基於RFID技術的井下人員實時管理係統

摘 要:介紹了RFID技術，並對井下使用RFI D技術進行可行性03manbetx 。在03manbetx 了井下無線資源特點的基礎上，提出了采用915 MHz的RFID技術進行礦井人員實時管理係統的開發。係統可以實現對井下人員進行實時跟蹤監測和定位，可為工作人員提供礦井巷道網絡、人員位置、危險區域及相應提示的動態信息。如果發生災變，還可立即從監控計算機上查詢02manbetx.com 現場的人員位置分布情況、被困人員數量、遇險人員撤退線路等信息，為02manbetx.com 搶險提供科學依據。
關鍵詞:RFID ;礦井安全;實時定位;總線網絡

0引言
目前我國大中型煤礦及廣大鄉鎮小煤礦已大量裝備了煤礦安全生產監控係統，這些安全裝備的推廣應用大大改善了我國煤礦安全生產狀況。礦難的不斷發生和搶險救災的不力，暴露出目前監控係統的弊端:監控係統對入井人員管理困難，井上人員難以及時掌握井下人員的動態分布及作業情況，一旦02manbetx.com 發生，對井下人員的搶救缺乏可靠信息，搶險救災、安全救護的效率低，效果不理想。
本文提出的基於RFI D的新型礦井人員定位跟蹤管理係統，可對煤礦入井人員進行實時跟蹤監測和定位，可為工作人員提供礦井巷道網絡、人員位置、危險區域及相應提示的動態信息。如果發生災變，還可立即從監控計算機上查詢02manbetx.com 現場的人員位置分布情況、被困人員數量、遇險人員撤退線路等信息，為事故搶險提供科學依據。同時，也可利用係統的日常考勤管理功能，對礦井人員進行考勤管理。

1 RFID簡介
RFID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並獲取相關數據，可工作於各種惡劣環境，識別高速運動物體並同時識別多個標簽，操作快捷方便。
RFID應用係統由4部分組成:
(1) RFID電子標簽。RFI D電子標簽能夠貯存有關物體的數據信息(約1 kbits)。在自動識別管理係統中，每個RFID標簽中保存著一個物體的屬性、狀態、編號等信息。標簽通常安裝在物體表麵，具有一定的無金屬遮擋的視角。
(2)讀寫器，用於識讀及寫入標簽數據，其主要功能是:查閱RFID電子標簽中當前貯存的數據信息;向空白RFID電子標簽中寫入預貯存的數據信息;修改(重新寫入)RFI D電子標簽中的數據信息;與後台管理計算機進行信息交互。
(3)發送接收信號的天線。天線是標簽與閱讀器之間傳輸數據的發射、接收裝置。在實際應用中，除了係統功率，天線的形狀和相對位置也會影響數據的發射和接收，需要專業人員對係統的天線進行
設計、安裝。
(4)通信網絡係統。包括數據庫服務器和其他信息係統。數據庫服務器負責處理讀寫器傳送過來的信息，並進行信息處理。將重要信息存儲在數據庫中。其他信息係統根據需要向讀寫器發送指令，對標簽進行相應操作。

