【正文】 成分為兩個(gè)部分硬件部分和軟件部分。我們通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件來對射頻標(biāo)簽寫入或讀取其所攜帶的數(shù)據(jù)信息。 RFID系統(tǒng)的組成一般的RFID系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分組成。密藕合系統(tǒng)的工作頻率一般局限在30MHz以下。在該區(qū)域中，輻射場的角度分布與距離無關(guān)。在該區(qū)域中電抗性儲(chǔ)能場占支配地位，通常，該區(qū)域的界限取為距天線口徑表面兄/2處。同時(shí)，與現(xiàn)代通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨地區(qū)的應(yīng)用。另外，射頻識(shí)別技術(shù)總體成本一直處于下降之中，可以預(yù)計(jì)在未來的幾年之內(nèi)射頻識(shí)別技術(shù)將取代條形碼掃描技術(shù)以及IC卡識(shí)別技術(shù)。第三章 RFID技術(shù)研究3．1 概述射頻識(shí)別技術(shù)(RFID即 RadiorrequeneyIdentification的縮寫)，是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。（2）RFID技術(shù)的研究這個(gè)部分集中研究了RFID技術(shù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)簽成本、標(biāo)簽選取、工作頻率的技術(shù)研究和應(yīng)用等幾方面。閱讀器由無線射頻接收模塊，CPU處理模塊，外擴(kuò)SRAM模塊，顯示模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測電子標(biāo)簽的存在，并將檢測到的電子標(biāo)簽的編號(hào)和時(shí)間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外擴(kuò)SRAM中，然后將數(shù)據(jù)通過RS232總線上傳給數(shù)據(jù)采集分站，同時(shí)顯示電子標(biāo)簽編號(hào):在閱讀器器的設(shè)計(jì)過程中，考慮了如何判別電子標(biāo)簽的移動(dòng)方向問題。 (2)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫使SQL Server2000 ，這是一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲(chǔ)著系統(tǒng)所需要的各種有效信息，包括人員及閱讀器基本信息、人員井下實(shí)時(shí)定位信息、井下標(biāo)簽的信息等。系統(tǒng)組成框圖見圖21井上部分井下采集站1………井下部分井下采集站n………閱讀器1閱讀器n標(biāo)簽n標(biāo)簽1………WidowsXP+VC++SQL server數(shù)據(jù)庫信息傳輸接口圖21礦井監(jiān)控與定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖大體工作過程為：在井下入口、巷道、作業(yè)面的交叉道口等需要監(jiān)控的主要位置安裝一定數(shù)量的檢測站點(diǎn),安裝在礦燈上的員工標(biāo)簽（即電子標(biāo)簽），定時(shí)向采集站發(fā)出具有代表身份特征的射頻信號(hào)，同時(shí)在程序的控制下，閱讀器也不斷的將采集的瓦斯?jié)舛燃爱?dāng)前的溫度等環(huán)境數(shù)據(jù)，通過CAN總線將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面中心站，中心站接收到來自采集分站上的時(shí)間、位置和動(dòng)目標(biāo)特征的數(shù)據(jù)編碼信號(hào)后，作進(jìn)一步地分析處理，形成各種文件和圖表，并發(fā)布到網(wǎng)上，使管理人員能及時(shí)準(zhǔn)確地查詢各種信息。在數(shù)據(jù)庫部分介紹了數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，針對井下人員定位的需要進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫需求分析和邏輯設(shè)計(jì)。將RFID射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于礦井人員定位，對提高煤礦的信息化管理水平，和災(zāi)害發(fā)生時(shí)對井下人員的準(zhǔn)確定位以便實(shí)施有效的救援具有理論和實(shí)際意義?？刂茊卧O(shè)計(jì)主要完成單片機(jī)與外圍通信接口的研究。 論文的研究任務(wù)和工作本研究的目的是利用射頻識(shí)別技術(shù)來設(shè)計(jì)一個(gè)井下人員定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人員自動(dòng)化管理，并為災(zāi)難發(fā)生時(shí)提供可靠的人員位置信息。通過查閱資料和現(xiàn)場調(diào)研，我發(fā)現(xiàn)存在以下主要問題:（1）無法實(shí)現(xiàn)對作業(yè)人員的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測井下人員跟蹤定位系統(tǒng)要求地面監(jiān)測人員能夠了解井下任一區(qū)域、任一時(shí)刻人員分布的具體情況。在引進(jìn)吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，國產(chǎn)的 KT6 等多種泄漏通信設(shè)備也相繼問世，但是它們大都存在不足:（1）成本高、推廣程度低國內(nèi)曾先后引進(jìn)國外先進(jìn)的人員監(jiān)測設(shè)備，收效尚好。自2007年起，RFID射頻識(shí)別技術(shù)單品級(jí)應(yīng)用是全球最大的RFID射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用市場。過去的十多年，RFID射頻識(shí)別技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐步被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多的溯源和防偽應(yīng)用領(lǐng)域。人員識(shí)別系統(tǒng)從最初的條形碼、光電孔卡式到現(xiàn)在的指紋、紅外線式考勤形式各不相同，這些技術(shù)裝備利用不同的識(shí)別原理對下井人員進(jìn)行監(jiān)控、記錄。