【正文】 輕、體積小，壽命可以非常長(zhǎng)、很便宜，但由于卡面限制，天線尺寸有限，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。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。 ? 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)。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 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)。 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。目前國(guó)際上制定標(biāo)準(zhǔn)的組織比較著名的有三個(gè)： ISO，以美國(guó)為首的 EPC global 以及日本的 Ubiquitous ID Center，而這三個(gè)組織對(duì) RFID 的技術(shù)應(yīng)用規(guī)范都有各自的目標(biāo)和發(fā)展規(guī)劃。 (1) ISO11784 和 ISO11785 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ISO11784 和 ISO11785 分別規(guī)定了動(dòng)物識(shí)別的代碼結(jié)構(gòu)和技術(shù)準(zhǔn)則，標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)電子標(biāo)簽樣式尺寸加以規(guī)定，因此可以設(shè)計(jì)成適合于所涉及的動(dòng)物的各種形式，如玻璃管狀、衛(wèi)標(biāo)或項(xiàng)圈等。技術(shù)準(zhǔn)則規(guī)定了電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸方法和讀寫(xiě)器規(guī)范。由于存在較長(zhǎng)的電子標(biāo)簽充電時(shí)間和工作頻率的限制，通信速率較低。 ISO15693 和 ISO1443 標(biāo)準(zhǔn)在 1995年開(kāi)始操作，其完成則在 2021 年之后，二者皆以 交變信號(hào)為載波頻率。目前的第二代電子身份證采用的標(biāo)準(zhǔn)是 ISO1443 TYPE B 協(xié)議。 TYPE A 采用開(kāi)關(guān)鍵控（ OnOff keying）的 Manchester 編碼， TYPE B 采用 NRZL 的 BPSK 編碼。 RFID 的核心是防沖撞技術(shù)，這也是和接觸式 IC 卡的主要區(qū)別。二者防沖撞機(jī)制的原理不同，前者是基于位沖撞檢測(cè)協(xié)議，而 TYPE B 通信系列命令序列完成防沖撞。防沖撞機(jī)制使得同時(shí)處于讀寫(xiě)區(qū)內(nèi)的多張卡的正確操作成為可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。 ISO18006 基本上是整合了一些現(xiàn)有RFID 廠商的減速 器規(guī)格和 EANUCC 所提出的標(biāo)簽架構(gòu)要求而訂出的規(guī)范。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 本章小結(jié) 本章主要講述了射頻技術(shù)，和射頻識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用及其原理，以及射頻技術(shù)的發(fā)展、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其可 自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)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。 3 井 下人員定位 系統(tǒng)整體 框架 長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭行業(yè)的安全設(shè)備嚴(yán)重缺乏，安全管理手段極其落后。因此，采用先進(jìn)的煤礦安全設(shè)備與手段己成為煤炭行業(yè)迫在眉睫的任務(wù)。 下面是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路本系統(tǒng)的射頻標(biāo)簽的選擇是這樣考慮的：由于無(wú)源標(biāo)簽的讀寫(xiě)距離短，并且在系統(tǒng)中要保持較高的讀寫(xiě)效率，因此選取有源射頻標(biāo)簽較為合適。 在系統(tǒng)中每個(gè)標(biāo)簽中唯一的身份碼來(lái)確認(rèn)人員的身份。讀寫(xiě)器與標(biāo)簽的共同使用便可以確定井下人員的位置。系統(tǒng)具有礦上的人員管理功能。 、人員進(jìn)出限制等多方面的信息查詢。 、可擴(kuò)容性、易維護(hù)性和易操作性。然而該技術(shù)在煤炭行業(yè)中的應(yīng)用還很少，利用射頻識(shí)別技術(shù)的無(wú)線方式通信，非接觸同時(shí)識(shí)別多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)，無(wú)需外露電觸點(diǎn)，電子標(biāo)簽的芯片按不同的應(yīng)用要求封裝的特點(diǎn)，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳遞、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)新型煤礦安全管理系統(tǒng)，可對(duì)煤礦入井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)和定位。也可利用系統(tǒng)的日?？记诠芾砉δ埽瑢?duì)礦井人員進(jìn)行考勤管理。根據(jù) RFID 的工作原理，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上的 RF 功相當(dāng)于讀寫(xiě)器，移動(dòng)目標(biāo)上的 RF 功相當(dāng)于電子標(biāo)簽。 系統(tǒng)功能 與特點(diǎn) 將讀寫(xiě)器安裝在井下一些重要的恫室、危險(xiǎn)場(chǎng)合 (如盲巷 )等需要監(jiān)控的地方，分布區(qū)域的大小可視井下具體環(huán)境而定。在井下，員工只要穿過(guò)感應(yīng)區(qū)域，讀寫(xiě)器就將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸電纜傳送到地面中心站，處理后保存到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中。 (2)安全保障功能 系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存下來(lái)的歷史數(shù)據(jù)信息，可迅速知道井下人員及重要設(shè) 備的分布情況，一旦出現(xiàn)礦井災(zāi)難，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)被困人員進(jìn)行定位和搜尋，便于有效救護(hù)。 (4)信息聯(lián)網(wǎng)功能 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 作為整個(gè)煤礦的信息網(wǎng)的一部分，可以提供功能完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，隨時(shí)調(diào)用該煤礦在一段時(shí)間內(nèi) 相關(guān)人員以及設(shè)備的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以利于科學(xué)研究和對(duì)人員設(shè)備等進(jìn)行管理。 