基于RFID技術(shù)的井下人員實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)

摘 要:介紹了RFID技術(shù)，并對(duì)井下使用RFI D技術(shù)進(jìn)行可行性分析。在分析了井下無(wú)線資源特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了采用915 MHz的RFID技術(shù)進(jìn)行礦井人員實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)和定位，可為工作人員提供礦井巷道網(wǎng)絡(luò)、人員位置、危險(xiǎn)區(qū)域及相應(yīng)提示的動(dòng)態(tài)信息。如果發(fā)生災(zāi)變，還可立即從監(jiān)控計(jì)算機(jī)上查詢事故現(xiàn)場(chǎng)的人員位置分布情況、被困人員數(shù)量、遇險(xiǎn)人員撤退線路等信息，為事故搶險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。
關(guān)鍵詞:RFID ;礦井安全;實(shí)時(shí)定位;總線網(wǎng)絡(luò)

0引言
目前我國(guó)大中型煤礦及廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦已大量裝備了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，這些安全裝備的推廣應(yīng)用大大改善了我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)狀況。礦難的不斷發(fā)生和搶險(xiǎn)救災(zāi)的不力，暴露出目前監(jiān)控系統(tǒng)的弊端:監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)入井人員管理困難，井上人員難以及時(shí)掌握井下人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況，一旦事故發(fā)生，對(duì)井下人員的搶救缺乏可靠信息，搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低，效果不理想。
本文提出的基于RFI D的新型礦井人員定位跟蹤管理系統(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，可為工作人員提供礦井巷道網(wǎng)絡(luò)、人員位置、危險(xiǎn)區(qū)域及相應(yīng)提示的動(dòng)態(tài)信息。如果發(fā)生災(zāi)變，還可立即從監(jiān)控計(jì)算機(jī)上查詢事故現(xiàn)場(chǎng)的人員位置分布情況、被困人員數(shù)量、遇險(xiǎn)人員撤退線路等信息，為事故搶險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，也可利用系統(tǒng)的日?？记?a href=http://cltuan.cn/mkgl/ target=_blank class=infotextkey>管理功能，對(duì)礦井人員進(jìn)行考勤管理。

1 RFID簡(jiǎn)介
RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)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)，可工作于各種惡劣環(huán)境，識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。
RFID應(yīng)用系統(tǒng)由4部分組成:
(1) RFID電子標(biāo)簽。RFI D電子標(biāo)簽?zāi)軌蛸A存有關(guān)物體的數(shù)據(jù)信息(約1 kbits)。在自動(dòng)識(shí)別管理系統(tǒng)中，每個(gè)RFID標(biāo)簽中保存著一個(gè)物體的屬性、狀態(tài)、編號(hào)等信息。標(biāo)簽通常安裝在物體表面，具有一定的無(wú)金屬遮擋的視角。
(2)讀寫(xiě)器，用于識(shí)讀及寫(xiě)入標(biāo)簽數(shù)據(jù)，其主要功能是:查閱RFID電子標(biāo)簽中當(dāng)前貯存的數(shù)據(jù)信息;向空白R(shí)FID電子標(biāo)簽中寫(xiě)入預(yù)貯存的數(shù)據(jù)信息;修改(重新寫(xiě)入)RFI D電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息;與后臺(tái)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交互。
(3)發(fā)送接收信號(hào)的天線。天線是標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。在實(shí)際應(yīng)用中，除了系統(tǒng)功率，天線的形狀和相對(duì)位置也會(huì)影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收，需要專業(yè)人員對(duì)系統(tǒng)的天線進(jìn)行
設(shè)計(jì)、安裝。
(4)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和其他信息系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)處理讀寫(xiě)器傳送過(guò)來(lái)的信息，并進(jìn)行信息處理。將重要信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。其他信息系統(tǒng)根據(jù)需要向讀寫(xiě)器發(fā)送指令，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行相應(yīng)操作。