2可行性03manbetx
(1)頻率的選擇。井下無線頻帶資源豐富，沒有頻帶利用的限製，Tag和Reade:的可供選擇的資源豐富。但是礦井巷道內情況十分複雜，巷道中有鋼軌、支架、風門、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。對平直隧道中，頻率越高，越有利電磁波的傳輸，在彎曲隧道中，頻率越高，越不利電磁波的傳輸。因此對於巷道中的無線通信，最佳頻率在550 ~ 950 MHz，對於不同的傳輸距離，不同的巷道情況，最佳工作頻率是不一樣的。在生產實踐中，要根據實際情況確定最佳工作頻率。
RFID從頻率上可分為低頻(125 KHz)、高頻(13.56 MHz)、超高頻(868-954 MHz，北美915MHz)以及微波(2 .45 GHz) 4種頻率。
低頻標簽比超高頻標簽便宜，節省能量，穿透廢金屬物體力強，工作頻率不受無線電頻率管製約束，最適合用於含水成分較高的物體，但是識別距離小於1 m，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，就需要在井下布置大量的基站，投資很大，同時標簽的防衝撞功能不好。
高頻標簽屬於中短距識別。2 .45 GHz微波，識別開闊場所達200 m，井下為100 m左右。但是距離太大就會失去定位的功能了，同時標簽的防衝撞功能不好。
所以本係統采用915 MHz的頻段上RFI D技術，井下人員跟蹤定位基站有效接收範圍10 m，允許被測目標最大移動速度6 m/s，能夠很好的實現定位;同時識別目標個數20個，防衝撞功能好;通訊方式采用 RS485，傳輸波特率為2 400 bps，能夠實現礦井監控的目標。
對於雙頻係統，由於價格較高，考慮到成本問題，本係統沒有采用。
(2)安全性03manbetx 。煤礦井下具有甲烷等可燃性氣體和煤塵，無線通信設備必須是防爆型電氣設備，並宜采用安全性能好、體積小、質量輕、成本低的本質安全型防爆措施，礦井的輻射電磁場環境應按2級中等電磁輻射環境考慮。並且礦井的瓦斯濃度在不同的位置和不同的時間會發生的變化。
RFI D采用射頻識別技術，理論上不會對井下作業產生危險。在係統中Tag采用無緣芯片，Reader設計和封裝時采取本質安全型防爆措施。
(3)設置可行性分析。礦井一般深度都在地下500 m以下。煤礦開采是不斷進行的，如果采用的網絡結構不能方便的增加節點，會給係統的使用帶來不便。因此Reade:與後台操作可采用現場總線方式連接，同時信息可利用現有的監控係統的線路進行傳輸。總線型網絡結構，隻需增加一段電纜和一個Reade:就可以增加一個節點，這使係統可以隨著煤礦的開采不斷的擴充。
(4)操作可行性分析。RFI D的Tag攜帶方便、操作簡單，Reade:可在10 m以內的距離實現對卡片的自動識別，符合井下作業設備力求簡單、方便的要求。

3係統介紹
3 .1係統總體設計思路
井下人員實時管理係統是利用現有煤礦監控係統作為主傳輸平台，開發相應的井下人員跟蹤定位分站、射頻識別卡等設備與係統掛接。
係統主要用於井下人員和機車定位跟蹤，由安裝在安全帽上的Tag、礦井專用處理傳輸基站(包括天線和目標識別器)、數據傳輸接口、地麵中心站軟件組成。當人員經過井下巷道安裝的發射天線工作區時，基站獲取人員攜帶的標簽信息，係統自動采集該人員經過的時間、地點信息，並傳送到地麵的管理數據庫。地麵中心站接收來自井下專用處理傳輸分站上的編碼信號，實現對井下人員和機車跟蹤定位信息的采集、分析處理、實時顯示、曆史數據存儲報表、查詢打印等功能。使管理人員能及時準確的查詢各種信息，方便作業人員和設備的調度和管理提高和優化煤礦的整體管理水平。
3 .2係統設計方案
係統包括硬件係統和軟件係統。軟件係統包括應用軟件和嵌入式軟件兩部分組成，用於完成信息采集、識別、加工及其傳輸，由這兩部分軟件共同支撐著整個係統的運行;硬件係統由井下分站設備、天線、Tag、數據傳輸接口和地麵設備組成，用於完成信息采集和識別，從而實現預設的係統功能和信息化管理目標。
(1)井下分站設備。井下分站設備由信息采集處理板、信息傳輸處理板、隔爆電源、備用電池、漢字液晶顯示模塊、嵌入式軟件，以及礦用阻燃電源電纜、礦用阻燃雙絞線通信電纜、接線盒等組成。信息處理采集主板是完成對分站區域內的Tag信息的采集、處理;信息傳輸處理板是將RS232信號轉換為RS485信號和自動存儲監測數據，傳輸距離10 km,同時將重碼的信息進行判定和過濾，接受上位機的輪循訪問並向上位機傳送所采集到的人員編碼信息;不間斷電源是停電後提供2h的供電電源;礦用阻燃電源電纜是為分站提供工作電源;礦用阻燃雙絞線通信電纜主要是完成井下網絡的連接，為現場RS485總線方式;漢字液晶顯示模塊主要顯示人員編碼和時鍾功能，可用遙控器查詢記錄。
(2)天線。實現與Tag之間的數據通信。
(3) Tag. Tag鑲嵌在安全帽上，安全帽是半球形。一般的，當RFI D Tag天線結構發生彎曲時，天線的方向係數與輸入阻抗都會改變，相應地，RFI D係統的工作距離必定產生變化。經過仿真處理和實驗證明，鑲嵌在安全帽上的Tag天線發生的彎曲對係統的性能影響可以忽略不計。
Tag平時處於睡眠狀態，當Tag進入係統工作區時，天線能接收到特定的電磁波，線圈就會產生感應電流。再經過整流電路，就會激活電路上的微型開關，給Tag供電。從而Tag發送出的自身的信息被Reade:讀取並解碼後送至數據交換、管理係統處理。
(4)數傳接口。主要由電源板、信號轉換板及安全栓組成，完成通訊信號的轉換和本安與非本安運行環境的隔離。
(5)地麵設備。地麵人員監測管理部分由數據通信接口、HUB、監控計算機、管理計算機、服務器、UPS電源、打印機、網絡終端、防雷設備等組成。
監控計算機(含人員監測管理軟件)及數據庫，實現對信息的自動化管理目標，在計算機屏幕上直觀動態顯示井下人員的分布情況，使管理層一目了然;UPS電源主要為了在交流電源停電後繼續維持係統設備正常運行;打印機主要用來打印人員監測管理報表;網絡終端主要是人員監測信息的網上共享。
管理計算機主要是完成人員和機車信息資料的錄入，分類存入計算機以備隨時檢索使用;對原始數據進行統計並輸出各種文字和文字報表;通過對原始數據及圖像進行多條件複合查詢並彙總;進行標識卡的發行、回收、掛失、恢複操作;對係統進行各種初始設置等功能門
網絡服務器完成整個管理係統局域網絡的管理及作為數據庫服務器進行原始數據及圖像的存儲、備份工作。
網絡服務器、管理計算機、監控計算機、巷道各分站通過星形及總線形的混合網絡拓撲結構連接而成，是一個具有實時數據監視及采集、圖像監視及采集、數據統計、信息檢索等多項功能的計算機綜合管理係統。其中包括由采用星型結構連接在一起的井下分站為主而構成的井下管理係統;由通過集線器連接的服務器、管理計算機、報表打印機組成的上端管理係統;由通過數據通道與圖像信息通道與網絡連接在一起的以監控計算機為主，視頻采集設備為輔的多媒體信息係統。
3 .3係統的網絡結構圖

