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基于RFID 的井下人員定位系統
作者：中國礦業大學信電學院 丁琳 陳春 楊禮現
來源：RFID世界網
日期：2007-12-13 17:32:29
摘要：無線射頻得到新的發展和應用，RFID 無線射頻識別技術得到越來越廣泛的應用，本文根據礦業生產的特點以及現行比較流行的無線射頻技術分析了基于RFID的井下人員定位系統，在介紹RFID 的基礎上，給出了讀寫器和身份標簽的硬件軟件設計，并對構建無線讀寫器網絡進行敘述。最后對井下人員定位的發展前景進行了闡述。
1. 引言
我國是煤炭的生產和消費大國，隨著經濟的飛速發展，對能源的需求越來越大，而煤炭是我國能源消費中的主體。占到能源消費總量的70%以上。煤炭工業在經濟建設中的地位很重要。我國煤炭的開采主要是井下開采。井下開采煤炭相對于其它職業來說是一個比較高危險的工作。井下開采常常因為瓦斯爆炸和透水等事故，使國家在遭受巨大經濟損失的同時也失去了很多井下作業的工人的生命。盡管國家大力重視煤炭的安全生產，但仍然有很多不確定的因素導致事故的發生。我國是煤炭事故的高發國家。百萬噸煤產量的死亡率是6 人。這要遠遠高于其它國家。事故的發生有很多原因，有的甚至是突發的，人力不可避免的。一旦事故發生，最主要的任務就是如何快速有序的開展救援工作。但限于國內煤炭生產的現狀，井上對井下人員的監控還不完善，對井下人員的分布情況掌握不夠清除，這就給救援工作帶來很大的困難。無法知道礦工的具體位置情況就無法展開最有效的營救方案，時間的延誤往往造成工人生命的丟失。建立一個井下人員定位的系統，不僅能在事故發生后提供準確的人員位置情況，幫助積極快速的開展營救，在平時的生產中也能有效的掌握人員分布情況，安排和調度工作，提高煤炭生產的管理水平[1]。
2. 統整體設計
2.1 系統介紹
為更好地保障礦井工作人員的安全生產, 實時地掌握礦井下的人員及設備的分布情況是必須的, 比如, 某時某個礦工在哪個坑道作業。為此, 在每一個坑道的交叉口都因安裝讀寫器。為了保證定位的精確性，在比較長的巷道，可以適當的分段安裝讀寫器。井下的工作人員每人隨身攜帶一個標簽，每個標簽有唯一的ID 對應相應的人員，在井下各巷道口及巷道中安裝讀寫器，讀寫器有不同的地址。適當數量的讀寫器組成一個井下基站?；镜母鱾€站點組成CAN[2]總線網絡連接到地面的上位機。當井下工作人員經過讀寫器的讀寫區域時，他們隨身的標簽會向讀寫器發送ID，讀寫器將收集到的人員ID 信息發送給基站，上位機發送命令來獲取基站中的人員位置信息。上位機通過處理信息來判斷人員的位置情況。井下人員標簽和讀寫器構成了井下硬件網絡，上位機軟件則是由操作界面和數據庫系統組成。
2.1.1 無線數據的收發
人員攜帶身份標簽到井下，在讀寫區域內，標簽主動發送身份碼，讀寫器讀取身份標簽， 并將數據轉發到基站存儲器內。轉發的數據包含的信息有人員身份ID，讀寫器的地址ID。人員身份ID 來確定人員身份，讀寫器ID 來確定地點，時間來確定人員的行經路線和最新所處的地點。
2.1.2 井下讀寫器網絡的選擇
為了縮小定位的范圍，就必須盡可能的多安裝讀寫器來細分各巷道段。但這樣以來就增加了節點個數，目前常用的總線網絡一般節點數都較少，為了能滿足系統的需求，我們采用將一定數量的讀寫器先用RS485 組成小網，設立基站。再將各基站通過CAN 總線來組成整個網絡?；緦⒆x寫器讀取并發過來的數據進行收集，再通過CAN 總線網絡將數據傳輸到上位機。