2可行性分析
(1)頻率的選擇。井下無(wú)線頻帶資源豐富，沒(méi)有頻帶利用的限制，Tag和Reade:的可供選擇的資源豐富。但是礦井巷道內(nèi)情況十分復(fù)雜，巷道中有鋼軌、支架、風(fēng)門、照明線和動(dòng)力電纜等，巷道壁凹凸不平，巷道縱橫交錯(cuò)、拐彎抹角。對(duì)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(duì)于巷道中的無(wú)線通信，最佳頻率在550 ~ 950 MHz，對(duì)于不同的傳輸距離，不同的巷道情況，最佳工作頻率是不一樣的。在生產(chǎn)實(shí)踐中，要根據(jù)實(shí)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(biāo)簽比超高頻標(biāo)簽便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強(qiáng)，工作頻率不受無(wú)線電頻率管制約束，最適合用于含水成分較高的物體，但是識(shí)別距離小于1 m，雖然具有良好的個(gè)體定位功能，如果要做到整個(gè)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(shí)標(biāo)簽的防沖撞功能不好。
高頻標(biāo)簽屬于中短距識(shí)別。2 .45 GHz微波，識(shí)別開(kāi)闊場(chǎng)所達(dá)200 m，井下為100 m左右。但是距離太大就會(huì)失去定位的功能了，同時(shí)標(biāo)簽的防沖撞功能不好。
所以本系統(tǒng)采用915 MHz的頻段上RFI D技術(shù)，井下人員跟蹤定位基站有效接收范圍10 m，允許被測(cè)目標(biāo)最大移動(dòng)速度6 m/s，能夠很好的實(shí)現(xiàn)定位;同時(shí)識(shí)別目標(biāo)個(gè)數(shù)20個(gè)，防沖撞功能好;通訊方式采用 RS485，傳輸波特率為2 400 bps，能夠?qū)崿F(xiàn)礦井監(jiān)控的目標(biāo)。
對(duì)于雙頻系統(tǒng)，由于價(jià)格較高，考慮到成本問(wèn)題，本系統(tǒng)沒(méi)有采用。
(2)安全性分析。煤礦井下具有甲烷等可燃性氣體和煤塵，無(wú)線通信設(shè)備必須是防爆型電氣設(shè)備，并宜采用安全性能好、體積小、質(zhì)量輕、成本低的本質(zhì)安全型防爆措施，礦井的輻射電磁場(chǎng)環(huán)境應(yīng)按2級(jí)中等電磁輻射環(huán)境考慮。并且礦井的瓦斯?jié)舛仍诓煌奈恢煤筒煌臅r(shí)間會(huì)發(fā)生的變化。
RFI D采用射頻識(shí)別技術(shù)，理論上不會(huì)對(duì)井下作業(yè)產(chǎn)生危險(xiǎn)。在系統(tǒng)中Tag采用無(wú)緣芯片，Reader設(shè)計(jì)和封裝時(shí)采取本質(zhì)安全型防爆措施。
(3)設(shè)置可行性分析。礦井一般深度都在地下500 m以下。煤礦開(kāi)采是不斷進(jìn)行的，如果采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能方便的增加節(jié)點(diǎn)，會(huì)給系統(tǒng)的使用帶來(lái)不便。因此Reade:與后臺(tái)操作可采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式連接，同時(shí)信息可利用現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)的線路進(jìn)行傳輸?？偩€型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只需增加一段電纜和一個(gè)Reade:就可以增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這使系統(tǒng)可以隨著煤礦的開(kāi)采不斷的擴(kuò)充。
(4)操作可行性分析。RFI D的Tag攜帶方便、操作簡(jiǎn)單，Reade:可在10 m以內(nèi)的距離實(shí)現(xiàn)對(duì)卡片的自動(dòng)識(shí)別，符合井下作業(yè)設(shè)備力求簡(jiǎn)單、方便的要求。