4人員定位管理軟件
人員定位管理軟件實現對井下人員的跟蹤定位信息的采集、分析處理、實時顯示、數據庫存儲、報表打印等功能。軟件是采用Microsoft的Visual C ++6 .0開發的集數據采集與信息處理的綜合管理係統。本係統是以SQL Server 2000數據庫為主的C/S模式開發而成的，共有操作員登錄、實時顯示、數據查詢、數據統計、個人編碼器管理、人員活動軌跡、係統維護7個模塊，如圖3所示。

(1)登錄模塊。登錄模塊主要完成開機後操作員的密碼及權限輸入，人員權限情況的校驗等功能，操作方法采用手工輸入。
(2)實時顯示模塊。礦井人員位置信息通過井下人員跟蹤定位基站發送到地麵監控主機後，由軟件進行實時分析處理在電子地圖上實時顯示當前井下各巷道人員分布情況和機車分布情況，並且對人員井下活動軌跡進行紀錄，實現對井下人員活動路線、滯留時間及目前所處位置的管理。
(3)數據查詢模塊。數據查詢模塊主要完成通過各種條件對原始數據進行檢索並彙總的功能。主要實現:查詢井下人員的動態分布情況和數量;查詢任一井下人員當前位置和指定時間所處的位置;查詢任一指定位置的人員情況，並進行實時跟蹤顯示;查詢人員考勤記錄查詢;全礦數據查詢。
(4)數據統計模塊。數據統計模塊主要是根據巷道各基站的交換信息進行統計彙總，並按照指定的格式進行報表的輸出。
(5)個人信息管理模塊。個人信息管理模塊主要是對職工個人信息進行統計彙總，並按照一定的規則進行編碼分配。包括:全體職工數據管理、職工資料管理、職工信息。
( 6)係統維護模塊。係統維護模塊主要是完成對整個管理係統進行初始化操作和對各種與係統相關的重要數據進行維護的功能。此模塊隻能由本係統的超級用戶來完成，其他任何人員不能完成此模塊的各項功能。維護項目包括:①基本信息維護;②操作人員維護;③巷道各基站維護;④數據庫維護。

5結論
井下人員實時管理係統是集計算機軟硬件、信息采集處理、無線數據傳輸、網絡數據通訊、自動控製等技術多學科綜合應用為一體的自動識別信息技術產品，該係統是通過對坑道遠距離移動目標進行非接觸式信息采集處理，實現對人在不同狀態(移動、靜止)下的自動識別，從而實現目標的自動化管理。