【正文】 行程序設計。在井上由中心站主機、傳輸接口等組成。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)。(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。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。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)。也有一些其它頻率，如 。對標簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密。標簽成本標簽價格一直是制約RFID推廣應用的一個瓶頸。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。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。適合采用跳頻工作模式，具有超強抗干擾能力；3.考慮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(zhuǎn)換效果，保證天線輻射有效增益不低于3dB。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。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。標簽的整體電路結(jié)構(gòu)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。4K字節(jié)可編程閃爍存儲器。電子標簽的設計，采用無線射頻nRF24EI芯片。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。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。RADIO口使用標準8051中的P2口地址。*給RF前端供電。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。其余為電源和接地腳。由于NRF24E1處于正常工作模式時電流為3mA，而掉電模式時工作電流僅為2uA。看門狗在復位后被禁止，再次復位后才能被激活。如果CE保持為高，準備接收下一個數(shù)據(jù)包。ShockBurst有兩種工作方式，分別為發(fā)送和接收，功能由配置字決定，工作流程如下所示:(l)ShoekBurst發(fā)送CPU接口引腳為CE、CLKDATA，工作流程:①CPU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，先將CE置高，NRF24E1開始工作。通道0一7可以轉(zhuǎn)換對應引腳AINOAIN7上的電壓值，通道8用于對NRF24EI工作電壓的監(jiān)控。NRF24EI還增加了一些標準8051沒有的特殊功能寄存器，如RADIO(P2)、ADCCON、ADCDATAH，PWMCON、PWMDUTY、RSTREAS等。無線收發(fā)部分功能由內(nèi)部并行口和內(nèi)部SPI啟動，每一個待發(fā)信號對于處理器來講都可以作為中斷進行編程，或者通過GPIO端口傳送給微處理器。在閑置模式下，CPU停止工作。AT89C2051不允許構(gòu)造外部總線來擴充程序/數(shù)據(jù)存儲器，所以它不需要ALE、PSEN、RA、WR一類的引腳?？ǖ陌l(fā)射電流：, 待機電流為 3uA。在硬件設計中，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。而射頻閱讀器碰撞稍微復雜些，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:指的是射頻識別標簽向閱讀器發(fā)出的信號受到別的閱讀器信號的干擾，以至標簽信號不能正常傳送，讀取數(shù)據(jù)失敗。而天線的特性不僅受所標識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電子標簽的選型鑒于上面對RFID技術在井下定位的應用的研究，對電子標簽的選型就有了一個初步的確定。 低頻頻段能量相對較低，數(shù)據(jù)傳輸率較小，無線覆蓋范圍受限，但是，低頻段標簽的成本相對較低，信號穿透力強。如何實現(xiàn)對移動中人員的有效管理是各個煤礦迫切需要解決的問題，目前國內(nèi)用于煤礦井下人員定位的產(chǎn)品只有少數(shù)取得了煤安合格證，主要采用的技術有：遠距離無源卡、半有源卡和基于 433M ISM 波段的無線通訊有源卡。這些標準各自具有不同的特點。閱讀器的控制單元擔負如下任務與應用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令。由于標簽的非接觸性質(zhì)，因此，我們必須借助于位于應用系統(tǒng)與標簽之間的閱讀器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫功能。由于密禍合系統(tǒng)方式的電磁泄漏很小，禍合獲得的能量較大，因而適合要求安全性較高，但不要求作用距離的應用系統(tǒng)，例如電子門鎖。從物理概念上講，無功近場區(qū)是一個儲能場，其中的電場與磁場的轉(zhuǎn)換類似于變壓器中的電場、磁場的交換。由于射頻識別技術的獨特優(yōu)勢，逐漸地被廣泛應用于物流、交通、生產(chǎn)、運輸、防偽、醫(yī)療、設備跟蹤、設備和資產(chǎn)管理等需要采集、處理數(shù)據(jù)和行蹤管理等應用領域。然后對射頻識別技術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。系統(tǒng)客戶端向數(shù)據(jù)庫服務器發(fā)SQL請求，數(shù)據(jù)庫對發(fā)送的SQL請求進行處理后反饋數(shù)據(jù)及結(jié)果。第6章對整個系統(tǒng)可能存在的干擾問題系統(tǒng)的進行了闡述，并提出了如何抗干擾的方法和論證。天線分析設計的主要任務是對天線性能進行比較以選擇一種適合本系統(tǒng)使用的天線，并由仿真軟件ADS完成天線與射頻模塊的匹配工作。而現(xiàn)有條形碼、光電孔卡以及指紋考勤方式只能對下井人員進行考勤，無法了解井下情況。據(jù)預測，到2009年，全球的RFID射頻識別技術的應用市場的規(guī)模將由2004年3億美元增至28億美元。深圳世紀潮智能科技有限公司與煤炭科學研究總院重慶分院一起，于2003年8月開始研究“礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)”，經(jīng)過資料收集、調(diào)研、方案論證、設計、試驗室試驗、樣機加工、性能測試、防爆送檢及井下工業(yè)性試驗等階段，歷時近一年半，完成了全部研究內(nèi)容。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()。