3系統(tǒng)介紹
3 .1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路
井下人員實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)是利用現(xiàn)有煤礦監(jiān)控系統(tǒng)作為主傳輸平臺(tái)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的井下人員跟蹤定位分站、射頻識(shí)別卡等設(shè)備與系統(tǒng)掛接。
系統(tǒng)主要用于井下人員和機(jī)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(biāo)識(shí)別器)、數(shù)據(jù)傳輸接口、地面中心站軟件組成。當(dāng)人員經(jīng)過(guò)井下巷道安裝的發(fā)射天線工作區(qū)時(shí)，基站獲取人員攜帶的標(biāo)簽信息，系統(tǒng)自動(dòng)采集該人員經(jīng)過(guò)的時(shí)間、地點(diǎn)信息，并傳送到地面的管理數(shù)據(jù)庫(kù)。地面中心站接收來(lái)自井下專用處理傳輸分站上的編碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員和機(jī)車跟蹤定位信息的采集、分析處理、實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)報(bào)表、查詢打印等功能。使管理人員能及時(shí)準(zhǔn)確的查詢各種信息，方便作業(yè)人員和設(shè)備的調(diào)度和管理提高和優(yōu)化煤礦的整體管理水平。
3 .2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包括應(yīng)用軟件和嵌入式軟件兩部分組成，用于完成信息采集、識(shí)別、加工及其傳輸，由這兩部分軟件共同支撐著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行;硬件系統(tǒng)由井下分站設(shè)備、天線、Tag、數(shù)據(jù)傳輸接口和地面設(shè)備組成，用于完成信息采集和識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的系統(tǒng)功能和信息化管理目標(biāo)。
(1)井下分站設(shè)備。井下分站設(shè)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(duì)分站區(qū)域內(nèi)的Tag信息的采集、處理;信息傳輸處理板是將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào)和自動(dòng)存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，傳輸距離10 km,同時(shí)將重碼的信息進(jìn)行判定和過(guò)濾，接受上位機(jī)的輪循訪問(wèn)并向上位機(jī)傳送所采集到的人員編碼信息;不間斷電源是停電后提供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(wǎng)絡(luò)的連接，為現(xiàn)場(chǎng)RS485總線方式;漢字液晶顯示模塊主要顯示人員編碼和時(shí)鐘功能，可用遙控器查詢記錄。
(2)天線。實(shí)現(xiàn)與Tag之間的數(shù)據(jù)通信。
(3) Tag. Tag鑲嵌在安全帽上，安全帽是半球形。一般的，當(dāng)RFI D Tag天線結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲時(shí)，天線的方向系數(shù)與輸入阻抗都會(huì)改變，相應(yīng)地，RFI D系統(tǒng)的工作距離必定產(chǎn)生變化。經(jīng)過(guò)仿真處理和實(shí)驗(yàn)證明，鑲嵌在安全帽上的Tag天線發(fā)生的彎曲對(duì)系統(tǒng)的性能影響可以忽略不計(jì)。
Tag平時(shí)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)Tag進(jìn)入系統(tǒng)工作區(qū)時(shí)，天線能接收到特定的電磁波，線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。再經(jīng)過(guò)整流電路，就會(huì)激活電路上的微型開(kāi)關(guān)，給Tag供電。從而Tag發(fā)送出的自身的信息被Reade:讀取并解碼后送至數(shù)據(jù)交換、管理系統(tǒng)處理。
(4)數(shù)傳接口。主要由電源板、信號(hào)轉(zhuǎn)換板及安全栓組成，完成通訊信號(hào)的轉(zhuǎn)換和本安與非本安運(yùn)行環(huán)境的隔離。
(5)地面設(shè)備。地面人員監(jiān)測(cè)管理部分由數(shù)據(jù)通信接口、HUB、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、管理計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、UPS電源、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)終端、防雷設(shè)備等組成。
監(jiān)控計(jì)算機(jī)(含人員監(jiān)測(cè)管理軟件)及數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的自動(dòng)化管理目標(biāo)，在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀動(dòng)態(tài)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后繼續(xù)維持系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行;打印機(jī)主要用來(lái)打印人員監(jiān)測(cè)管理報(bào)表;網(wǎng)絡(luò)終端主要是人員監(jiān)測(cè)信息的網(wǎng)上共享。
管理計(jì)算機(jī)主要是完成人員和機(jī)車信息資料的錄入，分類存入計(jì)算機(jī)以備隨時(shí)檢索使用;對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并輸出各種文字和文字報(bào)表;通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行多條件復(fù)合查詢并匯總;進(jìn)行標(biāo)識(shí)卡的發(fā)行、回收、掛失、恢復(fù)操作;對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種初始設(shè)置等功能門
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器完成整個(gè)管理系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)的管理及作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行原始數(shù)據(jù)及圖像的存儲(chǔ)、備份工作。
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、巷道各分站通過(guò)星形及總線形的混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接而成，是一個(gè)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)視及采集、圖像監(jiān)視及采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、信息檢索等多項(xiàng)功能的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)。其中包括由采用星型結(jié)構(gòu)連接在一起的井下分站為主而構(gòu)成的井下管理系統(tǒng);由通過(guò)集線器連接的服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)、報(bào)表打印機(jī)組成的上端管理系統(tǒng);由通過(guò)數(shù)據(jù)通道與圖像信息通道與網(wǎng)絡(luò)連接在一起的以監(jiān)控計(jì)算機(jī)為主，視頻采集設(shè)備為輔的多媒體信息系統(tǒng)。
3 .3系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4人員定位管理軟件
人員定位管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的跟蹤定位信息的采集、分析處理、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、報(bào)表打印等功能。軟件是采用Microsoft的Visual C ++6 .0開(kāi)發(fā)的集數(shù)據(jù)采集與信息處理的綜合管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)為主的C/S模式開(kāi)發(fā)而成的，共有操作員登錄、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、個(gè)人編碼器管理、人員活動(dòng)軌跡、系統(tǒng)維護(hù)7個(gè)模塊，如圖3所示。

