【導(dǎo)讀】指導(dǎo)教師評語（①基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；②獨立解決實際問題的能力；本文首先介紹了射頻識別的概念，簡述了射頻識別的發(fā)展歷程和工作原理。括井下人員射頻卡、井下射頻識別閱讀器、井下基站及其時間、存儲模塊等）。此外，對硬件電路使用的模塊都做了介紹。然后簡述了讀寫器和電子標簽的安裝。最后介紹了基于組態(tài)軟件InTouch的系統(tǒng)界面的簡單設(shè)計。

　　

【正文】 收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡(luò)中允許掛接 110 個節(jié)點。 CAN 可提供高達 1Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。當信號傳輸距離達到 10km 時， CAN 總線仍可提供高達 5kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了 CAN 的抗電磁干擾能力。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計 第 14 頁 CAN 控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán) (取決于報文標識符 )采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且 CAN 協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù) ，這些特點使得 CAN 總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)。并且 CAN 協(xié)議采用 CRC 檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。 其次， CAN 總線通過 CAN 控制器接口芯片 82C250 的兩個輸出端 CANesH 和CANL 與物理總線相連，而 Cannes 端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)， CAN_L 端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在 RS485 網(wǎng)絡(luò)中，當系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而 且 CAN 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。 另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言， CAN 總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN 總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。 (2)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點相互連接的方式。數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有星型、環(huán)型、總線型、樹型以及幾種類型的混合。每種拓撲結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點和適應(yīng)范 圍。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的選擇往往和傳輸介質(zhì)的選擇、介質(zhì)訪問控制方法的確定等緊密相關(guān)。下面就選擇拓撲結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該考慮的主要因素進行討論并給出系統(tǒng)選擇的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) : l)靈活性 在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時，考慮到設(shè)備和用戶需求的變遷，拓撲結(jié)構(gòu)必須只有一定的靈活性，能輕松地重新配置。此外，還要考慮原有節(jié)點的刪除，新節(jié)點的加入等問題。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，可以知道系統(tǒng)各部分具有在地理分布上擴展的特點，特別是考慮到在礦井下，隨著掘進面的推進，網(wǎng)絡(luò)將隨著進行擴展，總線形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有良好的擴展性，因此采用總線型的拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)。 2)可靠性 網(wǎng)絡(luò)中有 兩類故障 :一類是網(wǎng)中個別節(jié)點損壞，這只影響局部 。另一類是網(wǎng)絡(luò)本身無法運行。拓撲結(jié)構(gòu)的選擇要使故障的檢測和隔離較為方便。在環(huán)形網(wǎng)中可靠性就不夠高，因為只要其中任何一個節(jié)點出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)就無法運行，而總線型的拓撲結(jié)構(gòu)，當個別節(jié)點出現(xiàn)故障的時候，并不會影響整個網(wǎng)絡(luò)。同時 ,我們采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是雙網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)，因此，可靠性得到了進一步的保證。 3)實時性 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計 第 15 頁 在以往的對實時性要求較高的網(wǎng)絡(luò)中多采用環(huán)形令牌網(wǎng)，因為令牌傳遞時間以及擁有令牌的節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的時間都是預(yù)先規(guī)定好的，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量一定的情況下，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信 息發(fā)送的時間是可以預(yù)先估計出來的，因此，令牌網(wǎng)又稱為“確定性”網(wǎng)絡(luò)。 