2.1.3 人員定位的軟件界面
人員定位軟件系統由操作界面，以及數據庫系統組成。將人員位置信息數據入庫，為了保證人員數據的可靠接收，我們將標簽設定成重復發送。這就會帶來數據重復的問題，在數據入庫后我們根據時間戳和讀寫器的ID 來對數據進行刪減，在查詢數據里實時的更新每個人員的位置信息，并且可以通過軟件模擬繪圖配合GIS 地理系統圖來現實人員所處的位置。
3. 系統的硬件設計
3.1 讀寫器的設計
讀寫器由無線接收模塊，天線，MCU 以及電源組成。天線可采用吸頂式天線安裝在巷道的頂部，電源由防爆電源箱提供。無線收發芯片的選擇也是十分重要的工作，目前井下定位RFID[3]所采用的通信頻率多是1GHz 以上。這個頻道有它的優勢就是讀寫距離遠，可是井下的特殊地理環境使得它的優勢不那么明顯。超高頻的繞射能力比較差，最終我們選擇的無線接收模塊采用的是NORDIC 公司的Nrf9e5[4]芯片，它的工作頻率有433MHz,868MHz 和915MHz 三種可選擇。該芯片的特點有內嵌8051 單片機，工作電壓低，內部有VDD 電源監控，極低的功耗，采用載波檢測技術，提高了讀寫的防沖突性和移動標簽的讀取性。由于接收的數據不是很復雜，所以對MCU 的要求不是很高，該芯片就能很好的滿足要求。使讀寫器的設計更加簡單。
標簽由無線發射芯片，MCU，電源組成。標簽的無線發射芯片采用NORDIC 公司的Nrf905[5]芯片，由于其數據傳輸接口是SPI 接口，所以在選取MCU 是選取有SPI 總線的51單片機。在選取電源時考慮到人員的移動性和標簽攜帶的方便性，所以電源采用紐扣電池， 由于該芯片的供電電壓低，而且功耗很低，所以紐扣電池能夠滿足要求。另外芯片工作時的電流只有幾毫安，所以滿足井下安全要求，無需添加防爆外殼，可以使標簽體積更小，便于攜帶。
4.1 標簽程序設計
為了保證人員位置信息不丟失，也就是準確的被讀寫器讀取，我們將標簽設成重復發送方式，根據讀寫器安裝的距離來設定好適當的時間間隔，這些通過寫芯片配置命令很容易控制，芯片再進入讀寫區域內，就開始對信道進行載波檢測的監聽，如果信道空閑那么標簽就可以發送數據（發射方式為 特有的ShockBurst 方式），當數據發送完畢時就可 以根據配置命令來判斷數據是否重復發送，并做相 應的處理。
讀寫器的主要功能就是提供一個能量場，和標簽進行通信。接收身份標簽發送過來的數據。MCU 初始化后讀寫芯片就開始進行載波監聽，如果有標簽發送數據，在完成載波檢測和地址匹配的判斷后就開始接收數據，芯片具有自動校驗功能，如果校驗錯誤就重新接收。在完成對數據的正確接收之后，讀寫器將數據發送至基站，再由基站向上位機傳送。
隨著無線技術的高速發展，會在越來越多的領域得到應用。井下人員定位的現實意義十分重大，RFID 技術在井下人員定位中將會得到很好的利用和發展，雖然該系統的設計還不能定位?，F在的技術還達不到能監控人員任意時刻的精確位置。要想精確定位首先要實現網絡覆蓋，一方面是成本問題，一方面是技術問題。隨著技術的飛速發展，相信會有更好的定位方案出來。
參考文獻
[1] 李洪宇．《井下人員定位系統》[D] ．濟南：山東科技大學，2004．
[2] 遲東民．《基于CAN 總線分布式監控系統的設計與實現》[D] ．西安：西安電子科技大學，2005．
[3] 游戰請，李蘇劍．《無線射頻識別技術（RFID）理論與應用》[M] ．電子工業出版社，2004 .10．
[4] NPRDIC．nRF9E5 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，January 2004．
