件設計和軟件設計兩個模塊。接著設計數(shù)據(jù)庫，最后對系統(tǒng)中所要完成的各個操作流程進行程序設計。給出了它們的原理圖和程序流程圖，并詳細研究了電子標簽的仿真。在井上由中心站主機、傳輸接口等組成。傳輸接口由CAN總線驅(qū)動器、光隔離電路、信號自收抑制電路、RS一232接口電路和防爆電源組成，傳輸方式為異步時分半雙工通信，傳輸與主機通訊采用RS232信號制，與采集傳輸接口通信采用CAN總線實現(xiàn)通信，到中心站的最大傳輸距離為10km。電子標簽分為員工電子標簽和車輛電子標簽，標簽上分別裝有標識員工和礦車身份的數(shù)據(jù)，按照一定的時間間隔向閱讀器發(fā)送自身的數(shù)據(jù)。作為實現(xiàn)礦井目標的自動化識別與智能化管理的信息采集平臺，其功能是把礦工、車輛及設備的主要信息寫入電子識別標簽中，實現(xiàn)礦用安全監(jiān)測。(4)應用系統(tǒng)軟件設計在前面的理論研究和硬件設計的基礎上，本部分對實際的礦井目標信息采集系統(tǒng)的PC機操作界面和數(shù)據(jù)庫進行設計。射頻識別技術具有很多突出的優(yōu)點:不需要直接接觸、不需要人工干預、不需要光學可視即可完成信息輸入和處理，可在各種特殊環(huán)境下工作。目前，射頻識別技術在中國主要應用于校園、公共交通、地鐵、社會保障等方面，大部分城市己廣泛采用了射頻公交卡來代替自動投幣。根據(jù)觀測點到天線距離的不同，天線周圍的場呈現(xiàn)出的性質(zhì)也不同。在輻射近場區(qū)中，輻射場占優(yōu)勢，并且輻射場的角度分布與距天線口徑的距離有關，天線各單元對觀察點輻射場的貢獻，其相對相位和相對幅度是與天線距離的函數(shù)。:密禍合系統(tǒng)的典型作用距離范圍從0c曠ICm。也有一些其它頻率，如 。在RFID的實際應用中，電子標簽附著在被識別的物體上(表面或內(nèi)部)，當帶有電子標簽的被識別物品通過其可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將電子標簽中的預定識別信息取出來，從而實現(xiàn)自動識別物品或自動收集物品信息的功能。RFID系統(tǒng)的閱讀器均可以簡化為兩個基本的功能塊控制系統(tǒng)和由發(fā)送器及接收器組成的高頻接口。對標簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密。類似于條形碼中存儲的信息，標簽還可以連接到數(shù)據(jù)庫，存儲產(chǎn)品庫存編號，當前位置，狀態(tài)，售價，批號的信息。標簽成本標簽價格一直是制約RFID推廣應用的一個瓶頸。迄今為止，該射頻標簽是成本最低的硅芯片標簽。因此，考慮利用有源RFID 電子標簽有以下優(yōu)點，來有效解決有源射頻識別中的幾個主要難題：盲讀、超低功耗和多卡沖突。工作頻率的選擇既要適應各種不同應用的需求，還需要考慮各國對無線電頻段使用和發(fā)射功率的規(guī)定。其缺點是容易被障礙物阻擋，易受反射和人體擾動等因素影響，不易實現(xiàn)無線作用范圍的全區(qū)覆蓋。為保證井下通信有效、暢通，對井下信道的傳輸特性進行定性的分析，從而確定通信信號的最適合頻率是非常必要的。適合采用跳頻工作模式，具有超強抗干擾能力；3.在不同的應用場合，RFID標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]到電子標簽要求攜帶方便，體積很小，天線采用 1/4波長單極天線原理與電子標簽印制板電路共形設計，并采用實驗方法調(diào)整天線與電路的阻抗匹配使其達到最佳能量轉換效果，保證天線輻射有效增益不低于3dB。