【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 研制的 KJ93 礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)主要也是側(cè)重于安全參數(shù)的檢測(cè)。井下人員定位系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。目前國(guó)外己有類(lèi)似產(chǎn)品。像國(guó)外的英國(guó)雪普 (SPR 刃阿 T)工業(yè)電氣集團(tuán)，美國(guó)安菲斯科技發(fā)展有限公司與澳大利亞礦山技術(shù)公司的 MS 系統(tǒng)。但是這些系統(tǒng)功能都還不盡完善，造價(jià)太高，性能還不夠可靠。近期國(guó)內(nèi)有煤礦迫于煤礦安全生產(chǎn)的需要，準(zhǔn)備斥巨資引進(jìn)國(guó)外的的系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)也只是處于研發(fā)階段，未見(jiàn)有應(yīng)用的紀(jì)錄。國(guó)內(nèi)如北京京天威 .交大威克科技發(fā)展公司，煤炭科學(xué)研究總院常州自動(dòng)化研究所的 KJ69 型。我們?cè)趶V泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其功能滿(mǎn)足現(xiàn)代化礦井的安全監(jiān)控要求，對(duì)煤炭的安全生產(chǎn)必將起到重大的推動(dòng)作用。 本課題主要內(nèi)容 本課題主要研究井下人員定位系統(tǒng)在礦井中的應(yīng)用與原理。在系統(tǒng)中，確定了本系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)。每個(gè)井下人員攜帶一個(gè)標(biāo)示卡即標(biāo)簽，每一標(biāo)簽有唯一的 ID 與相關(guān)人員對(duì)應(yīng)，讀寫(xiě)器 安裝在不同的地方 有不同的地址。當(dāng)井下人員經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)器時(shí)的讀寫(xiě)區(qū)域時(shí)，他們隨身攜帶的標(biāo)簽將向讀寫(xiě)器發(fā)送 ID 信息，讀寫(xiě)器收到地址信息后，向上位計(jì)算機(jī)傳輸收到的人員 ID，上位機(jī)通過(guò)處理來(lái)判斷井下人員的 位置情況。井下人員標(biāo)簽和讀寫(xiě)器構(gòu)成了井下硬件網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)的軟件則由操作界面和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)構(gòu)成。 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是； 組成及原理 硬件的 設(shè)計(jì) 、 安裝 5. 基于組態(tài)軟件 InTouch 的系統(tǒng)界面設(shè)計(jì) 本章小結(jié) 本章主要講述了當(dāng)前中國(guó)煤炭生產(chǎn)面臨的問(wèn)題，尤其是井下生產(chǎn)的安全對(duì)整個(gè)煤炭系統(tǒng)有著重要的意義，建立一套有效地井下人員定位系統(tǒng)是非常迫切的。對(duì)國(guó)內(nèi)外井下人員定位的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，以及本文所要完成的內(nèi)容。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 2 射頻識(shí)別技術(shù) 井下無(wú)線(xiàn)通信的現(xiàn)狀 井下無(wú)線(xiàn)通信是一個(gè)世界性的難題，盡管多年來(lái)世界許多國(guó)家也研究了一些許多井下通訊設(shè)備，但是效果并不太理想。因?yàn)榫碌臒o(wú)線(xiàn)通信相對(duì)地面的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境要復(fù)雜得多。 90 年代中期，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是通信技術(shù)的發(fā)展，井下無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)入了實(shí)用階段。但是地下的通信很復(fù)雜，著實(shí)難以進(jìn)行理論研究，故大多是以實(shí)驗(yàn)為主進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)表明，在中短波頻段，井下隧道對(duì)信號(hào)的衰減最大，傳輸距離最近。在超短波頻段，通信的距離隨著頻率的升高而增大。這種單調(diào)的反比是由于隧道對(duì)超高 頻的電波呈導(dǎo)波作用引起因而傳輸距離改善，傳輸距離增大。在微波段，隨著頻率的升高衰減很小。上述實(shí)驗(yàn)表明，隧道可以認(rèn)為是微波的波導(dǎo)型通道，所以要實(shí)現(xiàn)井下通信必須采用較高的頻率。 目前井下的通信方式有以下幾種： （ 1） 低頻引導(dǎo)通信 低頻引導(dǎo)通信是工作在幾百 kb 的低頻段，利用同軸電纜引導(dǎo)傳輸。在每幾百米的電纜上安裝一個(gè)輻射器，使信號(hào)向巷道內(nèi)輻射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下的無(wú)線(xiàn)通信，電纜傳輸信號(hào)損耗小，傳輸距離大，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，造價(jià)簡(jiǎn)單。但是井下環(huán)境惡劣存在各種干擾信號(hào)，使低頻信號(hào)不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)誤碼率高，數(shù)據(jù)可信度低。 （ 2） 短波 泄露通信 短波泄露通信是使用泄露同軸電纜引導(dǎo)信號(hào)傳輸，同軸泄露電纜比普通同軸電纜損耗大得多，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，頻率通常選在 20150MHz 之間。未來(lái)彌補(bǔ)能量的損耗，通常在每隔幾百米的地方安裝雙向中繼器。