(1)登錄模塊。登錄模塊主要完成開(kāi)機(jī)后操作員的密碼及權(quán)限輸入，人員權(quán)限情況的校驗(yàn)等功能，操作方法采用手工輸入。
(2)實(shí)時(shí)顯示模塊。礦井人員位置信息通過(guò)井下人員跟蹤定位基站發(fā)送到地面監(jiān)控主機(jī)后，由軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理在電子地圖上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前井下各巷道人員分布情況和機(jī)車分布情況，并且對(duì)人員井下活動(dòng)軌跡進(jìn)行紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員活動(dòng)路線、滯留時(shí)間及目前所處位置的管理。
(3)數(shù)據(jù)查詢模塊。數(shù)據(jù)查詢模塊主要完成通過(guò)各種條件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索并匯總的功能。主要實(shí)現(xiàn):查詢井下人員的動(dòng)態(tài)分布情況和數(shù)量;查詢?nèi)我痪氯藛T當(dāng)前位置和指定時(shí)間所處的位置;查詢?nèi)我恢付ㄎ恢玫娜藛T情況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示;查詢?nèi)藛T考勤記錄查詢;全礦數(shù)據(jù)查詢。
(4)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊主要是根據(jù)巷道各基站的交換信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，并按照指定的格式進(jìn)行報(bào)表的輸出。
(5)個(gè)人信息管理模塊。個(gè)人信息管理模塊主要是對(duì)職工個(gè)人信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，并按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼分配。包括:全體職工數(shù)據(jù)管理、職工資料管理、職工信息。
( 6)系統(tǒng)維護(hù)模塊。系統(tǒng)維護(hù)模塊主要是完成對(duì)整個(gè)管理系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作和對(duì)各種與系統(tǒng)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)的功能。此模塊只能由本系統(tǒng)的超級(jí)用戶來(lái)完成，其他任何人員不能完成此模塊的各項(xiàng)功能。維護(hù)項(xiàng)目包括:①基本信息維護(hù);②操作人員維護(hù);③巷道各基站維護(hù);④數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)。

5結(jié)論
井下人員實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)軟硬件、信息采集處理、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊、自動(dòng)控制等技術(shù)多學(xué)科綜合應(yīng)用為一體的自動(dòng)識(shí)別信息技術(shù)產(chǎn)品，該系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)坑道遠(yuǎn)距離移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行非接觸式信息采集處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)人在不同狀態(tài)(移動(dòng)、靜止)下的自動(dòng)識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)化管理。