項目方案確定利用射頻識別(RFID)技術，開發(fā)相應的井下人員定位監(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，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?？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)性災難營救工作將無從下手。目前，射頻識別技術在國內(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域。在以上基礎上，論文提出了一套基于RFID與CAN總線技術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、設計框圖、硬件原理以及軟件實現(xiàn)進行了詳盡的描述。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。關鍵詞：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 論文的研究任務和工作 12 論文的結(jié)構(gòu)安排 13 第二章 總體方案設計 14 14 14 16 第三章 RFID技術研究 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 井下部分設計 27 27 27 28 . 3 電子標簽軟件設計 34 . 4 電子標簽軟件程序調(diào)試 35 35 閱讀器的硬件設計 36 閱讀器的軟件設計 36 第五章 井上部分設計 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 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。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。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。因此，對RF功技術的深入研究具有深遠的理論意義。 1998年，人同礦務局在人同煤峪口礦安裝了中國第一套PED系統(tǒng)。　總體而言，RFID射頻識別技術當前發(fā)展趨于標準化、低成本、低差錯率、高安全性、低功耗。像美國安菲斯公司與煤炭部安全司、中國國際技術咨詢公司連手在大同礦務局的大同煤峪口礦安裝了中國第一套 PED 系統(tǒng)后就很少在其它煤礦企業(yè)得到應用?；诖四康?，本文把整個課題的研究任務分為以下三個部分來完成:RFID技術研究這個部分重點介紹了射頻識別系統(tǒng)的原理組成、工作方式以及射頻識別技術的物理基礎。第3章對RFID的技術研究做了詳細的介紹，然后分別對電子標簽和閱讀器展開了闡述，并且詳細的探討了電子標簽的選型，工作頻率的選取，以及標簽的成本等。整個系統(tǒng)又可分為井上部分和井下部分兩個部分來介紹。數(shù)據(jù)采集分站的設計主要考慮了它與各個閱讀器的傳輸距離和通信方式問題。通過相距幾米到幾百米距離內(nèi)閱讀器發(fā)射的無線電波，可以讀取識別標簽內(nèi)儲存的信息，識別電子標簽代表人、物品或者器具的身份。當前，RFID系統(tǒng)在各項應用中的研究熱點主要集中在技術標準、標簽成本、技術研究和應用等幾方面。射頻識別系統(tǒng)中的標簽與閱讀器之間的作用距離是射頻識別系統(tǒng)的一個重要指標。閱讀器一般由天線、通信模塊、控制模塊和接口電路組成。主要包括以下軟件，控制天線發(fā)射的開、關，控制閱讀器的工作模式，完成與主機之間的數(shù)據(jù)傳輸和命令交換等功能。射頻標簽根據(jù)商家種類的不同能儲存從512字節(jié)到4兆不等的數(shù)據(jù)。Smartcode公司宣布他們擁有一項專利的生產(chǎn)過程可以降低射頻標簽的生產(chǎn)成本。5）超低功耗：更健康、更安全和更長的電池壽命。()在美國。然而，一個圓極化天線在接收一個線極化波時，其有效增益要比同增益線極化天線低 3dB。該法通過空間來分割巷道，將井下的多點對多點的通訊問題轉(zhuǎn)化為井下多個監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的點對多點的通訊問題，達到了防止閱讀器碰撞的目的。電池工作壽命：2 年由上述目標導出下列產(chǎn)品技術標準：：由于 頻段較高，我們選擇通訊速率為 1Mbps，GFSK 調(diào)制，在此頻段再降低通訊速率對提高信噪比并不明顯，反而會增加通訊時間導致功耗增加電池壽命縮短，我們僅需讀取卡號（4 byte）、工作狀態(tài)（1 byte）、電池電壓（1 byte）、校驗碼（1 byte）、幀結(jié)構(gòu)和管理（起始 地址 幀長 CRC 2，6 byte）共 13 byte，射頻發(fā)送時間約為 120uS 。AT89C2051(在標簽的控制單元中使用)，是一種帶ZK字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。32可編程I/O線。待機電流可低至2uA，同時器件還帶有喚醒定時器。NRF24EI的CPU集成了2個數(shù)據(jù)指針，以便于和外部RAM進行數(shù)據(jù)傳遞。其中，復位后，將被引導程序激活并連接到啟動閃存的硯上。程序運行后，保持默認值，直到程序通過RADIO寄存器改變各位的值。②將CE置高，激活RX。同時，也降低了對CPU性能的要求。. 3 電子標簽軟件設計電子標簽原理圖大體如下圖43所示圖43電子標簽模塊原理圖其中控制單元為AT89C2051，上面已經(jīng)對它做了詳盡的介紹。電子標簽軟件設計要考慮兩大方面的問題:降低功耗和防碰撞問題。nRF24E1內(nèi)有一個低功耗的RC振蕩器。④當收到一個有效的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC)，nRF24EI子系統(tǒng)移去前綴、地址和CRC位。 PWR_UP=1，CE=1，CS=O時為收發(fā)方式。當SPI_CTRL設定為01時Pl口可作為SPI口使用，此時只能作為主機。NRF24EI的微控制器中有256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和512字節(jié)的ROM。所需外圍器件很少。5個中斷源。該器件采用周限正L高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS一51指令集和輸出管腳相兼容。所以確定讀卡周期＝ 秒，讀卡時間＝120uS：讀卡距離取決與發(fā)射功率和接受靈敏度，按開闊地電磁波衰減公式：［Lfs］(dB)=+20lgd(km)+20lgf(MHz)如果發(fā)射功率為 0dbm，F(xiàn)=2400MHZ，接受靈敏度為90dbm，卡天線增益為3db，閱讀器天線增益為 0db，通訊距離為 d，大氣隨機衰落為 30db，20log(d)＝(2400)330=