【導(dǎo)讀】開題時間：2020年3月15日·定位系統(tǒng)是保證井下工作人員安全、實(shí)現(xiàn)快速救援的重要手段?，F(xiàn)有的礦井安全監(jiān)測監(jiān)。礦井下員工的具體位置與分布情況等重要數(shù)據(jù)不能及時傳。到井上監(jiān)制中心，這些都是礦難事故頻發(fā)而營救效率十分低下的癥結(jié)所在。一套完善的煤礦井下人員定位系統(tǒng)具有重大現(xiàn)實(shí)意義。和應(yīng)用程序的流程圖;最后討論了系統(tǒng)的調(diào)試及抗干擾措施。另外，論文還對頻識別技。術(shù)的工作原理、防沖突策略以及其在井下人員定位系統(tǒng)中的可靠應(yīng)用展開深入的研究，并與其他多項(xiàng)自動識別技術(shù)進(jìn)行了對比分析。總線、工業(yè)以太網(wǎng)、CAN現(xiàn)場總線、基金會現(xiàn)場總線和PROFIBUS. 根據(jù)該系統(tǒng)實(shí)時性、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。最終并完成了監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件、電子標(biāo)簽軟件、監(jiān)。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。項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)對礦井的自動監(jiān)控與定位。不同的擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)語音、短信等功能。例如高速公路收費(fèi)的車載RFID系統(tǒng)，電子門鎖防盜裝置等需要信息識別

　　

【正文】 或者將接收到的模擬信號解碼成數(shù)字信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼、防碰撞等。 19 二 .硬件部分 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。閱讀器的高頻接口主要完成如下任務(wù)產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，以啟動標(biāo)簽并為其提供能量 。對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給標(biāo)簽 。接收并調(diào)制來自標(biāo)簽的高頻信號。閱讀器的控制單元擔(dān)負(fù)如下任務(wù)與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令 。控制與標(biāo)簽的通信過程 。信號的編碼與解碼 。對于復(fù)雜系統(tǒng)，控制單元還可能具有以下功 能執(zhí)行防沖突算法 。對標(biāo)簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密 。進(jìn)行標(biāo)簽與閱讀器之間的身份驗(yàn)證等。 電子標(biāo)簽 無線電子標(biāo)簽技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。電子標(biāo)簽是由IC 芯片和無線通信天線組成的小標(biāo)簽。標(biāo)簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，無線標(biāo)簽附著在待識別物體的表面。 射頻標(biāo)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)。標(biāo)簽中儲存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)應(yīng)用和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)決定的。例如，標(biāo)簽?zāi)軌蛱?供產(chǎn)品生產(chǎn)，運(yùn)輸，存儲情況，也可以辨別機(jī)器，動物和個體身份。類似于條形碼中存儲的信息，標(biāo)簽還可以連接到數(shù)據(jù)庫，存儲產(chǎn)品庫存編號，當(dāng)前位置，狀態(tài)，售價，批號的信息。相應(yīng)的，射頻標(biāo)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。 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)國際上制定 RFID 標(biāo)準(zhǔn)的組織比較著名的有三個 ISO， EPcglobal 以及日本的 UbiquitousIDCenter，這三個組織對 RFID 技術(shù)應(yīng)用規(guī)范都有各自的目標(biāo)與發(fā)展規(guī)劃。也有人說是 EPC 和 UID 兩大系列。