系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) : (1)信號(hào)的穿透能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸量小，抗干擾能力強(qiáng)，感應(yīng)靈敏，易于維護(hù)和操作。在本設(shè)計(jì)中，總線型網(wǎng)絡(luò)只需增加一段電纜和固定監(jiān)控節(jié)點(diǎn)就可增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這使得井下人員定位系統(tǒng)可以隨著煤礦的開(kāi)采而不斷的擴(kuò)充。 (4)系統(tǒng)有較高的識(shí)別率 系統(tǒng)采用了先進(jìn)的防沖突通訊技術(shù)，有效地解決了多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)別的問(wèn)題。 (5)抗干擾能力強(qiáng)：系統(tǒng)工作在 860930MHz 開(kāi)放頻段。別處，高頻信號(hào)在巷道內(nèi)衰減較小，非常適合井下應(yīng)用。 并且 調(diào)頻或微波讀寫(xiě)器識(shí)別距離可達(dá) 0— 10 米 。 定位系統(tǒng)組成 定位系統(tǒng)主要由井上網(wǎng)絡(luò)與井下網(wǎng)絡(luò)兩部分設(shè)備組成，如圖 3— 1所示。以 CAN 總線作為主傳輸途徑，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的煤礦井下人員監(jiān)控 基站 ，配合天線、 讀寫(xiě)器、 電子標(biāo)簽、傳輸介質(zhì)等與監(jiān)控中心掛接，從而實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)人員的定位和安全管理。監(jiān)控主機(jī)通過(guò) CAN 網(wǎng)絡(luò)適配器與系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn) （基站） 通信，同時(shí) 由基站 通過(guò) RS485 總線 與其他遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn) （讀寫(xiě)器） 或現(xiàn)有的礦井監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息共享。 2)數(shù)據(jù)采集 監(jiān)控主機(jī)通過(guò) CAN 總線與系統(tǒng)各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，由系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)上傳其采集到的實(shí)時(shí)位置信息以及歷史位置信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工作人員定位 。 4） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 監(jiān)控主機(jī)能夠按一定的格式保存有限時(shí)間段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù) 。因此，監(jiān)控主機(jī)的工作穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)功能的 實(shí)現(xiàn)。而且，從工業(yè)控制到自動(dòng)化再到行業(yè)的應(yīng)用，只要客戶有需求，廠商就可針對(duì)不同的行業(yè)進(jìn)行定制的開(kāi)發(fā)。 第三，工控機(jī)具有在粉塵、煙霧、高低溫、潮 濕、震動(dòng)、腐蝕的快速診斷和可維護(hù)性。 總之，選用工控機(jī)作為系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)，既具有良好的抗干擾能力，又具有一定的通用性和可擴(kuò)展性。所以，必須選擇 一個(gè)合適的通信網(wǎng)絡(luò)以使整個(gè)系統(tǒng)的工作協(xié)調(diào)起來(lái)。經(jīng)過(guò)充分的論證，本系統(tǒng)決定選用 CAN總線 與 RS485 總線組成的混合組網(wǎng) 作為系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)。 CAN 是由 ISO 定義的一種多主方式的串行通訊總線，它的基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。 CAN 可提供高達(dá) 1Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實(shí)時(shí)控制變得非常容易。另外，硬件的錯(cuò)誤檢定特性也增強(qiáng)了 CAN 的抗電磁干擾能力。并且 CAN 協(xié)議采用 CRC 檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)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。這就保證不會(huì)出現(xiàn)象在 RS485 網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。 另外，與其它現(xiàn)場(chǎng)總線比較而言， CAN 總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。 (2)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接的方式。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)范 圍。下面就選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該考慮的主要因素進(jìn)行討論并給出系統(tǒng)選擇的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) : l)靈活性 在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，考慮到設(shè)備和用戶需求的變遷，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須只有一定的靈活性，能輕松地重新配置。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(kuò)展的特點(diǎn)，特別是考慮到在礦井下，隨著掘進(jìn)面的推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)將隨著進(jìn)行擴(kuò)展，總線形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有良好的擴(kuò)展性，因此采用總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)。另一類是網(wǎng)絡(luò)本身無(wú)法運(yùn)行。在環(huán)形網(wǎng)中可靠性就不夠高，因?yàn)橹灰渲腥魏我粋€(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就無(wú)法運(yùn)行，而總線型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的時(shí)候，并不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 3)實(shí)時(shí)性 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 在以往的對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的網(wǎng)絡(luò)中多采用環(huán)形令牌網(wǎng)，因?yàn)榱钆苽鬟f時(shí)間以及擁有令牌的節(jié)點(diǎn)占用網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的時(shí)間都是預(yù)先規(guī)定好的，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量一定的情況下，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信 息發(fā)送的時(shí)間是可以預(yù)先估計(jì)出來(lái)的，因此，令牌網(wǎng)又稱為“確定性”網(wǎng)絡(luò)。 