【文章內(nèi)容簡介】 公司制造的一種射頻識別系統(tǒng)源信標 。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()。 1990 年 8月，美國安菲斯公司利用超低頻信號的穿透力研制開發(fā)的世界唯 一 一套可實現(xiàn)超低頻信號穿透巖層進行傳輸?shù)臒o線急救通訊系統(tǒng) (PED，即 Personal Emergeney Device 系統(tǒng) )在悉尼附近的一所煤礦投入使用。 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)導的致肯定。該系統(tǒng)能夠提供一些預(yù)先編制好的緊急信息，這些信息在緊急情況出現(xiàn) 時自動生成。該系統(tǒng)可以直接連接現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備，可以監(jiān)控多種輸入。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，可以在最短的時間內(nèi)，將替告發(fā)送給井下全部或相應(yīng)的工作人員。 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。為了加快實現(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。國內(nèi)曾由中國煤炭部安全司、中國國際技術(shù)咨詢公司連手與安菲斯公司確定合作關(guān)系，決定三方共同在中國煤炭領(lǐng)域推廣PED 系統(tǒng)。 1998 年，人同礦務(wù)局在人同煤峪口礦安裝了中國第一套 PED 系統(tǒng)。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%，最遠穿透距離達 公里。 80 年代后期，在引進外國設(shè)備的同時，消化、吸收了制造 技術(shù)，并結(jié)合我國煤礦的實際情況，先后研制出自己的監(jiān)控系統(tǒng)，如 KJ1， KJ2， KJ4， A1， KJ10， KJll， KJ22， KT， KJ95 及焦作工學院研制的 KJ93 礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等，并在我國煤礦大批使用，有的系統(tǒng)已達到國際先進水平。這些系統(tǒng)主要也是側(cè)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。 隨著自動識別技術(shù)在國內(nèi)各行各業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，國內(nèi)一些煤炭科研機構(gòu)不斷推出新一代的人員自動識別系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于下井人員的管理。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 9 管理。人員識別系統(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)裝備利用不同的識別原理對下井人員進行監(jiān)控、記錄。 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 2020 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(shè)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。礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)在完成了全部開發(fā)設(shè)計、樣機生產(chǎn)加工、實驗室性能測試和防爆檢測檢驗后 ，成套產(chǎn)品于 2020 年 10 月在重慶松藻煤電集團公司二礦、西山焦煤集團屯蘭礦、山西離柳焦煤集團有限公司朱家店煤礦第二坑口等地進行了現(xiàn)場安裝和工業(yè)性試驗。上海秀派電子科技公司 (ShangHai Super Eleamp。Tec )為專業(yè)致力于 RFID 產(chǎn)品戰(zhàn)略研究的高科技公司。該公司已經(jīng)研制成功了井下人員定位系統(tǒng)。 發(fā)展趨勢 RFID射頻識別技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為獨立跨學科的專業(yè)領(lǐng)域。 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)、半導體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護和密碼學技術(shù) 、電信技術(shù)、制造技術(shù)等）綜合起來。過去的十多年， RFID射頻識別技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐步被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多的溯源和防偽應(yīng)用領(lǐng)域。而隨著技術(shù)進步，基于 RFID射頻識別技術(shù)產(chǎn)品的種類將越來越豐富，應(yīng)用也將越來越廣泛，可預(yù)計，在今后的幾年中， RFID射頻識別技術(shù)將持續(xù)保持高速發(fā)展的勢頭。 總體而言， RFID射頻識別技術(shù)當前發(fā)展趨于標準化、低成本、低差錯率、高安全性、低功耗。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。讀寫器性能將達到：多功能（與條碼識讀集成、無線數(shù)據(jù)傳輸、脫機工作等）；智能多天線端口；多種數(shù)據(jù)接口（ RS232， RS422／ 485， USB，紅外，以太網(wǎng)口）；多制式兼容（兼容讀寫多種標簽類型）；小型化、便攜式和嵌入式，以及模塊化；多頻段兼容；成本更低。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。標準化將達 到：標準化基礎(chǔ)性研究更深入，也更成熟；標準化為更多企業(yè)所接受。系統(tǒng)和模塊將達到：可替換性更好，也更普及。自 2020年起， RFID射頻識別技術(shù)單品級應(yīng)用是全球最大的 RFID射頻識別技術(shù)應(yīng)用市場。 據(jù)預(yù)測，到 2020年，全球的 RFID射頻識別技術(shù)的應(yīng)用市場的規(guī)模將由 2020年 3億美元增至 28億美元。如果目前有關(guān) RFID電子標簽的單個條款能得到廣泛接納， RFID射頻識別技術(shù)單品級的應(yīng)用市場份額有可能遠遠超過這個數(shù)字 —— 1年中將有超過萬億的郵件使用 RFID電子標簽。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)。國際郵聯(lián)目前已經(jīng)做出決議，并且正在積極推進高效、低成本的 RFID射頻識別技術(shù)解決方案在世界各國郵政監(jiān)管中的應(yīng)用。 就技術(shù)來講目前有兩大發(fā)展內(nèi)容：發(fā)展智能安全技術(shù)，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(yīng)用的加密解密算法，這目前主要集中在 ，適合取代原接觸加密卡領(lǐng)域；發(fā)展超高頻低成本 單品級技術(shù)，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(lǐng)域。 