為了加快實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化管理的步伐，我國先后從波、法、德、英、美等國批量引進(jìn)了安全監(jiān)控系統(tǒng)并裝備了部分煤礦，如美國的SCADA系統(tǒng)、英國的MINOS系統(tǒng)、德國的TF2OO系統(tǒng)、法國的CTT63/40/u系統(tǒng)、加拿大森透里昂系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在我國煤炭行業(yè)中發(fā)揮了作用，也為我國研制礦用監(jiān)控系統(tǒng)提供了很好的借鑒。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)。此外，以美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家對RFID技術(shù)的研究和應(yīng)用已達(dá)到相當(dāng)高的水平，并且產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益，而我國起步較晚，大多采用引進(jìn)的技術(shù)成果，需要對RFID技術(shù)的研究和應(yīng)用增加投入。本文設(shè)計(jì)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(jì)方案時(shí)，除了考慮其功能外，在穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾能力、容錯(cuò)能力及異常保護(hù)等方面也進(jìn)行了充分考慮。 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。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(yùn)行狀態(tài)，如煤倉料位、水倉水位、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)。近幾年，隨著國民經(jīng)濟(jì)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(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)的形勢非常嚴(yán)峻，造成的損失是極其慘重的。那就能在事故救援時(shí)，及時(shí)準(zhǔn)確地了解井下的人員分布情況和比較準(zhǔn)確的位置，使救援工作做到目標(biāo)定位準(zhǔn)確、速度快、針對性強(qiáng)?？梢哉f在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)其它RFID系統(tǒng)完全沒有問題。根據(jù)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性等要求，并且數(shù)據(jù)量較小的特點(diǎn)，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)?，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(shí)現(xiàn)井下工作人員的定位。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(shí)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(jì)的總體方案:然后重點(diǎn)論述了系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集站與標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的管理軟件和應(yīng)用程序的流程圖。本文主要完成井下網(wǎng)絡(luò)部分的硬件設(shè)計(jì)，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(jì)，井下網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的通信接口的設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)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。用什么方法、什么手段來實(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)?；诖?，本文研究了RFID技術(shù)及其在井下人員定位中的應(yīng)用。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。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(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。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。若井下發(fā)生突發(fā)事，可立即通過主機(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。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀國外研制礦井計(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(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。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。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%。上海秀派電子科技公司(ShangHai Super Eleamp。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)；無線可讀寫性能更加完善；適合高速移動(dòng)物品識(shí)別；快速多標(biāo)簽讀／寫功能；一致性更好；強(qiáng)場強(qiáng)下的自保護(hù)功能更完善；智能性更強(qiáng)；成本更低。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)。（2）不符合國內(nèi)煤炭行業(yè)的實(shí)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(jìn)無法滿足各個(gè)煤礦的實(shí)際需要。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，效率低，無法解決排隊(duì)考勤的現(xiàn)狀。然后對射頻識(shí)別技術(shù)中的防沖突算法進(jìn)行研究探討，并對這些算法進(jìn)行性能比較，最后提出一個(gè)性能更好的防沖突算法。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)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后還對防沖突問題做了初步的研究。