RS485 總線的特點(diǎn)： RS485 總線 利用差分方式來(lái)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 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，但是僅實(shí)現(xiàn)了物理層協(xié)議，對(duì)于鏈路層沒(méi)有定義，缺乏總線仲 裁、出錯(cuò)校驗(yàn)、可靠性措施等諸多網(wǎng)絡(luò)功能。這種主從結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)無(wú)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(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，因而對(duì)主節(jié)點(diǎn)的可靠性要求很高。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(diǎn)控制器非常繁忙。 為了實(shí)現(xiàn)精確地人員定位，就必須設(shè)置較多的讀寫(xiě)器來(lái)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(jì)才選擇使用混合組網(wǎng)的方式。 檢測(cè)基站 基站有讀寫(xiě)器和 CAN 節(jié)點(diǎn)組成， 是一個(gè)信息暫存設(shè)備。 讀寫(xiě)器 人員定位系統(tǒng) 讀寫(xiě)器的任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)， 并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。通常， RFID 系統(tǒng)的讀寫(xiě)器可以簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)接口 USB接口、 RS232 接口、 RS485 接口、與 Inter 連接的網(wǎng)口等 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)生設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 讀寫(xiě)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(biāo)簽并為其提供能量 。接收并解調(diào)來(lái)自標(biāo)簽的射頻信號(hào)。發(fā)送給電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通過(guò)發(fā)送分支，而接受到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)通過(guò)接受分支傳過(guò)來(lái)?？刂婆c標(biāo)簽的通信過(guò)程 。執(zhí)行防碰撞算法 。進(jìn)行讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的身份驗(yàn)證。而且如加密 過(guò)程及信號(hào)編碼常常由附加的 ASIC 專用集成電路 )組件來(lái)完成，以減輕微處理器計(jì)算密集型過(guò)程的負(fù)擔(dān)。 應(yīng)用系統(tǒng)與讀出器之間的數(shù)據(jù)交換通常是通過(guò) RS232 或 RS485 串口進(jìn)行的，其通信協(xié)議一般是在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行自定義的協(xié)議。標(biāo)簽中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)的應(yīng)用和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)決定的。這些類似于條形碼中存儲(chǔ)的信息。 電子標(biāo)簽的性能指標(biāo)： (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(shí)只用了發(fā)射特性，接收特性留擴(kuò)充升級(jí) (6)最大使用量 :65535 個(gè) (oxO000 碼做結(jié)束標(biāo)志 ) (7)碼元頻率 :，推薦 (8)通信頻率 :915MHz。 射頻天線 無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。 可見(jiàn) ，天線好似發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。若兩道導(dǎo)線的距離太近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而，輻射很微弱；將兩導(dǎo)線張開(kāi)，電場(chǎng)就能散 播在空間周圍，因而輻射強(qiáng)。 對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子獨(dú)立使用，或作為拋物面天線的饋源，也可以采用多個(gè)斑駁對(duì)稱振子組成天線陣，兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子。還有一種異型半波對(duì)稱振子，可以看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)狹窄矩形框，不那個(gè)吧全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊， 此窄長(zhǎng)的矩形框成為折合振子。 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。立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難。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。 在設(shè)計(jì)標(biāo)簽天線時(shí)需要考慮到標(biāo)簽的體積因素。為了增大閱讀器的有效讀取范圍，就必須增大閱讀器的無(wú)線信號(hào)的發(fā)射功率，為此我們選取方向性強(qiáng)，增益大的柱狀天線。方向性天線具有更少的輻射模式和返回?fù)p耗的 干擾。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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸根本不受影響。 系統(tǒng)的工作原理 定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)井下人 員及設(shè)備安全監(jiān)測(cè)工作。 入井工作人員按照要求佩戴安裝電子標(biāo)簽的腰帶，或佩戴裝有電子標(biāo)簽的安全帽。 同時(shí)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(diǎn)擊井下某一位置，計(jì)算機(jī)即會(huì)把這一區(qū)域的人員情況統(tǒng)計(jì)并顯示出來(lái)。 其原理流程如圖 32 所示： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021