同時多個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候，如圖36所示。如果電子標簽中的信息被竊取，復制并被非法使用的話，將會帶來無法估量的損失。本系統(tǒng)將有效地克服市場同類產(chǎn)品的缺點，期望實現(xiàn)了長距離（10～100 米可調(diào)），標簽的閱讀實現(xiàn)了高可靠的 100％識讀率，不存在多個標簽互相干擾的問題，至少可以同時讀取 64 個標簽。所以確定卡的發(fā)射功率＝0dbm，天線增益＝3db，閱讀器接受靈敏度＝90dbm，閱讀器天線增益為 0db 以上。標簽的整體電路結構為：RC模塊和MCU模塊集成在芯片 NRF24E1內(nèi)，成為整個標簽的核心。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。4K字節(jié)可編程閃爍存儲器?？删幊檀型ǖ?。電子標簽的設計，采用無線射頻nRF24EI芯片。設計簡單。在接收模式下，電流消耗也只有18mA，當芯片處于POWER DOWN模式時CPU處理中止、時鐘和電源整流電路關閉，RF收/發(fā)單元停止工作，整個芯片內(nèi)部只有RC振蕩器、看門狗和RTC定時器處于工作狀態(tài)，系統(tǒng)電流損耗只有2uA，功耗非常低。上電復位或經(jīng)軟件初始化后，處理器自動加載ROM引導區(qū)中的代碼。NRF24EI有11個數(shù)字I/O引腳，由P0口(DIO2一DIO9)和P1口(DIO0、DIODIN0)組成，除了DIN0只能用于輸入外，其余都是雙向引腳，而且大部分數(shù)字I/O有復用功能。P1口各個引腳的復用功能如表42所示:表42 P1口引腳的復用功能引腳(DIN0)(DIO1)(DIO0)復用功能SPI DISPI DOSPI SCK當Pl口配置為SPI口時，通過位于OxBOxB3和OxB4地址的特殊功能寄存器進行控制，其控制字與功能表如表43所示:表43 SPI口控制字及功能地址位數(shù)名稱功能B28SPI_DATASPI數(shù)據(jù)輸入/輸出B32SPI_CTRL00：空閑，無時鐘輸入01:SPI連接到PI口，另一個通用口作為片選10:SPI連接到RADIO的發(fā)送/接收端口111:SPI連接到RADIO的發(fā)送/接收端口2B42SPI_CLK00:1/8 CPU時鐘頻率01:1/16 CPU時鐘頻率10:1/32 CPU時鐘頻率11:1/64 CPU時鐘頻率NRF24EI還帶有9個模擬輸入引腳，其中AINOAIN7為ADC的8路模擬輸入，AREF為ADC參考電壓。RADIO口使用標準8051中的P2口地址。 PWR_Up=l，CE=0，CS=l時為配置方式 。*給RF前端供電。⑤nRF24E1子系統(tǒng)通過把DRI置高來通知CPU。②這兩個不同數(shù)據(jù)頻道的數(shù)據(jù)被分別送到兩套不同的接口—數(shù)據(jù)頻道1為CLKDATA和DR1，數(shù)據(jù)頻道2為CLKDOUT2和DR2。該振蕩器在VDD≥，會持續(xù)工作。其余為電源和接地腳。由于采用外部電池供電，必然會產(chǎn)生電池的使用壽命問題。電子標簽防碰撞是RFID系統(tǒng)中一個關鍵問題。具體的防碰撞算法如下:電子標簽在發(fā)送編號信息前，首先設定為接收狀態(tài)，‘偵聽’有沒有其它的電子標簽處于發(fā)送狀態(tài)，一旦‘偵聽’到任何一個其它的電子標簽信號，說明有其它電子標簽處于發(fā)送狀態(tài)，即發(fā)生碰撞，則采取退避原則，退避一個時間片后再檢測，直到?jīng)]有檢測到其它的電子標簽，再將本標簽的編號信息發(fā)送給閱讀