這些標(biāo)準(zhǔn)各自具有不同的特點(diǎn)。目前， EPC標(biāo)準(zhǔn)在案例方面和企業(yè)支持力度方面具有一定的領(lǐng)先優(yōu)勢，已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了從 GENI 到GENZ 的演進(jìn)，許多符合 GENZ 的產(chǎn)品已經(jīng)面世。 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。目前常用的 RFID 國際標(biāo)準(zhǔn)主要有 ISO/IEC18000 標(biāo)準(zhǔn)， ISO18000只規(guī)定了空氣接口協(xié)議，對數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)無限制，因此可用于 EPC。 標(biāo)簽成本 標(biāo)簽成本標(biāo)簽價格一直是制約 RFID 推廣應(yīng)用的一個瓶頸。與廉價的條形碼相比，RFID標(biāo)簽昂貴的價格，讓眾多廠商望而卻步。因此，制造低成本的標(biāo)簽，是解決問題的關(guān)鍵所在，許多大公司投入大量人力物力，進(jìn)行低成本標(biāo)簽的研究。由于集成電路的飛速發(fā)展，工藝水平地不斷提高，制造低成本標(biāo)簽己經(jīng)指日可待。目前一般電子標(biāo)簽的價格約為 50 美分，隨著應(yīng)用市場的進(jìn)一步擴(kuò)大，價格將逐步降為 25 美分甚至 5 美分。Smartcode 公司宣布他們擁有一項(xiàng)專利的生產(chǎn)過程可以降低射頻標(biāo)簽的生產(chǎn)成本。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，此時生產(chǎn)規(guī)模必須達(dá)到至少 10億個標(biāo)簽。這一標(biāo)簽會支持電子產(chǎn)品碼標(biāo)準(zhǔn)。其中 射頻標(biāo)簽采用的微芯片僅僅 ， 而采用該芯片的標(biāo)簽也不過 。迄今為止，該射頻標(biāo)簽是成本最低的硅芯片標(biāo)簽。具體見圖 33所示。 圖 33 Smartcode 公司推出的世界最小的標(biāo)簽芯片 有源與無源標(biāo)簽的選取 電子標(biāo)簽內(nèi)加裝電池稱為有源卡，不加裝電池稱為無源卡。有源卡通過電池來提供電源，無源卡是通過無線頻射來獲得工作電源的 電子標(biāo)簽 ，它將接收到的無線射頻能量轉(zhuǎn)換成為 標(biāo)簽 工作電流。如何實(shí)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(shù)有：遠(yuǎn)距離無源卡、半有源卡和基于 433M ISM 波段的無線通訊有源卡。這些產(chǎn)品都有其固有缺陷而難以在煤礦普及使用，其缺陷主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 遠(yuǎn)距離無源卡、半有源卡的缺點(diǎn)：需要大功率輻射的讀卡設(shè)備，不可能達(dá)到煤安要求，且高場強(qiáng)的讀取電波輻射也是難以滿足煤安要求的，且可能對人體造成傷害；其次無源卡對人體感應(yīng)、卡與讀取天線的相對方向、金屬物接近等十分敏感，造成讀卡不可靠，不可能做到盲讀，所以沒有真正在井下成功應(yīng)用的案例。 基于 433MISM 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)際同時讀卡數(shù)量少（ 4 卡），讀卡模塊和卡的功耗很高。通常將卡集成在礦燈里，這對礦燈的使用是有疑問的，由于讀卡能力太弱，不能實(shí)現(xiàn)可靠的盲讀，市場反應(yīng)并不太好，只有少數(shù)的礦在試用。 因此，考慮利用有源 RFID 電子標(biāo)簽有以下優(yōu)點(diǎn)，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。 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(shí)現(xiàn)多次閱讀，保證盲讀的可靠性。 2）防沖突：先進(jìn)的防碰撞算法技術(shù)，在 秒的讀卡周期內(nèi)可同時識別多達(dá) 5800 個標(biāo)識。 3）高速度：每次讀卡僅需 120uS, 每 秒掃描全部視場內(nèi)的卡，在 50 米的讀卡距離內(nèi)可以 有效閱讀 50km/小時移動目標(biāo) 3 次以上。 4）可定義的方向性：可實(shí)現(xiàn)有方向性和無方向性的識別。 5）超低功耗：更健康、更安全和更長的電池壽命。 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。 在進(jìn)行上述的調(diào)研和分析后，本系統(tǒng)使用的是對數(shù)據(jù)通信范圍較廣的有源電子標(biāo)簽。 