煤矿井下人员定位系统的设计

郭 亮，鹿 剑

（1.新疆产品质量监督检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830017；2.新疆特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引 言

基于雷达后向散射（back scattering）通信的原理开发出来的RFID（radio frequency identification）技术是一种无线的、非接触方式的自动识别技术[1]。它能够实现多目标、运动目标的非接触式识别，并且可以加密、解密，已经在公路交通、铁路、煤矿等行业中得到了应用。美国、日本和欧洲等发达国家对RFID应用已经较为普遍，我国目前仍处于起步阶段，应用范围还不够广泛。

近年来，煤矿上发生重大事故逐年增多，国家对煤矿安全的投入也逐年增加，而现在我国煤矿井下人员的安全保障措施还很不到位，考勤制度以挂牌入井为主。由于人为因素，经常出现差错，地面人员无法得知井下人员的具体分布及作业情况，若出现意外事故，救援工作很难开展[2-4]。

新疆阜康7.11特大矿难及黑龙江东风煤矿特大矿难，均有多名矿工失踪，给搜救工作带来很大困难。如何准确地确定任一时间井下工作人员所处的位置成为一项急需解决的问题。如果在矿难发生时，每一个井下人员的位置都是准确可知的，那么搜救工作就会进行得更加顺利，人员的损失也一定会减小。为了适应煤矿安全管理信息化的要求，提升煤炭行业安全技术水平，该文研究确定一种以RFID为核心的人员定位系统。

1 RFID的基本结构与工作原理

参见图1，一个RFID系统主要由3个基本部分组成。

图1 RFID基本结构图[5-6]

1.1 电子标签

用来存储用户信息并在可识别范围之内将信息通过天线发射给读写器以便识别。

根据供电方式的不同，电子标签可分为有源电子标签（active tag）和无源电子标签（passive tag）。有源是指卡内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长，且对工作环境要求不高，比较适用于工作环境较为恶劣的矿井内进行工作。

使用RFID，电子标签不一定要在读头的光学可视范围内。标签的载码体具有穿透大多数非金属材料（假设使用的频率恰当）的能力，因此可以嵌入载体、容器乃至某些生产工具或劳保用品中。而且，这些容器和产品可以密封在外包装中，密封和包装不会对数据采集结果产生重要的不利影响。

1.2 读写器

基本任务是启动电子标签与其进行数据交换来实现非接触的无线通信，也就是识别出每一张在其识别范围之内的标签，并把数据经过调制送到处理器进行处理。

在作用范围之内，当数据流从读写器发出时，读写器的盘绕天线与标签的盘绕天线之间就形成一个磁场，电子标签内的接收天线利用其可变的负载特性，将控制接收天线的反射信号，发送返回的电磁波给读写器。当读写器接收到反射信号时，进行解码获取被识别的信息并发出相应的电磁载波。

1.3 天线

读写器通过天线发送出一定频率的射频信号，当RFID标签进入读写器工作场时，其天线产生感应电流，从而RFID标签获得能量被激活并向读写器发送出自身编码等信息。对于射频识别系统来说，接收耦合天线相当于等效有一个可变负载。读写器接收到来自标签的载波信号，对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理。计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号。RFID标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作。

2 系统基本结构

系统由以下5个主要部分构成[7]，结构图如图2所示

图2 系统结构图

2.1 电子标签

考虑到重量、成本、运行环境及维护等因素，方案采用工作在UHF频段的集成了天线的无源标签，有效范围可达10m。无源电子标签在读出器的响应范围之外是处于无源状态，只有在响应范围之内，这类电子标签才会从读写器的射频场中获取能量，系统激活，开始工作。电子标签工作所需要的能量通过电磁耦合单元或天线，以非接触的方式传送给电子标签。每个标签都有一个全球唯一的ID号码——UID（通常为制造时间），UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改。用户存放数据存放在用户数据区（DATA）内，可以进行读写、覆盖、增加的操作，可将每一个矿工的个人信息写入其专属卡中，以便读写器进行识别。

使用无源电子标签无需担心恶劣的环境对标签的影响，当标签完全浸在水下时仍能传输数据。载码体甚至可以通行240℃高温的烤漆炉。为了电子标签携带方便，现考虑将标签粘贴在矿灯电源上，一次制成之后，若无外力损坏，寿命可长达几十年。

2.2 读写器

因系统需采用的读写器数量较大，考虑到成本因素并通过对煤矿实地考察，采用价格较低的只读器。在作用范围之内，只能读取电子标签反射信号，而不能对标签进行写操作。

在这里采用的工作频段在902～928 MHz频段，每个信道占20dB的带宽，约达到50～500kHz之间。与天线配合控制，经过跳频，有效范围可达8～10m，采用ISO-18000-6协议。读写器可与标签以50～100次/s的频率通信，即每秒可识别50～100个对象，完全能够满足煤矿方面的要求。