[5] NPRDIC．Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF905 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，Jun 2004．
我國是煤炭的生產和消費大國，隨著經濟的飛速發展，對能源的需求越來越大，而煤炭是我國能源消費中的主體。占到能源消費總量的70%以上。煤炭工業在經濟建設中的地位很重要。我國煤炭的開采主要是井下開采。井下開采煤炭相對于其它職業來說是一個比較高危險的工作。井下開采常常因為瓦斯爆炸和透水等事故，使國家在遭受巨大經濟損失的同時也失去了很多井下作業的工人的生命。盡管國家大力重視煤炭的安全生產，但仍然有很多不確定的因素導致事故的發生。我國是煤炭事故的高發國家。百萬噸煤產量的死亡率是6 人。這要遠遠高于其它國家。事故的發生有很多原因，有的甚至是突發的，人力不可避免的。一旦事故發生，最主要的任務就是如何快速有序的開展救援工作。但限于國內煤炭生產的現狀，井上對井下人員的監控還不完善，對井下人員的分布情況掌握不夠清除，這就給救援工作帶來很大的困難。無法知道礦工的具體位置情況就無法展開最有效的營救方案，時間的延誤往往造成工人生命的丟失。建立一個井下人員定位的系統，不僅能在事故發生后提供準確的人員位置情況，幫助積極快速的開展營救，在平時的生產中也能有效的掌握人員分布情況，安排和調度工作，提高煤炭生產的管理水平[1]。
2. 統整體設計
2.1 系統介紹
為更好地保障礦井工作人員的安全生產, 實時地掌握礦井下的人員及設備的分布情況是必須的, 比如, 某時某個礦工在哪個坑道作業。為此, 在每一個坑道的交叉口都因安裝讀寫器。為了保證定位的精確性，在比較長的巷道，可以適當的分段安裝讀寫器。井下的工作人員每人隨身攜帶一個標簽，每個標簽有唯一的ID 對應相應的人員，在井下各巷道口及巷道中安裝讀寫器，讀寫器有不同的地址。適當數量的讀寫器組成一個井下基站?；镜母鱾€站點組成CAN[2]總線網絡連接到地面的上位機。當井下工作人員經過讀寫器的讀寫區域時，他們隨身的標簽會向讀寫器發送ID，讀寫器將收集到的人員ID 信息發送給基站，上位機發送命令來獲取基站中的人員位置信息。上位機通過處理信息來判斷人員的位置情況。井下人員標簽和讀寫器構成了井下硬件網絡，上位機軟件則是由操作界面和數據庫系統組成。
2.1.1 無線數據的收發
人員攜帶身份標簽到井下，在讀寫區域內，標簽主動發送身份碼，讀寫器讀取身份標簽， 并將數據轉發到基站存儲器內。轉發的數據包含的信息有人員身份ID，讀寫器的地址ID。人員身份ID 來確定人員身份，讀寫器ID 來確定地點，時間來確定人員的行經路線和最新所處的地點。
2.1.2 井下讀寫器網絡的選擇
為了縮小定位的范圍，就必須盡可能的多安裝讀寫器來細分各巷道段。但這樣以來就增加了節點個數，目前常用的總線網絡一般節點數都較少，為了能滿足系統的需求，我們采用將一定數量的讀寫器先用RS485 組成小網，設立基站。再將各基站通過CAN 總線來組成整個網絡?；緦⒆x寫器讀取并發過來的數據進行收集，再通過CAN 總線網絡將數據傳輸到上位機。
2.1.3 人員定位的軟件界面
人員定位軟件系統由操作界面，以及數據庫系統組成。將人員位置信息數據入庫，為了保證人員數據的可靠接收，我們將標簽設定成重復發送。這就會帶來數據重復的問題，在數據入庫后我們根據時間戳和讀寫器的ID 來對數據進行刪減，在查詢數據里實時的更新每個人員的位置信息，并且可以通過軟件模擬繪圖配合GIS 地理系統圖來現實人員所處的位置。
