【正文】 閱讀器的硬件設(shè)計(jì)閱讀器的硬件電路可以劃分成電源模塊，無(wú)線射頻接收模塊，CPU處理模塊，外擴(kuò)SRAM模塊，顯示模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊等六個(gè)模塊。電子標(biāo)簽的proteus仿真。本文所闡述的算法是在ALOHA思想的基礎(chǔ)上，根據(jù)RFID系統(tǒng)的特點(diǎn)和技術(shù)要求不斷改進(jìn)形成的算法體系，結(jié)合井下人員定位系統(tǒng)漏檢率等因素所設(shè)計(jì)的一種新穎的算法。因此，必須采用一種有效的防碰撞算法解決這種沖突，從而能夠識(shí)別進(jìn)入工作區(qū)域的所有射頻卡，確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作。這樣可以有效降低電子標(biāo)簽的功耗，提高電池使用壽命。第一:采用大容量的紐扣電池，因此采用cR2450(標(biāo)稱容量570mAh)。在此不再累贅述。電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)不但要求體積小、重量輕、便于攜帶，而且要求功耗要非常低、電池壽命足夠長(zhǎng)。nRF24E1的其它引腳還有14個(gè)。喚醒定時(shí)器和看門狗的定時(shí)時(shí)間約為30Ous一8OmS，其默認(rèn)值為10ms。Du0Ceiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，可通過程序使其作為微處理器的中斷或通過GPIO口傳給CPU。使用第二個(gè)數(shù)據(jù)頻道必須滿足要求:第二數(shù)據(jù)頻道的工作頻率至少比第一個(gè)頻道的工作頻率高8MHz。shockBurst收/發(fā)方式使nRF24EI能夠方便地同時(shí)接收兩個(gè)不同頻率的頻道發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且能夠使接收速度達(dá)到最大值。⑦CPU按時(shí)序以適當(dāng)?shù)乃俣?如 1Okbps)把有效數(shù)據(jù)取出。③經(jīng)過200us處理，nRF24E1子系統(tǒng)監(jiān)視啟動(dòng)并等待信號(hào)的到來(lái)。*數(shù)據(jù)高速發(fā)送(250kbPs或1Mbps，可由用戶配置決定)。③CPU將CE置低，激活ShockBurst發(fā)送。PWPWR_UP=0時(shí)關(guān)機(jī)。通過 PWR_UP、CE和CS三個(gè)控制引腳，可以設(shè)置nRF24EI的發(fā)送/接收工作方式。為了滿足射頻收發(fā)子系統(tǒng)的需要，RADIO口的默認(rèn)值與標(biāo)準(zhǔn)8051的P2默認(rèn)值也不一樣。此外，該器件還有2個(gè)天線接口引腳ANT1和ANT2。A/D轉(zhuǎn)換器可在ARFE輸入和內(nèi)部 。P1口只有3個(gè)引腳，可設(shè)為SPI接口或GPIO，通過 SPI_CTRL進(jìn)行控制。各個(gè)引腳的復(fù)用功能如表41所示表41 P0口引腳的復(fù)用功能引腳(DIO9)(DIO2)復(fù)用功能WMPT1T0INT1INT0TXDRXDGPIOPO口有兩個(gè)控制寄存器PO_ALT和PO_DIR，分別位于OX94和OX95地址處。NRF24EI可以滿足低功耗和小型化的要求，內(nèi)嵌兼容8051的微處理器，指令周期從標(biāo)準(zhǔn)的1248個(gè)時(shí)鐘周期縮短到420個(gè)時(shí)鐘周期，XRAM數(shù)據(jù)存取采用雙指針，提高了CPU的處理和運(yùn)算速度。如果不使用內(nèi)部的ROM，程序代碼必須從外部非易失性存儲(chǔ)器中加載。晶振直接為NRF24EI的微控制器提供了時(shí)鐘來(lái)源。NRF24EI的中斷控制器支持ADC、SPI、RF接收器RF接收器喚醒定時(shí)器、5個(gè)中斷源。NRF24EI收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和兩個(gè)收發(fā)單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地編程調(diào)節(jié)。該芯片的通道運(yùn)算時(shí)間小于200us，數(shù)據(jù)速率為1MbPs，不需要外接濾波器，內(nèi)部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，作。內(nèi)含增強(qiáng)型8051控制器。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。數(shù)據(jù)保留10年的時(shí)間。AT89C系列單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C2051片內(nèi)含有2K字節(jié)的Flash程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的片內(nèi)RAM。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。外部晶振選擇16MHz。電子標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)原理圖如下圖41所示標(biāo)簽電源標(biāo)簽控制電路標(biāo)簽射頻收發(fā)電路圖41電子標(biāo)簽原理圖 電子標(biāo)簽控制電路的組成部分包括MCU和RC振蕩器，、晶體振蕩器和天線組成的。4．高速閱讀：按 50Km/小時(shí)速度通過 50M 的讀卡距離，選取 秒的工作周期則可以至少讀取 5 次，可以保證盲讀的可靠性。為了盡可能的延長(zhǎng)電池壽命，我們期望期工作周期越長(zhǎng)越好，但在快速通過閱讀器時(shí)要確保至少讀到 3 次以上，按 50Km/小時(shí)速度通過 50M 的讀卡距離，選取 秒的工作周期則可以至少讀取 5 次，可以保證盲讀的可靠性。