CAN 優(yōu)越性雖然很突出，但是一個井下人員定位系統(tǒng)有很多的讀寫器，如果都直接接到 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量有限，不能滿足要求。 RS485 總線的特點： RS485 總線 利用差分方式來傳輸數(shù)據(jù)，有效地抑制了共模干擾，提高了可靠性與通信距離。 RS485 的通信速率可達 10Mb/s(距離上限為 10m)，通信距離可達（ 速 率上限為 l00kb/s)。 RS485 的拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，但是僅實現(xiàn)了物理層協(xié)議，對于鏈路層沒有定義，缺乏總線仲 裁、出錯校驗、可靠性措施等諸多網(wǎng)絡(luò)功能。采用 RS485 連成的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，只能有一個主節(jié)點，其余均為從節(jié)點。這種主從結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)無法構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)或冗余結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，一旦主節(jié)點出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，因而對主節(jié)點的可靠性要求很高。 另外，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信方式為命令響應(yīng)型，任何一次數(shù)據(jù)傳輸都是主節(jié)點首先發(fā)出命令，從節(jié)點接到命令后，以相應(yīng)的方式傳給主節(jié)點。這使得網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸速率降低很多，并且使主節(jié)點控制器非常繁忙。 因此只 利用 RS485 只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時 性、可靠性較差。 為了實現(xiàn)精確地人員定位，就必須設(shè)置較多的讀寫器來劃分井下的路徑，有上述可知，使用任何一種總線網(wǎng)絡(luò)都難以滿足要求，故本設(shè)計才選擇使用混合組網(wǎng)的方式。基本方法就是將一定區(qū)域內(nèi)一定數(shù)量的讀寫器通過 RS485 總線接到一個基站，再將所有基站通過 CAN 總線連接到控制中心的主機上。 檢測基站 基站有讀寫器和 CAN 節(jié)點組成， 是一個信息暫存設(shè)備。 它的作用就是將讀寫器送來的人員位置信息，經(jīng)過 CAN 總線傳輸給井上監(jiān)控主機。 讀寫器 人員定位系統(tǒng) 讀寫器的任務(wù)是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號， 并接收標簽的應(yīng)答，對標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C以供處理。 另外，讀寫器還提供相當復(fù)雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。通常， RFID 系統(tǒng)的讀寫器可以簡化為三大基本功能模塊 :由發(fā)送器和接收器組成的高頻接口模塊、控制單元以及與外界其它設(shè)備通信用的各種標準接口 USB接口、 RS232 接口、 RS485 接口、與 Inter 連接的網(wǎng)口等 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計 第 16 頁 讀寫器的高頻接口模塊的主要功能為 :產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活標簽并為其提供能量 。對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳物 給標簽 。接收并解調(diào)來自標簽的射頻信號。 在高頻接口中有兩個分割開來的信號通道，分別用于上下行兩個方向的數(shù)據(jù)流傳輸。發(fā)送給電子標簽的數(shù)據(jù)通過發(fā)送分支，而接受到電子標簽的數(shù)據(jù)通過接受分支傳過來。 控制單元主要功能為 :與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作指令 ?？刂婆c標簽的通信過程 。信號的編碼與解碼 。執(zhí)行防碰撞算法 。對讀寫器和標簽之間傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密 。進行讀寫器和標簽之間的身份驗證。 當然，為了完成這些復(fù)雜的任務(wù)，在絕大多數(shù)情況下控制單元都擁有微處理器作為核心部件。而且如加密 過程及信號編碼常常由附加的 ASIC 專用集成電路 )組件來完成，以減輕微處理器計算密集型過程的負擔。出于性能上的考慮，對ASIC 的訪問是通過處理器總線實現(xiàn)的。 應(yīng)用系統(tǒng)與讀出器之間的數(shù)據(jù)交換通常是通過 RS232 或 RS485 串口進行的，其通信協(xié)議一般是在標準協(xié)議的基礎(chǔ)上進行自定義的協(xié)議。 讀寫器的性能指標： (1)基站電源 :AC127V (2)功耗 :5W (3)系統(tǒng)容量 :完全滿足礦用要求，基本不用考慮 (1000 個 ) (4)通訊方式 :CAN 總線為主，兼容 RS485， Ether 等 (5)傳輸波特率 :1200bps— 19200bps，推薦 4500bps (6)閱讀器間最大距離 :=10Km(理論值 ) (7)系統(tǒng)覆蓋范圍 :無限制 (10000km) (8)掃描方式 :閱讀器被動接收，升級后能主動發(fā)送查詢 (9)行人最大速度 :(推薦 )6 米 /秒 最大可達 733 米 /秒 (10)車輛最快速度 :(推薦 ) (11)工作溫度 :10C0— +60C0 (12)操作系統(tǒng) :WIN98/2021/XP (13)數(shù)據(jù)庫 :Microsoft Access 電子標簽 射頻電子標簽就是含有唯一標識體系編碼的標簽。標簽中儲存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)的應(yīng)用和相應(yīng)的標準決定的。例如，標簽?zāi)軌蛱峁┊a(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、存儲情況，也可以辨別機器、動物和個體的身份。