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(shù)應(yīng)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(shù)方面的不成熟，成功開發(fā)的實例并不多。國內(nèi)也曾引進國外的先進設(shè)備，像 PED 系統(tǒng)。在引進吸收國外先進技術(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)曾先后引進國外先進的人員監(jiān)測設(shè)備，收效 尚好。但這種引進方式成本非常高，很難得到推廣。像美國安菲斯公司與煤炭部安全司、中國國際技術(shù)咨詢公司連手在大同礦務(wù)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(yīng)用。 （ 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。國內(nèi)自行研制的通訊設(shè)備針對各個煤礦的具體情況，通用性不夠。 （ 3）技術(shù)力量不成熟 國內(nèi)對井下無線通訊、遙測監(jiān)測技術(shù)的研究尚處于起步階段，目前還只是相關(guān)理論的研究，開發(fā)研制自主產(chǎn)品還需時間。 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。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)。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）無法實現(xiàn)對作業(yè)人員的情況進行實時監(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、任一時刻人員分布的具體情況。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。 （ 2）考勤時間長、效率低 國內(nèi)一些煤炭科研機構(gòu)曾利用紅外線編碼識別技術(shù)自行研 制了井下人員識別裝置，彌補井下人員監(jiān)測的不足。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。 （ 3）維護量大，成本高 像紅外線編碼識別技術(shù)需要系統(tǒng)對礦燈進行改造和維護，工作量均比較大。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。 (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。 （ 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。 11 論文的研究任務(wù)和工作 本研究的目的是利用射頻識別技術(shù)來設(shè)計一個井下人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)人員自動化管理，并為災(zāi)難發(fā)生時提供可靠的人員位置信息。具體來說就是把人員的主要信息寫入電子標簽，閱讀器自動從標簽中讀取數(shù)據(jù)，并送往后臺處理?；诖四康?，本文把整個課題的研究任務(wù)分為以下三個部分來完成 : RFID 技術(shù)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(shù)的物理基礎(chǔ) 。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。 閱讀器研究 閱讀器是整個應(yīng)用系統(tǒng)的核心，沒有它，根本不能談應(yīng)用。閱讀器設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個模塊。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。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 ?？刂茊卧O(shè)計主要完成單片機與外圍通信接口的研究 。天線分析設(shè)計的主要任務(wù)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。閱讀器軟件設(shè)計主要完成閱讀器與電子標簽的通信流程設(shè)計。 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。首先，制定了應(yīng)用程序的整體框架并使用 MFC 中的MSC0MM 控件完成 PC 機與閱讀器的通信 。接著設(shè)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(shè)計。 論文的結(jié)構(gòu)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。指出安全生產(chǎn)中的重要一環(huán)是人員 的管理與識別。將 RFID射頻識別技術(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)生時對井下人員的準確定位以便實施有效的救援具有理論和實際意義。 第 2 章介紹了 井下 RFID 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，并詳細闡述了系統(tǒng)的工作流程，另外還對本次設(shè)計的研究任務(wù)做了詳細的安排。 第 3 章對 RFID 的技術(shù)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。最后還對防沖突問題做了初步的研究。 第 4 章 是對井下系統(tǒng)的設(shè)計，主要是電子標簽和閱讀器的軟硬件設(shè) 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。 第 5 章是 RFID 系統(tǒng) 井上部分的 設(shè)計，在系統(tǒng)分析部分給出了算法流程圖和仿真結(jié)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。 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。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行了數(shù)據(jù)庫需求分析和邏輯設(shè)計。 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。 最后對論文進行了總結(jié)和展望。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。 13 第二章 總體方案設(shè)計 確定總體結(jié)構(gòu)方案 整個礦井目標監(jiān)控與定位系統(tǒng)由兩大部分組成，分為井上控制系統(tǒng)和井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在井上由中心站主機、傳輸接口等組成 。井下主要由采集站、 閱讀器、 電子 標簽 、防爆電源等組成。兩系統(tǒng)之間通過 CAN總線連接。系統(tǒng)組成框圖見圖 21 圖 21礦井監(jiān)控與定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 工作流程 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 ,安裝在礦燈上的員工 標簽 （即電子標簽），定時向采集站發(fā)出具有代表身份特征的射頻信號，同時在程序的控制下，閱讀器也不斷的將采集的瓦斯?jié)舛燃爱斍暗臏囟鹊拳h(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 標簽 n 標簽 1 ……… WidowsXP+VC++ SQL server