21 工作頻率的選擇 工作頻率的選擇既要適應(yīng)各種不同應(yīng)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。當(dāng)前 RFID 工作頻率跨越多個頻段，不同頻段具有各自優(yōu)缺點(diǎn)，它既影響標(biāo)簽的性能和尺寸，還影響標(biāo)簽與閱讀器的價格。 RFID 系統(tǒng)工作頻率可分為低頻 (125KHZ)、高頻 ()、超高頻 (868 一 954MHz)以及微波 ()4 種頻率。 低頻電子標(biāo)簽主要有 125kHz 和 。 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(biāo)簽的成本相對較低，信號穿透力強(qiáng)。主要應(yīng)用于距離較短和成本較低的系統(tǒng)中，比如門禁控制、校園 卡、貨物跟蹤等。中頻電子標(biāo)簽主要為 ，用于門禁控制以及需要傳輸大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。高頻頻段能量相對較高，數(shù)據(jù)傳輸率大，且通訊質(zhì)量較好，適于長距離應(yīng)用。其缺點(diǎn)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(shí)現(xiàn)無線作用范圍的全區(qū)覆蓋。主要應(yīng)用于需要較長的讀寫距離以及高讀寫速度的系統(tǒng)。因此，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的場合，合理地選擇標(biāo)簽工作頻率，以達(dá)到最佳工作效率。 具體參數(shù)見如下表 31所示。 表 31 RFID 技術(shù)主要參數(shù) 參數(shù) 低頻率 高頻率 UHF 微波 頻率 125134 KHz MHz MHz PJM MHz () 868915 MHz GHz 讀取 距離 達(dá) 米 米 達(dá) 米 達(dá) 米 達(dá) 4米（ ） 達(dá) 15米 （ ） 速度 不快 小于 5秒（ 5kb為 5 秒） 中 （ 米 /秒） 非常快 （ 4 米 /秒） 快 非?？? 注 :()相位抖動 。()在美國 。()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。但是礦井巷道內(nèi)情況十分復(fù)雜，巷 道中有鋼軌、支架、照明線和動力電纜等，巷道壁凹凸不平，巷道縱橫交錯、拐彎抹角。為保證井下通信有效、暢通，對井下信道的傳輸特性進(jìn)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。 從表 2一 1中我們能夠看出，低頻標(biāo)簽比超高頻便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強(qiáng)，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(biāo)簽的防沖撞功能不好。高頻標(biāo)簽屬于中短距識別，識別距離通常也小于lm。 如 采用頻率為 一 這個頻段的頻率，可以在較遠(yuǎn)距離的識別出 RFID電子標(biāo)簽，而且其讀卡數(shù)度很快，這種情況比較適合于煤礦井下，因?yàn)槊旱V井下通常人員與巷道壁的距離一般為十米左右，而且人員與礦車是有一定的移動速度的，為了提高系統(tǒng)的識別率，滿足煤礦井下實(shí)際需求，我采用了 的頻率設(shè)計本系統(tǒng)。 ． 5電子標(biāo)簽的選型 鑒于上面對 RFID 技術(shù)在井下定位的應(yīng)用的研究，對電子標(biāo)簽的選型就有了一個初步的確定。這里，我選的是 DC8320B 有源電子標(biāo)簽 。如圖 34所示 圖 34 DC8320B有 源電子標(biāo)簽 產(chǎn)品描述： 1. DC8320B 有源電子標(biāo)簽是 DC8310B 的升級版，在此基礎(chǔ)之上增加了定位、防水等功能； 2. 適合采用跳頻工作模式，具有超強(qiáng)抗干擾能力； 3. 用戶可自定義讀寫標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，使專門的應(yīng)用系統(tǒng)效率更加快捷； 80米以上 (與讀寫器和天線有關(guān) ).超寬工作頻段設(shè)計，既符合相關(guān)行業(yè)規(guī)定，又能進(jìn)行靈活的開發(fā)應(yīng)用； 5. 可同時讀寫多個標(biāo)簽（多達(dá) 50 個 /秒以上），而不受工作區(qū)內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量的限制和影響； 6. 存儲區(qū)供用戶進(jìn)行加密讀、寫、擦除再寫操作，還開辟指定用戶專用的永 久專用字區(qū)。 性能指標(biāo)： 型 號 DC8320B 標(biāo)簽類別 卡狀 工作頻率 感應(yīng)方式 主動感應(yīng)模式 識別距離 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 23 RFID 天線研究 標(biāo)簽天線和閱讀器天線分別承擔(dān)接受能量和發(fā)射能量的作用。