由于短波在井下的傳輸條件最差，損耗最大，因此受到的干擾也最小，通信的可靠性最高。但是需要中繼器，系統(tǒng)造價(jià)昂貴。 （ 3）微波頻段通信 微波是一種頻率極高，波長(zhǎng)極端 (通常 1mm1m）電磁波。在微波段，由于頻率極高，電波的繞射能力比較弱，所以信號(hào)的傳輸主要是電波在視線(xiàn)距內(nèi)的傳播，也稱(chēng)視距傳播。這種傳播具有傳輸 穩(wěn)定，受外界干擾小的特點(diǎn)。但是在傳播過(guò)程中也難免會(huì)受到環(huán)境與地形的影響，被反射折射散射和吸收的影響，故會(huì)產(chǎn)生傳輸衰落與失真。 考慮到井下復(fù)雜的地理環(huán)境，所以方案采用射頻識(shí)別技術(shù)，下面將介紹此技術(shù)在井下的原理與應(yīng)用。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 射頻識(shí)別技術(shù)概述 射頻識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng) RFID，是英文“ Radio Frequency Identification”的縮寫(xiě)，中文稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)射頻身份識(shí)別技術(shù)，是一種無(wú)接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它的基本原理是利用射頻信號(hào)及其空間藕合、傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止或移動(dòng)的待識(shí)別物品的自動(dòng)機(jī)器識(shí)別。由于大規(guī)模集成電 路技術(shù)的日益成熟，使得射頻識(shí)別系統(tǒng)的體積大大減小，從而進(jìn)入了實(shí)用化階段。與早期或同期的接觸式識(shí)別技術(shù)不同，系統(tǒng)的電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間無(wú)需接觸就可完成識(shí)別與數(shù)據(jù)交換，因而它可在更廣泛的場(chǎng)合中使用。 它主要的核心部件是電子標(biāo)簽，通過(guò)相距幾厘米到幾米距離內(nèi)讀寫(xiě)器發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電波，可以讀取電子標(biāo)簽內(nèi)儲(chǔ)存的信息，識(shí)別電子標(biāo)簽代表的人，物體和器具的身份。由于 RFID 標(biāo)簽的儲(chǔ)存容量可以是 2 的 96 次方以上，它徹底拋棄了條形碼的種種限制，使世界上的每一種商品都可以擁有獨(dú)一無(wú)二的電子標(biāo)簽。況且，貼上這種電子標(biāo)簽的商品，從它在工廠(chǎng) 的流水線(xiàn)上開(kāi)始，到被擺上商場(chǎng)的貨架，再到消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)結(jié)帳，甚至到標(biāo)簽最后被回收的整個(gè)過(guò)程都能夠被追蹤管理。 射頻識(shí)別技術(shù)具有很多突出點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)： RFID 技術(shù)不需要人工干預(yù)，不需要直接接觸、不需要光學(xué)可視即可完成信息輸入和處理，可工作于各種惡劣環(huán)境，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，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)，機(jī)具無(wú)直接對(duì)最終用戶(hù)開(kāi)放的物理接口，能更好地保證機(jī)具的安全性；數(shù)據(jù)安全方面除標(biāo)簽的密碼保護(hù)外，數(shù)據(jù)部分可用一些算法實(shí)現(xiàn)安全管理，如 DES、 RSA、 DSA、 MD5 等，讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間也可相互認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)安全通訊和存儲(chǔ)；總體成本一直處于下降之中，越來(lái)越接近接觸式 IC 卡的成本，甚至更低，為其大量應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。如果 RFID 技術(shù)能與電子供應(yīng)鏈緊密聯(lián)系，那么它很有可能在幾年之內(nèi)取代條形碼掃描技術(shù)。 射頻識(shí)別技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，逐漸地被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通、運(yùn)輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步以及生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，射頻識(shí)別產(chǎn)品的成本將不斷降低，其應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。 射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)外發(fā)展非常迅速，射頻識(shí)別產(chǎn)品 種類(lèi)繁多。在北美、歐洲、大洋洲、亞太地區(qū)及非洲南部，射頻識(shí)別技術(shù)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)輸控制管理等眾多領(lǐng)域，如汽車(chē)、火車(chē)等交通監(jiān)控，高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)，停車(chē)場(chǎng)管理系統(tǒng)，物品管理，流水線(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，安全出入檢查，倉(cāng)存管理，動(dòng)物管理，車(chē)輛防盜等。