【導讀】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、實現(xiàn)快速救援的重要手段。現(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)實意義。和應用程序的流程圖;最后討論了系統(tǒng)的調試及抗干擾措施。另外，論文還對頻識別技。術的工作原理、防沖突策略以及其在井下人員定位系統(tǒng)中的可靠應用展開深入的研究，并與其他多項自動識別技術進行了對比分析。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)實時性、可靠性等要求，并且數(shù)據(jù)量較小的特點，提出應用CAN總。最終并完成了監(jiān)控節(jié)點硬件、電子標簽軟件、監(jiān)。統(tǒng)完全可以應用到煤礦滿足井下人員跟蹤定位的要求。項先進的技術，來實現(xiàn)對礦井的自動監(jiān)控與定位。不同的擴充，實現(xiàn)語音、短信等功能。例如高速公路收費的車載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產生高頻的發(fā)射功率，以啟動標簽并為其提供能量 。對發(fā)射信號進行調制，用于將數(shù)據(jù)傳送給標簽 。接收并調制來自標簽的高頻信號。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 。控制與標簽的通信過程 。信號的編碼與解碼 。對于復雜系統(tǒng)，控制單元還可能具有以下功 能執(zhí)行防沖突算法 。對標簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密 。進行標簽與閱讀器之間的身份驗證等。 電子標簽 無線電子標簽技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。電子標簽是由IC 芯片和無線通信天線組成的小標簽。標簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實際應用中，無線標簽附著在待識別物體的表面。 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)。標簽中儲存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)應用和相應的標準決定的。例如，標簽能夠提 供產品生產，運輸，存儲情況，也可以辨別機器，動物和個體身份。類似于條形碼中存儲的信息，標簽還可以連接到數(shù)據(jù)庫，存儲產品庫存編號，當前位置，狀態(tài)，售價，批號的信息。相應的，射頻標簽在讀取數(shù)據(jù)時不用參照數(shù)據(jù)庫可以直接確定代碼的含義。 技術標準 技術標準國際上制定 RFID 標準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 技術應用規(guī)范都有各自的目標與發(fā)展規(guī)劃。也有人說是 EPC 和 UID 兩大系列。這些標準各自具有不同的特點。目前， EPC標準在案例方面和企業(yè)支持力度方面具有一定的領先優(yōu)勢，已經成功地實現(xiàn)了從 GENI 到GENZ 的演進，許多符合 GENZ 的產品已經面世。 ISO 標準則秉持標準的基本理念，少了一些商業(yè)利益，更側重標準的中立性，因此對于加速 RFID 產業(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 國際標準主要有 ISO/IEC18000 標準， ISO18000只規(guī)定了空氣接口協(xié)議，對數(shù)據(jù)內容和數(shù)據(jù)結構無限制，因此可用于 EPC。 標簽成本 標簽成本標簽價格一直是制約 RFID 推廣應用的一個瓶頸。與廉價的條形碼相比，RFID標簽昂貴的價格，讓眾多廠商望而卻步。因此，制造低成本的標簽，是解決問題的關鍵所在，許多大公司投入大量人力物力，進行低成本標簽的研究。由于集成電路的飛速發(fā)展，工藝水平地不斷提高，制造低成本標簽己經指日可待。目前一般電子標簽的價格約為 50 美分，隨著應用市場的進一步擴大，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專利的生產過程可以降低射頻標簽的生產成本。該公司宣稱，這一過程可以生產出成本在 510美分的標簽，此時生產規(guī)模必須達到至少 10億個標簽。這一標簽會支持電子產品碼標準。其中 射頻標簽采用的微芯片僅僅 ， 而采用該芯片的標簽也不過 。迄今為止，該射頻標簽是成本最低的硅芯片標簽。具體見圖 33所示。 圖 33 Smartcode 公司推出的世界最小的標簽芯片 有源與無源標簽的選取 電子標簽內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 電子標簽 ，它將接收到的無線射頻能量轉換成為 標簽 工作電流。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，目前國內用于煤礦井下人員定位的產品只有少 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。這些產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： 遠距離無源卡、半有源卡的缺點：需要大功率輻射的讀卡設備，不可能達到煤安要求，且高場強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、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用的案例。 基于 433MISM 波段的無線通訊有源卡 的主要缺點有：無線通訊數(shù)據(jù)率很低（ ） ,從而引起讀卡速度慢，實際同時讀卡數(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，不能實現(xiàn)可靠的盲讀，市場反應并不太好，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。 1）有效工作距離長：有效增加識別距離，在一次通過 閱讀器 的視場時實現(xiàn)多次閱讀，保證盲讀的可靠性。 2）防沖突：先進的防碰撞算法技術，在 秒的讀卡周期內可同時識別多達 5800 個標識。 3）高速度：每次讀卡僅需 120uS, 每 秒掃描全部視場內的卡，在 50 米的讀卡距離內可以 有效閱讀 50km/小時移動目標 3 次以上。 4）可定義的方向性：可實現(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 : 采用擴頻技術，對現(xiàn)場各種干擾源無特殊要求。 