在不同的應(yīng)用場合，RFID 標(biāo)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。 RFID電子標(biāo)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(shè)計提出嚴(yán)格的要求。目前，有關(guān) RFID 天線的研究主要集中在研究天線結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對天線性能的影響上。天線結(jié)構(gòu)決定天線的方向圖、極化方向、阻抗特性、駐波比、天線增益和工作頻段等特性。而天線的特性不僅受所標(biāo)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。如金屬物體對電磁信號有衰減作用，金屬表面對信號有反射作用，以及金屬和寬頻信號源產(chǎn)生的電磁屏蔽和電磁干擾等影響。 對于本課題涉及到天線設(shè)計包括兩方面：一是電子標(biāo)簽天線的設(shè)計問題，一是閱讀器天線的設(shè)計問題。通過分析計算電波在空間傳輸?shù)膿p耗，對天 線增益指標(biāo)提出了要求，這里我們再對天線的具體設(shè)計思路給出分析： 頻率的波長是 ?？紤]到電子標(biāo)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(biāo)簽印制板電路共形設(shè)計，并采用實(shí)驗(yàn)方法調(diào)整天線與電路的阻抗匹配使其達(dá)到最佳能量轉(zhuǎn)換效果，保證天線輻射有效增益不低于 3dB。電子標(biāo)簽天線向空中輻射線極化波。 根據(jù)前面分析，在考慮天線極化匹配的理想情況下，閱讀器接收天線的增益不低于 0dB，但是在煤礦井下，由于巷道狹長窄小、還布滿各種線纜的傳輸媒介，電子標(biāo)簽的狀態(tài)隨機(jī)變化，電 磁波在這樣的環(huán)境空間傳播時，極化方向勢必發(fā)生變化，致使接收信號質(zhì)量變差，系統(tǒng)不可靠。為此，閱讀器天線宜設(shè)計成圓極化天線。我們知道任意一個圓極化波可以分解成兩個正交的線極化波。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。所以閱讀器天線在按圓極化形式設(shè)計時，其圓極化增益應(yīng)大于 3dB，考慮余量，應(yīng)大于 5dB 設(shè)計。 防沖突技術(shù)研究 鑒于多個 RFID 電子標(biāo)簽工作在同一頻率，當(dāng)它們處于同一個閱讀器的作用范圍內(nèi)時，在沒有防沖突機(jī)制的情況下，信息傳輸過程將產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致信 息讀取失敗。同時多個閱讀器之間工作范圍重疊也將造成沖突。 區(qū)域定位就其通訊方式而言，其實(shí)就是多點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通訊，如何防止井下人員定位系統(tǒng)中的通訊沖突成了方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。在井下人員區(qū)域定位中存在著射頻 閱讀器碰撞和射頻識別標(biāo)簽碰撞。其中，射頻識別標(biāo)簽碰撞是指多個頻率相同的識別標(biāo)簽通過同一 閱讀器 時的碰撞問題，這種碰撞通常需要硬件設(shè)計來防止，現(xiàn)在各廠商所生產(chǎn)的射頻識別標(biāo)簽和 閱讀器 都具有標(biāo)簽防碰撞功能，一個 閱讀器 可以有效識別多個標(biāo)簽 。而射頻 閱讀器 碰撞稍微復(fù)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(biāo)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(biāo)簽信號不能正常傳送，讀取數(shù)據(jù)失敗。這種情形往往發(fā)生在閱讀器 工作范圍不重疊的區(qū)域，如圖 35所示。圖 35 中，標(biāo)簽 Tl向 閱讀器 Rl 傳送標(biāo)簽信息時，受到 閱讀器 R2 的干擾，以至 Rl讀卡失敗。 圖 35 閱讀器與閱讀器之間的干擾 (2)多個 閱讀器 對識別標(biāo)簽的干擾 :指的是多個 閱讀器 同時讀取 1 個標(biāo)簽，標(biāo)簽受到頻率干擾，讀取數(shù)據(jù)失敗。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。圖 36中， 閱讀器 Rl和 R2 同時讀取標(biāo)簽 Tl，以至標(biāo)簽 Tl無法正確的傳送標(biāo)簽信息，導(dǎo)致對標(biāo)簽 Tl 讀取失敗。 圖 36 多個 閱讀器 對標(biāo)簽的干擾