而在中國(guó)由于射頻識(shí)別技術(shù)起步較晚，應(yīng)用的領(lǐng)域不是很廣。目前，射頻標(biāo)簽主要應(yīng)用于公共交通、地鐵、校園、社會(huì)保障等方面。上海、深圳、北京等地陸續(xù)采用了射頻公交卡。其中我國(guó)射頻標(biāo)簽應(yīng)用最大的項(xiàng)目是第二代公民身份證。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 總之，射頻識(shí)別技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展中結(jié)合其 他高新技術(shù)，如 GPS、生物識(shí)別等技術(shù)，由單一識(shí)別向多功能識(shí)別方向發(fā)展的同時(shí)，將結(jié)合現(xiàn)代通訊技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨行業(yè)應(yīng)用。 射頻識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成 射頻識(shí)別系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)三部分組成，如圖 2－ 1 所示。 圖 2－ 1 射頻識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 (1)電子標(biāo)簽 電子標(biāo)簽 （又叫射頻標(biāo)簽 、射頻卡 ） 存儲(chǔ)著需要被識(shí)別物品的相關(guān)信息，通常被放置在需要識(shí)別的物品上，它所存儲(chǔ)的信息通常可被射頻讀寫(xiě)器通過(guò)非接觸的方式讀 /寫(xiě)獲取。標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物 體上表示目標(biāo)對(duì)象，電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。一般情況下，電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線(xiàn)和標(biāo)簽專(zhuān)用芯片組成。 根據(jù)電子標(biāo)簽供電方式不同，電子標(biāo)簽可以分為有源電子標(biāo)簽和無(wú)源電子標(biāo)簽。有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，為芯片提供電源。根據(jù)電池供電情況的不同又可分為有源和半有源。半有源射頻標(biāo)簽內(nèi)的電池僅對(duì)標(biāo)簽內(nèi)要求供電維護(hù)數(shù)據(jù)的電路或者標(biāo)簽芯片工作所需電壓的輔助支持。標(biāo)簽未進(jìn)入工作狀態(tài)前，一直處于休眠狀態(tài)，相當(dāng)于無(wú)源標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)部能量損耗很小。因而電池可以維持很長(zhǎng)時(shí)間，達(dá)幾年之久。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的工作區(qū)域時(shí)，受到閱讀器發(fā)出 的射頻信號(hào)的激勵(lì)，從而進(jìn)入工作狀態(tài)。標(biāo)簽和閱讀器之間的信息交換的能量支持以閱讀器的射頻能量為主（發(fā)射調(diào)制方式），標(biāo)簽內(nèi)部的電池主要作用是彌補(bǔ)標(biāo)簽所處位置的射頻磁場(chǎng)不足，標(biāo)簽內(nèi)部的能量并不能轉(zhuǎn)換為射頻能量。無(wú)源的射頻標(biāo)簽內(nèi)有偶和元件，通過(guò)耦合外電磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生電流供系統(tǒng)工作。 (2) 讀寫(xiě)器 讀寫(xiě)器是可以利用射頻技術(shù)讀 /寫(xiě)電子標(biāo)簽信息的設(shè)備。讀寫(xiě)器讀出的標(biāo)簽信息可以通過(guò)計(jì)算機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行管理和信息傳輸。 典型 的讀寫(xiě)器包含有高頻中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 模塊（發(fā)送器和接收器），控制單元以及閱讀器天線(xiàn)。此外許多閱讀器還有附加的接口（ RS23 RS48以太網(wǎng)接口等），以便將所獲得的數(shù)據(jù)傳向應(yīng)用系統(tǒng)或從應(yīng)用系統(tǒng)接收命令。讀寫(xiě)器的基本組成如圖 2－ 2所示。 圖 2－ 2 讀寫(xiě)器的基本結(jié)構(gòu) (3)計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò) 在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)通常用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，完成通訊傳輸功能。讀寫(xiě)器可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)連接，以便實(shí)現(xiàn)通訊和數(shù)據(jù)傳輸功能。 射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本工作流程如下： (1) 讀寫(xiě)器將無(wú)線(xiàn)電載波信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射天線(xiàn)向外發(fā)射； (2) 當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線(xiàn)的工 作區(qū)域時(shí)，電子標(biāo)簽被激活，將自身信息的代碼經(jīng)天線(xiàn)發(fā)射出去； (3) 系統(tǒng)的接收天線(xiàn)接收電子標(biāo)簽發(fā)出的載波信號(hào)，經(jīng)天線(xiàn)的調(diào)節(jié)器傳輸給讀寫(xiě)器。