提出了文章的不足并且指出存在的諸多問題，有待以后進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究。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。本課題的數(shù)據(jù)通信是由CAN總線模塊來實(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 。軟件設(shè)計(jì)借鑒面向?qū)ο蟮乃枷?，采用模塊化設(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)相對獨(dú)立的模塊，論文針對部分模塊，給出其詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)流程。在硬件設(shè)計(jì)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(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。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)一無二的電子識(shí)別標(biāo)簽。射頻識(shí)別技術(shù)在國外發(fā)展非常迅速，其產(chǎn)品種類繁多。 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)距離磁場中的傳播原理是非常必要的。在該區(qū)域中束縛于天線的電磁場未曾做功(只是進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換)，因而將該區(qū)域稱為無功近場區(qū)。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。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。射頻卡由天線、功能模塊和存儲(chǔ)器等組成。，然后執(zhí)行導(dǎo)入的程序。信號(hào)的編碼與解碼。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。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。該公司宣稱，這一過程可以生產(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?；?33MISM 波段的無線通訊有源卡的主要缺點(diǎn)有：無線通訊數(shù)據(jù)率很低（）,從而引起讀卡速度慢，實(shí)際同時(shí)讀卡數(shù)量少（4 卡），讀卡模塊和卡的功耗很高。6）高抗干擾性: 采用擴(kuò)頻技術(shù)，對現(xiàn)場各種干擾源無特殊要求。用于門禁控制以及需要傳輸大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。()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。如圖34所示圖34 DC8320B有源電子標(biāo)簽產(chǎn)品描述：1. 號(hào)DC8320B標(biāo)簽類別卡狀工作頻率感應(yīng)方式主動(dòng)感應(yīng)模式識(shí)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年對于本課題涉及到天線設(shè)計(jì)包括兩方面：一是電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)問題，一是閱讀器天線的設(shè)計(jì)問題。所以閱讀器天線在按圓極化形式設(shè)計(jì)時(shí)，其圓極化增益應(yīng)大于 3dB，考慮余量，應(yīng)大于 5dB 設(shè)計(jì)。圖35中，標(biāo)簽Tl向閱讀器Rl傳送標(biāo)簽信息時(shí)，受到閱讀器R2的干擾，以至Rl讀卡失敗。RFID安全問題集中在對個(gè)人用戶的隱私保護(hù)、對企業(yè)用戶的商業(yè)秘密保護(hù)、防范對RFID系統(tǒng)的攻擊以及利用RFID技術(shù)進(jìn)行安全防范等多個(gè)方面。在設(shè)計(jì)時(shí)，初步對定位卡有以下構(gòu)想：標(biāo)簽由一個(gè) 的無線發(fā)信機(jī)和 MCU 組成。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(shí)要確保至少讀到 3 次以上，按 50Km/小時(shí)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(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)原理圖如下圖41所示標(biāo)簽電源標(biāo)簽控制電路標(biāo)簽射頻收發(fā)電路圖41電子標(biāo)簽原理圖 電子標(biāo)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。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。AT89C系列單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。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(gè)硬件復(fù)位為止。NRF24EI收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和兩個(gè)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)。晶振直接為NRF24EI的微控制器提供了時(shí)鐘來源。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(biāo)準(zhǔn)的1248個(gè)時(shí)鐘周期縮短到420個(gè)時(shí)鐘周期，XRAM數(shù)據(jù)存取采用雙指針，提高了CPU的處理和運(yùn)算速度。P1口只有3個(gè)引腳，可設(shè)為SPI接口或GPIO，通過 SPI_CTRL進(jìn)行控制。此外，該器件還有2個(gè)天線接口引腳ANT1和ANT2。通過 PWR_UP、CE和CS三個(gè)控制引腳，可以設(shè)置nRF24EI的發(fā)送/接收工作方式。③CPU將CE置低，激活ShockBurst發(fā)送。③經(jīng)過200us處理，nRF24E1子系統(tǒng)監(jiān)視啟動(dòng)并等待信號(hào)的到來。shockBurst收/發(fā)方式使nRF24EI能夠方便地同時(shí)接收兩個(gè)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(dá)到最大值。Du0Ceiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，可通過程序使其作為微處理器的中斷或通過GPIO口傳給CPU。nRF24E1的其它引腳還有14個(gè)。在此不再累贅述。這樣可以有