在進行上述的調研和分析后，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簽。 21 工作頻率的選擇 工作頻率的選擇既要適應各種不同應用的需求，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。當前 RFID 工作頻率跨越多個頻段，不同頻段具有各自優(yōu)缺點，它既影響標簽的性能和尺寸，還影響標簽與閱讀器的價格。 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，低頻段標簽的成本相對較低，信號穿透力強。主要應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，且通訊質量較好，適于長距離應用。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。主要應用于需要較長的讀寫距離以及高讀寫速度的系統(tǒng)。因此，我們應該根據(jù)實際應用的場合，合理地選擇標簽工作頻率，以達到最佳工作效率。 具體參數(shù)見如下表 31所示。 表 31 RFID 技術主要參數(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 米 米 達 米 達 米 達 4米（ ） 達 15米 （ ） 速度 不快 小于 5秒（ 5kb為 5 秒） 中 （ 米 /秒） 非?？? （ 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。但是礦井巷道內情況十分復雜，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，低頻標簽比超高頻便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強，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，同時標簽的防沖撞功能不好。高頻標簽屬于中短距識別，識別距離通常也小于lm。 如 采用頻率為 一 這個頻段的頻率，可以在較遠距離的識別出 RFID電子標簽，而且其讀卡數(shù)度很快，這種情況比較適合于煤礦井下，因為煤礦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，滿足煤礦井下實際需求，我采用了 的頻率設計本系統(tǒng)。 ． 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。這里，我選的是 DC8320B 有源電子標簽 。如圖 34所示 圖 34 DC8320B有 源電子標簽 產品描述： 1. DC8320B 有源電子標簽是 DC8310B 的升級版，在此基礎之上增加了定位、防水等功能； 2. 適合采用跳頻工作模式，具有超強抗干擾能力； 3. 用戶可自定義讀寫標準數(shù)據(jù)，使專門的應用系統(tǒng)效率更加快捷； 80米以上 (與讀寫器和天線有關 ).超寬工作頻段設計，既符合相關行業(yè)規(guī)定，又能進行靈活的開發(fā)應用； 5. 可同時讀寫多個標簽（多達 50 個 /秒以上），而不受工作區(qū)內標簽數(shù)量的限制和影響； 6. 存儲區(qū)供用戶進行加密讀、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： 型 號 DC8320B 標簽類別 卡狀 工作頻率 感應方式 主動感應模式 識別距離 380 米 材質 PET,耐高溫 ,防水 外型尺寸 85*55* 重量 20g 電池 內置紐扣鋰電 ,可連續(xù)使用 2 年 23 RFID 天線研究 標簽天線和閱讀器天線分別承擔接受能量和發(fā)射能量的作用。在不同的應用場合，RFID 標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部。 RFID電子標簽在要求低成本的同時，還要求有高的可靠性，這些 因素對天線的設計提出嚴格的要求。目前，有關 RFID 天線的研究主要集中在研究天線結構和環(huán)境因素對天線性能的影響上。天線結構決定天線的方向圖、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計包括兩方面：一是電子標簽天線的設計問題，一是閱讀器天線的設計問題。通過分析計算電波在空間傳輸?shù)膿p耗，對天 線增益指標提出了要求，這里我們再對天線的具體設計思路給出分析： 頻率的波長是 。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，并采用實驗方法調整天線與電路的阻抗匹配使其達到最佳能量轉換效果，保證天線輻射有效增益不低于 3dB。電子標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，電子標簽的狀態(tài)隨機變化，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，致使接收信號質量變差，系統(tǒng)不可靠。為此，閱讀器天線宜設計成圓極化天線。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計時，其圓極化增益應大于 3dB，考慮余量，應大于 5dB 設計。 防沖突技術研究 鑒于多個 RFID 電子標簽工作在同一頻率，當它們處于同一個閱讀器的作用范圍內時，在沒有防沖突機制的情況下，信息傳輸過程將產生沖突，導致信 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，其實就是多點對多點的無線通訊，如何防止井下人員定位系統(tǒng)中的通訊沖突成了方案實現(xiàn)的關鍵。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簽碰撞。其中，射頻識別標簽碰撞是指多個頻率相同的識別標簽通過同一 閱讀器 時的碰撞問題，這種碰撞通常需要硬件設計來防止，現(xiàn)在各廠商所生產的射頻識別標簽和 閱讀器 都具有標簽防碰撞功能，一個 閱讀器 可以有效識別多個標簽 。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。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，標簽 Tl向 閱讀器 Rl 傳送標簽信息時，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 對識別標簽的干擾 :指的是多個 閱讀器 同時讀取 1 個標簽，標簽受到頻率干擾，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 同時讀取標簽 Tl，以至標簽 Tl無法正確的傳送標簽信息，導致對標簽 Tl 讀取失敗。 圖 36 多個 閱讀器 對標簽的干擾