讀寫(xiě)器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解碼，送往后臺(tái)的電腦控制器； (4) 電腦控制器根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)簽的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作； (5) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照電腦的指令動(dòng)作； (6) 通過(guò)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)連接起來(lái)，構(gòu)成總控信息平臺(tái)，可以根據(jù)不同的的軟件來(lái)完成要實(shí)現(xiàn)的功能。 射頻 識(shí)別卡 分類(lèi) （ 1）根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率通常把讀寫(xiě)器發(fā)送信 號(hào)時(shí)使用的頻率稱(chēng)作射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率可分為： ? 低頻系統(tǒng)一般工作在 100～ 500HZ； ? 中頻系統(tǒng)工作在左右 10～ 15MHZ 左右； ? 射頻系統(tǒng)則工作在 850～ 950MHZ，以及 、 的微波頻段。 （ 2）根據(jù)能否給射頻卡寫(xiě)入數(shù)據(jù) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) ? 可讀寫(xiě)卡（ RW），如電話(huà)卡、信用卡等。 ? 一次寫(xiě)入多次讀出卡 (WORM)，是用戶(hù)可以一次性寫(xiě)入的卡，寫(xiě)入后數(shù)據(jù)不能改變， WORM 比 RM 便宜。 ? 只讀卡（ RO），存有一個(gè)唯一的號(hào)碼，不能改寫(xiě)，這樣提供了安全性， RO卡最便宜。 （ 3）根據(jù)電源供電方式，射頻卡也可分為有源與無(wú) 源射頻卡。 ? 有源射頻卡使用卡內(nèi)電流的能量、允許卡的操作距離較遠(yuǎn)，適合動(dòng)態(tài)的井下工作人員定位，是煤礦井下工作人員定位系統(tǒng)發(fā)展的方向，但是它的壽命有限，且價(jià)格較高； ? 無(wú)源電磁感應(yīng)式射頻卡不含電池，利用讀寫(xiě)器輻射的電磁場(chǎng)能量作為自己的能量，它的重量輕、體積小，壽命可以非常長(zhǎng)、很便宜，但由于卡面限制，天線(xiàn)尺寸有限，射頻信號(hào)不強(qiáng)，因此其工作距離不遠(yuǎn)一般（ 10cm），通信速率也低（ 106），且需要讀寫(xiě)器的發(fā)射功率大。 （ 4）根據(jù)調(diào)制方式的不同還可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式 ? 主動(dòng)式是指其上行信號(hào)的載波來(lái)自于射頻卡本身的微波本振源 。主動(dòng)式射頻卡中一定有電池提供能量，主動(dòng)式的射頻卡用自身的射頻能量主動(dòng)地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫(xiě)器，主要用于有障礙物的應(yīng)用中，距離較遠(yuǎn)（可達(dá) 30 米）； ? 被動(dòng)式是指其上行信號(hào)的載波來(lái)自于讀寫(xiě)器。被動(dòng)式射頻卡使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用閱讀器讀寫(xiě)器的載波調(diào)制自己的信號(hào)，適宜在人員定位、門(mén)禁或交通的應(yīng)用中使用。被動(dòng)式射頻卡根據(jù)工作需求可帶電池也可不帶電池，由于被動(dòng)式省去了昂貴的微波本振源，因而降低了射頻卡的成本，有利于煤礦井下人員定位系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，而得到越來(lái)越多的重視。 （ 5）根據(jù)射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本工作方式，可分 為雙工系統(tǒng)和時(shí)序系統(tǒng)。 ? 在雙工系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽的應(yīng)答響應(yīng)信號(hào)與讀寫(xiě)器的發(fā)射信號(hào)同時(shí)存在； ? 在時(shí)序系統(tǒng)中讀寫(xiě)器的電磁場(chǎng)周期性地接通，在這些間隔中電子標(biāo)簽向讀寫(xiě)器發(fā)送信號(hào)并被識(shí)別出來(lái)。 射頻技術(shù)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn) FRID 技術(shù)是一種直接繼承了雷達(dá)的概念并 由此發(fā)展起來(lái)的具有革命性的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。最初的射頻識(shí)別技術(shù)被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，主要用于敵我雙方的飛機(jī)識(shí)別。到了 70 年代美國(guó)通過(guò) LosAlmos 科學(xué)實(shí)驗(yàn)室將 FRID 技術(shù)轉(zhuǎn)移到民間用于畜牧業(yè)。到了 80 年代美國(guó)與歐洲的幾家公司開(kāi)始著手生產(chǎn) FRID 卷標(biāo)。如今，他在工業(yè) 、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、日常生活領(lǐng)域顯示著巨大的潛力和應(yīng)用空間。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 隨著全球 FRID 產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，制定一套 FRID 的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛認(rèn)同。目前常用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要有用于對(duì)動(dòng)物識(shí)別的 ISO11784 和 ISO11785，用于非接觸智能卡的 ISO10536(Close coup