根據(jù)國(guó)家煤安總局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求和已有技術(shù)條件，本課題系統(tǒng)期望達(dá)到下述技術(shù)指標(biāo)：讀卡能力：無(wú)遺漏同時(shí)讀取多（64）張卡，實(shí)現(xiàn)高可靠的讀卡。在設(shè)計(jì)時(shí)，初步對(duì)定位卡有以下構(gòu)想：標(biāo)簽由一個(gè) 的無(wú)線發(fā)信機(jī)和 MCU 組成。如何在不增加太多成本的同時(shí)提高電子標(biāo)簽的安全性是一個(gè)有待進(jìn)一步研究問題。RFID安全問題集中在對(duì)個(gè)人用戶的隱私保護(hù)、對(duì)企業(yè)用戶的商業(yè)秘密保護(hù)、防范對(duì)RFID系統(tǒng)的攻擊以及利用RFID技術(shù)進(jìn)行安全防范等多個(gè)方面。圖36 多個(gè)閱讀器對(duì)標(biāo)簽的干擾解決井下的射頻識(shí)別碰撞問題是實(shí)現(xiàn)井下人員區(qū)域定位的關(guān)鍵。圖35中，標(biāo)簽Tl向閱讀器Rl傳送標(biāo)簽信息時(shí)，受到閱讀器R2的干擾，以至Rl讀卡失敗。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(shí)別標(biāo)簽碰撞。所以閱讀器天線在按圓極化形式設(shè)計(jì)時(shí)，其圓極化增益應(yīng)大于 3dB，考慮余量，應(yīng)大于 5dB 設(shè)計(jì)。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(zhǎng)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(shí)，極化方向勢(shì)必發(fā)生變化，致使接收信號(hào)質(zhì)量變差，系統(tǒng)不可靠。對(duì)于本課題涉及到天線設(shè)計(jì)包括兩方面：一是電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)問題，一是閱讀器天線的設(shè)計(jì)問題。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(duì)天線性能的影響上。 號(hào)DC8320B標(biāo)簽類別卡狀工作頻率感應(yīng)方式主動(dòng)感應(yīng)模式識(shí)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年存儲(chǔ)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)。如圖34所示圖34 DC8320B有源電子標(biāo)簽產(chǎn)品描述：1.高頻標(biāo)簽屬于中短距識(shí)別，識(shí)別距離通常也小于lm。()帶電池的有源收發(fā)器井下無(wú)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。因此，我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合，合理地選擇標(biāo)簽工作頻率，以達(dá)到最佳工作效率。用于門禁控制以及需要傳輸大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。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。6）高抗干擾性: 采用擴(kuò)頻技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種干擾源無(wú)特殊要求。2）防沖突：先進(jìn)的防碰撞算法技術(shù)，在 5800 個(gè)標(biāo)識(shí)?；?33MISM 波段的無(wú)線通訊有源卡的主要缺點(diǎn)有：無(wú)線通訊數(shù)據(jù)率很低（）,從而引起讀卡速度慢，實(shí)際同時(shí)讀卡數(shù)量少（4 卡），讀卡模塊和卡的功耗很高。圖 33 Smartcode公司推出的世界最小的標(biāo)簽芯片電子標(biāo)簽內(nèi)加裝電池稱為有源卡，不加裝電池稱為無(wú)源卡。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(shí)生產(chǎn)規(guī)模必須達(dá)到至少10億個(gè)標(biāo)簽。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。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(duì)于加速RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)說，似乎更具有彈性和發(fā)展前景。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際上制定RFID標(biāo)準(zhǔn)的組織比較著名的有三個(gè)ISO， EPcglobal以及日本的 UbiquitousIDCenter，這三個(gè)組織對(duì)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。標(biāo)簽中儲(chǔ)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。 電子標(biāo)簽無(wú)線電子標(biāo)簽技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。信號(hào)的編碼與解碼。對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給標(biāo)簽。，然后執(zhí)行導(dǎo)入的程序。，能夠標(biāo)識(shí)電池相關(guān)信息，如電量等。3．4 閱讀器閱讀器是RFID系統(tǒng)的主要部分之一。射頻卡由天線、功能模塊和存儲(chǔ)器等組成。