3. 系統的硬件設計
3.1 讀寫器的設計
讀寫器由無線接收模塊，天線，MCU 以及電源組成。天線可采用吸頂式天線安裝在巷道的頂部，電源由防爆電源箱提供。無線收發芯片的選擇也是十分重要的工作，目前井下定位RFID[3]所采用的通信頻率多是1GHz 以上。這個頻道有它的優勢就是讀寫距離遠，可是井下的特殊地理環境使得它的優勢不那么明顯。超高頻的繞射能力比較差，最終我們選擇的無線接收模塊采用的是NORDIC 公司的Nrf9e5[4]芯片，它的工作頻率有433MHz,868MHz 和915MHz 三種可選擇。該芯片的特點有內嵌8051 單片機，工作電壓低，內部有VDD 電源監控，極低的功耗，采用載波檢測技術，提高了讀寫的防沖突性和移動標簽的讀取性。由于接收的數據不是很復雜，所以對MCU 的要求不是很高，該芯片就能很好的滿足要求。使讀寫器的設計更加簡單。
標簽由無線發射芯片，MCU，電源組成。標簽的無線發射芯片采用NORDIC 公司的Nrf905[5]芯片，由于其數據傳輸接口是SPI 接口，所以在選取MCU 是選取有SPI 總線的51單片機。在選取電源時考慮到人員的移動性和標簽攜帶的方便性，所以電源采用紐扣電池， 由于該芯片的供電電壓低，而且功耗很低，所以紐扣電池能夠滿足要求。另外芯片工作時的電流只有幾毫安，所以滿足井下安全要求，無需添加防爆外殼，可以使標簽體積更小，便于攜帶。
4.1 標簽程序設計
為了保證人員位置信息不丟失，也就是準確的被讀寫器讀取，我們將標簽設成重復發送方式，根據讀寫器安裝的距離來設定好適當的時間間隔，這些通過寫芯片配置命令很容易控制，芯片再進入讀寫區域內，就開始對信道進行載波檢測的監聽，如果信道空閑那么標簽就可以發送數據（發射方式為 特有的ShockBurst 方式），當數據發送完畢時就可 以根據配置命令來判斷數據是否重復發送，并做相 應的處理。
讀寫器的主要功能就是提供一個能量場，和標簽進行通信。接收身份標簽發送過來的數據。MCU 初始化后讀寫芯片就開始進行載波監聽，如果有標簽發送數據，在完成載波檢測和地址匹配的判斷后就開始接收數據，芯片具有自動校驗功能，如果校驗錯誤就重新接收。在完成對數據的正確接收之后，讀寫器將數據發送至基站，再由基站向上位機傳送。
隨著無線技術的高速發展，會在越來越多的領域得到應用。井下人員定位的現實意義十分重大，RFID 技術在井下人員定位中將會得到很好的利用和發展，雖然該系統的設計還不能定位?，F在的技術還達不到能監控人員任意時刻的精確位置。要想精確定位首先要實現網絡覆蓋，一方面是成本問題，一方面是技術問題。隨著技術的飛速發展，相信會有更好的定位方案出來。
參考文獻
[1] 李洪宇．《井下人員定位系統》[D] ．濟南：山東科技大學，2004．
[2] 遲東民．《基于CAN 總線分布式監控系統的設計與實現》[D] ．西安：西安電子科技大學，2005．
[3] 游戰請，李蘇劍．《無線射頻識別技術（RFID）理論與應用》[M] ．電子工業出版社，2004 .10．
[4] NPRDIC．nRF9E5 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，January 2004．
[5] NPRDIC．Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF905 ［EB/OL］．http://www.nvlsi.no，Jun 2004．