這些類似于條形碼中存儲的信息。標中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計 第 17 頁 簽還可以連接到數(shù)據(jù)庫，存儲員工 ID 編號、姓名、所在部門、上下井時間以及工作地點等信息。 電子標簽的性能指標： (1)電源 : (2)功率 : (3)發(fā)送距離 :20(lm20m 可調(diào) )，與工作電壓有關(guān)，推薦 10米左右 (4)使用壽命 :取決于礦燈的使用壽命，內(nèi)置電池的射頻卡一般只有 35 年 (5)收發(fā)特性 :可收可發(fā)，應(yīng)用時只用了發(fā)射特性，接收特性留擴充升級 (6)最大使用量 :65535 個 (oxO000 碼做結(jié)束標志 ) (7)碼元頻率 :，推薦 (8)通信頻率 :915MHz。 (10)通信方式 :防沖突 FSK 調(diào)制 (11)使用對象 :人員、車輛 (12)工作溫 度 :100C— +600C。 射頻天線 無線電發(fā)射機輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點后，有天線接收下來（僅僅接收很小的一部分），并通過饋線送到無線電接收機。 可見 ，天線好似發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。 電磁波的輻射：導(dǎo)線上有交變電流流動時，就可以發(fā)生電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長度和形狀有關(guān)。若兩道導(dǎo)線的距離太近，電場被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而，輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開，電場就能散 播在空間周圍，因而輻射強。另外，當導(dǎo)線的長度 L 遠小于波長λ 時，輻射很微弱；導(dǎo)線的長度 L 增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流將大大增加，因而就能形成較強的輻射。 對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子獨立使用，或作為拋物面天線的饋源，也可以采用多個斑駁對稱振子組成天線陣，兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每個臂長為四分之一波長，全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子。還有一種異型半波對稱振子，可以看成是將全波對稱振子折合成一個狹窄矩形框，不那個吧全波對稱振子的兩個端點相疊， 此窄長的矩形框成為折合振子。注意：折合振子的長度也是波長的二分之一。 發(fā)射天線的基本功能是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量超所需的方向輻射。垂直放置的半波對稱振子具有平放的“面包圈”形的立體方向圖。立體方向圖雖然立體感強，但繪制困難。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計 第 18 頁 增益是指輸入功率相等的條件下實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比，它是定量的描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來理 解增益的物理含義 為在一定距離上的某點出產(chǎn)生一定大小的信號，如果用力想的無方向性電源作為發(fā)射天線，需要 100W 的輸入功率，而用增益為 G=13dB=20 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100/20=5W。 在設(shè)計標簽天線時需要考慮到標簽的體積因素。為了有效的標簽體積，該系統(tǒng)標簽 PCB 板式天線。為了增大閱讀器的有效讀取范圍，就必須增大閱讀器的無線信號的發(fā)射功率，為此我們選取方向性強，增益大的柱狀天線。 射頻天線類型的選擇 還 必須使它的阻抗與自由空間和 ASIC 匹配。方向性天線具有更少的輻射模式和返回損耗的 干擾。 傳輸介質(zhì) 監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)選用雙絞線來承擔，這主要是因為雙絞線的價格便宜 ，雖然雙絞線不適合傳輸頻率太高的信號，它的最大可用頻率約為 1MHz，用雙絞線傳輸信號時，雙絞線上信號的衰減值會隨著傳輸信號頻率的增加而迅速上升，使信號嚴重失真與此同時，導(dǎo)線間的串擾也會相應(yīng)增多。但是，本系統(tǒng)的 CAN 總線數(shù)據(jù)通信采用 500kbps 以下的傳輸速率，屬于較低頻率，這種情況下利用雙絞線進行數(shù)據(jù)傳輸根本不受影響。所以，系統(tǒng)選用雙絞線作為傳輸介質(zhì)具有良好的性能價格比。 系統(tǒng)的工作原理 定位系統(tǒng)主要實現(xiàn)井下人 員及設(shè)備安全監(jiān)測工作。在坑道、作業(yè)面的交叉道口安裝監(jiān)控節(jié)點 和讀寫器， 具體數(shù)量和位置根據(jù)現(xiàn)場實際工況和要實現(xiàn)的功能要求而定 ， 并且將它們通過網(wǎng)絡(luò)布線和地面的監(jiān)控計算機聯(lián)網(wǎng) 。 入井工作人員按照要求佩戴安裝電子標簽的腰帶，或佩戴裝有電子標簽的安全帽。 RFID 讀寫器通過固定頻率的射頻載波向電子標簽傳送信號，電子標簽 (工作人員隨身佩戴 )進入讀寫器的天線工作區(qū)域后被激活，并將載有個人信息的射頻信號經(jīng)卡內(nèi)收發(fā)模塊發(fā)射出去；讀寫器天線接收到電子標簽發(fā)來的射頻信號，經(jīng)過處理后，提取出個人信息，通過現(xiàn)場總線送至井上監(jiān)控中心，記錄井 下工作人員經(jīng)過地點、時間、活動軌跡等實時信息，還可自動生成考勤作業(yè)的統(tǒng)計與管理等方面的報表資料。 同時把它顯示在顯示屏上，管理人員也可以根據(jù)顯示屏上的分布示意圖點擊井下某一位置，計算機即會把這一區(qū)域的人員情況統(tǒng)計并顯示出來。另外，一旦井下發(fā)生事故，可根據(jù)計算機中的人員分布信息馬上查出事故地點的人員情況，然后再用特殊的探測器在事故處進一步確定人員位置，以便幫助營救人員準確快速的營救被困人員。 其原理流程如圖 32 所示： 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本