所有的遠(yuǎn)距離系統(tǒng)均是利用標(biāo)簽與閱讀器天線輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)之間的電磁藕合(電磁波的發(fā)射與反射)所構(gòu)成的無(wú)接觸空間信息傳輸通道工作的。遙禍合系統(tǒng)又可細(xì)分為近藕合系統(tǒng)(典型作用距離為15cln)與疏禍合系統(tǒng)(典型作用距離為lm)兩類。密禍合系統(tǒng)利用的是射頻標(biāo)簽與閱讀器天線的無(wú)功近場(chǎng)區(qū)之間的電感藕合(閉合磁路)構(gòu)成的無(wú)接觸的空間信息傳輸射頻通道工作的。通常情況下，這種作用距離定義為標(biāo)簽與閱讀器之間能夠可靠交換數(shù)據(jù)的距離。輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)即人們常說的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，又稱為夫朗荷費(fèi)區(qū)。在該區(qū)域中束縛于天線的電磁場(chǎng)未曾做功(只是進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換)，因而將該區(qū)域稱為無(wú)功近場(chǎng)區(qū)。一無(wú)功近場(chǎng)區(qū)無(wú)功近場(chǎng)區(qū)又稱為電抗近場(chǎng)區(qū)，它是天線輻射場(chǎng)中緊鄰天線口徑的一個(gè)近場(chǎng)區(qū)域。 RFID的物理原理要理解射頻識(shí)別(RF工D)系統(tǒng)的工作原理，弄清閱讀器與標(biāo)簽之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)質(zhì)，深入研究磁現(xiàn)象的物理本質(zhì)和波在遠(yuǎn)距離磁場(chǎng)中的傳播原理是非常必要的?？傊?，在未來(lái)的發(fā)展中，射頻技術(shù)將廣泛結(jié)合其它高新技術(shù)1171，如GPS、生物識(shí)別技術(shù)等，由單一識(shí)別向多功能識(shí)別方向發(fā)展。射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)外發(fā)展非常迅速，其產(chǎn)品種類繁多。在數(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，識(shí)別標(biāo)簽和射頻閱讀器之間也可相互認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)安全通信和存儲(chǔ)。由于RFID標(biāo)簽的存儲(chǔ)容量是2的96次方以上，因此它可以彌補(bǔ)條形碼的存儲(chǔ)容量不足等種種限制，甚至可以為世界上的每一種物品配備一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的電子識(shí)別標(biāo)簽。另外，系統(tǒng)還給出了抗干擾技術(shù)等其他可擴(kuò)展性的內(nèi)容。在硬件設(shè)計(jì)中，按照二者的組成分別對(duì)其工作原理、控制單元以及所使用的各種芯片進(jìn)行研究，選用一種比較合適的接收和發(fā)射方案，并給出其具體的實(shí)現(xiàn)電路。這一部分上面已經(jīng)完成。軟件設(shè)計(jì)借鑒面向?qū)ο蟮乃枷?，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)軟件按照功能劃分為初始化、射頻信號(hào)的發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)采集和處理、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和RS232通信等幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊，論文針對(duì)部分模塊，給出其詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)流程。電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)過程中，考慮了數(shù)據(jù)的碰撞問題以及如何用載波偵聽算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的防碰撞。本課題的數(shù)據(jù)通信是由CAN總線模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，將閱讀器讀取到的射頻標(biāo)簽信息負(fù)責(zé)發(fā)送至地面 。本課題的系統(tǒng)客戶端使VisualC++，基于windowsXP操作系統(tǒng)，采用C++語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)軟件系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能。井下部分主要的作用是信息的采集，而井上部分則是對(duì)信息的處理。兩系統(tǒng)之間通過CAN總線連接。提出了文章的不足并且指出存在的諸多問題，有待以后進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究。然后還給出了如何利用CAN總線實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間串口通信的方法。最后還對(duì)防沖突問題做了初步的研究。指出安全生產(chǎn)中的重要一環(huán)是人員的管理與識(shí)別。應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)在前面的理論研究和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本部分對(duì)實(shí)際的井下人員定位系統(tǒng)的PC機(jī)操作界面和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)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(jī)和發(fā)射機(jī)方案。