在实际使用中可将读写器固定安装，固定位置的读写器对电子标签的识别率可达到100%，并可耐收恶劣的环境并且无需光学可观，在粉尘及高温环境中都能正常运作。

2.3 天线

系统所用的天线必须符合以下条件：足够小以至于能够贴到需要的物品上；有全向或半球覆盖的方向性；提供最大可能的信号给标签的芯片；无论人员处于什么方向，天线的极化都能与读写器的询问信号相匹配；具有鲁棒性并且非常便宜。

按照RFID系统的工作方式或工作频段的不同，电子标签的天线可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。

因系统所需RFID作用距离较远，所以选择远场辐射天线。场辐射天线主要有电场偶极子天线、对称振子天线以及微带天线，通常是谐振式的，一般取为半波长。因此，工作频率的大小决定着天线尺寸的大小，与近场感应线圈天线相比，其辐射效率较高。

2.4 单片机

用来管理读写器与网络接口模块的通信接口。主机系统与单片机连接并通过并口、串口或通信总线访问电子标签。

考虑到煤矿井下所使用，单片机应该具备价格便宜、节能、高处理速度、体积小并且具备良好的防爆性能等特点。系统采用了美国Cygnal公司的超低功耗 SOC（system on chip） 型单片机C8051F30x。

C8051F30x单片机具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，特别是它在设法保持CISI结构及指令系统不变的情况下对指令运行实行流水线作业推出了CIP-51的CPU模式。在这种模式中废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位，平均每个时钟完成一条单周期指令，70%指令执行时间为1个或2个系统时钟周期，速度可达25 MI/s，这样一来在相同时钟下单周期指令运行速度为原来的12倍。整个指令集的平均运行速度是8051的9.5倍，这种高速的指令运行速度使系统具有了很高的处理速度。

C8051F30x是真正能够独立工作的SOC，CPU有效的管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。采用3V电压供电，端口I/O均可耐压5V，满足了防爆及节能的要求[8]。

片内具有8KB Flash，具有在线重新编程的能力，既可用于程序存储器又可用于非易失性数据存储，应用程序可以使用MOVC和MOVX对Flash进行读或写。片内还具有256 B RAM，对于系统来说已经足够使用，不需要再增设外部存储器。硬件增强型URAT可与外部设备直接进行串口通信，或通过UART转USB桥接芯片同外部设备的USB接口进行通信，SMBus总线直接与射频专用收发芯片连接，对射频芯片控制来实现非接触射频卡的读写。

由上述介绍可知应用C8051F30x单片机可提高系统的整体性能，同时又使得系统的外围电路得以简化。单片机与读卡器系统结构框图如图3所示。

图3 单片机与读卡器系统结构框图

2.5 CAN总线和上位机

CAN总线用于读写器与监督管理系统之间的数据通信[9]。上位机编制相应的软件对信息进行处理运算，以图形化的方法把井下用户信息显示出来。系统工作流程如图4所示。

图4 系统工作流程图

3 结束语

以煤矿安全需要为动力，近年来在瓦斯检测、通风等各单元技术方面有长足的发展，为矿工的安全提供了一定的保证，但在井下人员的定位与考勤管理方面还存在一定的缺陷。该文在充分调研现场需要的情况下，研究确定了一种基于RFID的煤矿井下人员定位系统，为在井下出现事故时提供快速的救护将会起到一定的作用[10]。

该文论述了系统的总体结构和主要工作原理，并给出了系统的作用范围以及性能指标。该系统具有工作安全可靠、效率高、耐受恶劣环境能力强、价格低廉等优点。

[1]李成学，郭林霞.基于RFID技术的煤矿井下人员管理信息化的研究[J].中国矿业，2007（9）：70-73.

[2] 段王栓，刘沛林，姚顽强.GPS技术在矿井贯通工程中的应用研究[J].西安科技大学学报，2007（9）：405-408.

[3] 黄强，鲁远祥，孙中闰，等.KJ90矿井人员跟踪定位及考勤管理系统的研制[J].矿业安全与环保，2004（10）：13-17.

[4] 徐敏，周心权，赵红泽，等.灾变期井下遇难人员搜寻定位方法初探[J].煤炭科学技术，2003（12）：114-117.

[5] 王宏.RFID自动识别设备的分类及选型初探[J].微计算机信息，2005，21（1）：79-80.

[6] 张贵艳，张明扬.远距离RFLD读写天线的研究[J].电子设计工程，2009，17（10）：18-19.

[7] 范迪，吕常智，李虎.基于射频模块的矿井巷道人员定位的实现[J].煤矿机械，2007（2）：72-74.

[8] 王坤，林明星.一种基于人员定位的矿井综合通信系统[J].计算机应用研究，2004（8）：217-219.

[9]李洪宇.井下人员定位系统[D].青岛：山东科技大学，2004（5）：11-12.

[10]吕振，刘丹，李春光.基于捷联惯性导航的井下人员精确定位系统[J].煤炭学报，2009（8）：1149-1153.