基于RFID和CAN的井下人员定位系统的研究

张鹏

安徽理工大学，淮南 232001

基于RFID和CAN的井下人员定位系统的研究

张鹏

安徽理工大学，淮南 232001

设计一种基于无线射频识别技术（RFID）和控制器局域网（CAN）的井下人员定位系统，在煤矿安全生产中起到积极的作用。在矿难发生时，通过定位系统可以知道井下工作人员的大概位置，给实施营救过程中带来帮助，在平时的时候也可以作为考勤的功能。通过RFID技术的优势和CAN的稳定性使系统更加可靠、精确。

人员定位；CAN；无线射频识别

前言

我国是产煤大国，煤炭产量居世界第一。社会关注产煤量的同时，更关注井下务工人员的生命安全。我国的绝大部分煤炭资源的开采都是务工人员井下作业的，而这种井下作业方式的危险系数远远高于地面作业。一旦矿井事故发生，抢救人员对井下工作者的信息掌握量直接决定他们抢救被困人员的成功率。引入井下人员定位系统，主要运用无线射频识别（RFID）技术原理，进入井下的工作人员佩戴电子标签，通过井下安装好的各个读写器能够识别个人信息，再通过各个读写器组成的CAN总线传送到地面监测系统上。让监测人员时刻掌握井下人员的位置和运动轨迹，同时也可以掌握井下设备的信息。为抢险救难提供有用信息，减少井下工作人员的伤亡。平时也可以生成考勤报表，掌握工作人员的出勤情况，提高煤矿管理的工作效率。

1 RFID技术

无线射频识别技术（RFID）20世纪末发展起来的，是一种与雷达原理相似的新型非接触式自动识别技术，通过无线传输方式进行双向数据通信识别物体并获取相关信息。

随着自动识别技术的不断发展，自动识别方法也越来越多。其中应用最为普遍而且又经济的自动识别技术就属条形码了，但是它的缺点在于信息量小，不能改写。IC卡也是使用非常广泛的，但是在某些特殊的情况下，接触点是无法接通的。相比之下，RFID的优势非常明显：首先，信息存储量比较大，产品本身都有自己的ID号，并且每个ID号都不一样；读写时对光的要求不高，能穿过外部材料获取信息。其次，可以很容易的装在各种大小不一，类型不同的产品上，可以改变本身的数据、信息，读取的范围更大。再次，标签的数据安全性能比较好，可以通过密码保护；可以掌握装有标签的产品的运动轨迹。

2 CAN总线技术

控制器局域网（CAN）是一种串行的数据通信协议，最早是应用在汽车领域，由于它的优越性已经逐步推广到其他工业领域，并且得到了广泛的应用。CAN是一种多个主节点的总线网络，它可以实现点对点之间的通信，也可以实现一点对多点的通信，并且任意一点任何时刻都可以向其它每点发送数据。当某处节点产生错误时，能够自动检测到并且将其关闭阻止它和主节点的通信，避免给其他节点造成影响。这就使得CAN总线和其他总线相比，具有较高的可靠性和检错性。

CAN与工业以太网相比，虽然最大带宽不如工业以太网，但是CAN的通信速率还是能够满足工业现场的要求的，更重要的是它弥补了以太网总线上没有电源的缺点，大大提高受电磁干扰以及射频干扰的能力。CAN总线技术不仅可靠性好，实时性好，成本低，还有极高的总线利用率。是一种先进的，完善的现场总线技术，在自动控制领域得到了非常广泛的利用。

3 定位系统的设计

3.1 定位系统的方案设计

为了保证井下工作人员的安全，时刻掌握井下人员的位置动向，何时这哪个地点工作。因此，在每个巷道分叉处安装一个读写器，在较长的巷道应该适当多安装几个。一定量的读写器组成一个基站。各个基站组成CAN连接到地面管理中心。每个下井的工作人员都必须佩戴一个标签，各个标签都是自己唯一的ID。当工作人员在井下经过读写器时，读写器接收到标签发送的ID，然后把信息传给基站，地面管理中心从基站获取的信息经过处理得知工作人员的大概位置。

3.2 读写器的设计：

读写器包括以下几个部分，首先一个是电源，它的由防爆电源提供。再一个是天线，在矿井下巷道特别长而且狭窄，还有有其他各式各样的传输媒介，电磁波在巷道传播时极化方向很容易发生变化，所以天线的设计采用圆极化天线，增加系统的稳定性。最重要的部分是无线接收模块，到现在为止矿下采用的定位技术的通信频率大概在1GHz以上，在此个通信频率内所具有的优势是读写的距离比较远，但是由于在矿井下巷道的布局和所处的环境非常复杂，这种优势无法发挥出来。高频和超高频的弊端在于抗干扰能力和绕射能力都不太理想，所以无线接收模块我们选择的是NORDIC公司的Nrf403芯片，它的工作频率是433MHz。大多数然后是MCU，由于接收到数据不是很复杂，所以对MCU的要求不是很高，Nrf403芯片能够很好的满足它的要求，从而简化了整个硬件的设计。读写器的发送流程如图2。

图1 定位系统结构图

图2 读写器的发送流程

3.3 标签的设计

标签包括这么几部分：无线发射芯片，MCU和电源。无线发射芯片我们选择的是NORDIC公司的Nrf403芯片，这个芯片的通信接口是SPI式的，因此我们选择MCU时应该选择带有SPI总线的51单片机。考虑到井下的特殊情况和携带的方便，并且Nrf403芯片所需的供电电压低并且功耗也低，我们选择纽扣式电池作为电源。井下安全是十分重要的，有一点火花可能就会出现安全事故的，电源都要通过防爆处理，但是Nrf403芯片工作电流只有安，不需要安装防爆外壳，这样使得标签的体积小，方便工作人员携带。标签的发送流程如图3。

图3 标签的发送流程

4 系统软件设计

系统管理软件由数据采集和信息处理系统组成。包括井下人员定位，方位动态显示系统，统计分析考勤系统，数据查询和报表生成系统，地面报警系统和数据管理子系统。

5 总结

井下工作人员的生命安全是重中之重，井下人员的定位是煤炭安全生产的保证。随着无线电的快速发展，RFID技术也会在定位系统中得到比较好的利用。本系统利用RFID和CAN技术的设计降低了生产成本，提高了系统的可靠性。在平时还可以作为考勤的功能，记录工作人员井下工作时间显示人员的轨迹。

[1]李毅,李红波.基于RF ID技术的车辆综合自动管理系统的设计研究[J].微计算机信息, 2005, (19)

[2]迟东民.基于CAN 总线分布式监控系统的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2005

[3]李洪宇.井下人员定位系统[D].济南：山东科技大学，2004

Design of Underground People Tracking System Based on RFID and CAN

Zhang Peng
Anhui University of Science & Technology，Huai Nan 232001

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.17.036

张鹏（1986-），男，江西赣州人，安徽理工大学电气与信息工程学院研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

AbstractThe design of a mine personnel positioning system based on Radio Frequency Identification (RFID) and Controller Area Network (CAN), in the coal mine production safety play an active role.When the mine disaster, positioning system can know the approximate location of underground work, to bring help to the rescue, as the function of the attendance at the usual time.The stability of the advantages of RFID technology and CAN make the system more reliable and accurate.

KeywordsPeople tracking;CAN；Radio Frequency Identification