然后對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)中的防沖突算法進(jìn)行研究探討，并對(duì)這些算法進(jìn)行性能比較，最后提出一個(gè)性能更好的防沖突算法。（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(shí)有發(fā)生，人員識(shí)別信息容易丟失。但包括條形碼、光電孔卡以及指紋在內(nèi)的這些識(shí)別方式在人員集中的時(shí)段和地點(diǎn)考勤時(shí)間長(zhǎng)，效率低，無(wú)法解決排隊(duì)考勤的現(xiàn)狀。從自動(dòng)識(shí)別技術(shù)發(fā)展起來(lái)之后，包括科研、院校、設(shè)計(jì)院等單位自行開發(fā)研制針對(duì)各個(gè)煤礦企業(yè)的考勤系統(tǒng)。（2）不符合國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)的實(shí)際情況我國(guó)人口眾多，現(xiàn)有煤礦職土超過百萬(wàn)，職工素質(zhì)普遍較低，國(guó)外設(shè)備的引進(jìn)無(wú)法滿足各個(gè)煤礦的實(shí)際需要。國(guó)內(nèi)也曾引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備，像 PED 系統(tǒng)。這將是繼零售供應(yīng)鏈RFID電子標(biāo)簽產(chǎn)品的應(yīng)用之后，全球使用RFID射頻識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品的第2大行業(yè)。系統(tǒng)和模塊將達(dá)到：可替換性更好，也更普及。具體表現(xiàn)在，基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)的電子標(biāo)簽產(chǎn)品將達(dá)到：芯片所需的功耗更低，無(wú)源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽技術(shù)更趨成熟；作用距離更遠(yuǎn)；無(wú)線可讀寫性能更加完善；適合高速移動(dòng)物品識(shí)別；快速多標(biāo)簽讀／寫功能；一致性更好；強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)下的自保護(hù)功能更完善；智能性更強(qiáng)；成本更低。RFID射頻識(shí)別技術(shù)將大量的來(lái)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(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)技術(shù)、電信技術(shù)、制造技術(shù)等）綜合起來(lái)。上海秀派電子科技公司(ShangHai Super Eleamp。到門前為止國(guó)內(nèi)部分礦井，尤其是現(xiàn)代化礦一井都安裝了識(shí)別系統(tǒng)，用以取代以前依據(jù)礦燈管理來(lái)對(duì)下井人員進(jìn)行管理。結(jié)果證明PED系統(tǒng)信號(hào)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(hào)準(zhǔn)確率為 100%。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)起步較晚，自1974年以來(lái)，僅有幾種單一的瓦斯監(jiān)測(cè)儀器投入使用，如AYJ1，AWBY ，MJC100等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯的連續(xù)監(jiān)測(cè)。PED系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)工藝和優(yōu)越的性能得到了礦區(qū)領(lǐng)導(dǎo)的致肯定。澳大利亞芒特艾薩礦業(yè)公司開發(fā)了一種人員探測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)礦工進(jìn)入危險(xiǎn)地帶。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研制礦井計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)始于20世紀(jì)60年代，為保證煤礦安全生產(chǎn)，世界主要產(chǎn)煤國(guó)(如美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、波蘭、前蘇聯(lián)等)從50年代開始，陸續(xù)地把監(jiān)測(cè)、監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用到安全生產(chǎn)管理上。目前RFID技術(shù)正在成為一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)在全球范圍內(nèi)蔓延開來(lái)，研究開發(fā)RFID技術(shù)有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。若井下發(fā)生突發(fā)事，可立即通過主機(jī)實(shí)時(shí)查出井下各位置的人員狀況，這樣就能夠做出及時(shí)的搶救決策，使事故損失降到最低。不僅加強(qiáng)了煤炭行業(yè)的生產(chǎn)與安全管理，使生產(chǎn)調(diào)度及時(shí)、準(zhǔn)確，更得使煤礦的安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)大大提高。到目前為止，即使是我國(guó)的現(xiàn)代