井下人员考勤系统的设计

孙楠楠 孙运强 姚爱琴

(中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051)

0 引 言

从总体上来看，我国多数煤矿都是高瓦斯矿，开采难度大，危险性高，加之我国井下工作人员整体素质不高，因此我国煤矿事故频发，煤矿生产百万吨死亡率高居不下。如何加强安全生产的防范措施，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，摆到了国家各级主管部门和领导的面前。同时如何改变目前煤矿企业对井下人员落后的管理模式，如何实现管理的现代化、信息化也成为所有煤矿企业关心的问题。因此，本文设计了井下人员考勤系统，用来提高煤矿管理水平，降低事故发生率。

1 考勤系统的整体设计及工作原理

整个考勤装置由Mifarel 卡、读卡器、摄像头、图像采集卡及PC 等构成，其结构示意图如图1 所示。

图1 考勤装置结构框图

装置的工作原理如下:每位矿工身上都有一张代表自己身份的Mifarel 卡。首先将矿工卡号及个人信息存入PC中数据库。当矿工入井或者出井时，都必须在读卡器上刷卡，此时，读卡器将读取卡号，通过串口发送给PC，PC 从数据库中查找读到的卡号及其对应的虹膜信息。如果查找不到卡号，则说明此人为不明身份人员，需要重新登记入库。如果找到卡号，则取出库的虹膜图象编码，与此时采集到的虹膜图像信息相比较，如果匹配成功则说明此人身份无误，记录下时间，作为考勤记录。如果不匹配，则说明此人为冒名顶替者。这样既可以完成考勤，同时还能有效验证矿工身份，减小安全隐患，提高煤矿管理水平。

2 系统的硬件设计

2.1 虹膜识别系统硬件设计

虹膜识别技术的基本原理是通过特制的光学成像系统、电子控制单元以及适当的计算机软件算法来提取虹膜的图像，通过图像分割技术实现虹膜的定位、归一化和去噪声。使用活体虹膜检测，就是要可靠的鉴别出采集到的图像是否来自有生命的个体，使虹膜用特征提取器对虹膜进行有效的特征的提取，最后使用分类器完成基于虹膜特征向量的分类任务。

此识别系统的硬件平台由5 部分组成，分别是图像采集、图像处理、数据存储、图像显示和电源部分。其结构框图如图2 所示。

图2 虹膜识别系统的硬件结构框图

系统主程序运行在DSP 中，完成虹膜图像处理的全部算法。识别过程是:先用摄像机拍摄眼睛图像，然后进行图像预处理(虹膜定位、增强等)，再对虹膜特征进行分析，与存储的虹膜特征进行模式匹配，最后得出识别结果。在这过程中，虹膜定位、特征分析和匹配是重要的部分。

2.2 MIfarel 射频卡工作原理

Mifarel 卡是PHILIPS 公司生产的非接触式IC 智能射频卡。卡片上除了IC 微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件。卡片上无源(无任何电池)，工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线而产生电能，一般可达2 V 以上，供卡片上IC 工作。工作频率为13.56 MHz。

Mifarel 卡工作原理:读写器向卡片发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2 V 时，此电容可作为电源为其它外围电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。

2.3 MIfarel 卡读卡器的设计

图3 读卡器结构图

读卡器结构如图3 所示。读卡器的工作原理是由AT89C52 对MFRC500 进行控制与通信，MFRC500 驱动外围电路对Mifarel 卡进行读写操作。具体说来，当卡片在读卡器有效识别范围内，AT89C52 控制MFRC500，完成对卡的操作和整个读写器的管理下MFRC500 负责信号的编码、解码，信号的调制、解调，匹配电路建立读写器同射频卡之间的联系。

MFRC500 芯片与AT89C52 单片机的连接电路图如图4 所示。

图4 AT89C52与MACR500 连接电路图

在本系统中，采用的是直接匹配的天线。直接匹配的天线的理论工作距离可达100 mm，工作距离主要由天线的大小以及天线匹配电路的修正值决定。需要的部件有EMC 滤波器、接收电路和天线本身的匹配等。图5 是本系统使用的直接匹配天线电路。

图5 直接匹配天线电路配置

3 系统的软件设计

3.1 读卡器与PC 之间的通信协议

PC 与Mifarel 卡读卡器之间通过RS232 总线通信，通信速率设为9 600 bps，采用单总线半双工模式。PC 与读卡器之间每帧的通信格式包括起始位、数据、校验码和结束符。其中数据包括通信状态和4 字节卡号。每帧具体格式如下:

STA，STA，STATUS，NUMI，NUMZ，NUM3，NUM4，ACC，END，END。

其中，STA 为起始位，占两个字节;STATUS 表示Mifarel 卡与读卡器之间是否通信成功，成功则该字节为0，否则为1;NUMI－NUM4 代表读到的四字节Mifarel 卡卡号;ACC 为一字节的奇偶校验码;END 为结束码，占两个字节。

3.2 Mifarel 卡与读卡器之间数据交换

读卡器的程序主要包括两个部分:与Mifarel 卡之间的通信和与PC 机之间的数据传输。

实际上，Mifarel 卡与读卡器之间的通信就是卡片和读卡器之间的数据交换和对卡内EEPROM 存储器中的数据进行处理的过程。读卡器一直处于问询卡片状态，当卡片在读卡器的有效辐射范围内，卡片就能接受到读卡器的指令，经过指令译码，进行数据处理，并返回相应的处理结果。Mifarel 卡与读卡器之间一个完整的交易过程如图6所示。

图6 读卡器对Mifarel 卡完整操作流程

整个读卡器软件操作流程如图7 所示。

图7 读卡器软件操作流程

3.3 主机操作过程

读卡器能够正确地读取到每张代表个人身份的Mifarel 考勤卡，并将其发送到PC 中，但是PC 如何将卡号与个人信息联系，如何进行个人身份识别以及怎么将卡片到达时间存储及查询，这就需要编写一套合理的考勤管理软件。软件大体上需要实现3 个功能:个人信息存入数据库、刷卡考勤及身份识别、考勤记录查询。具体实现过程如流程图8 所示。

图8 考勤实现流程图

4 考勤记录查询结果

图9 为考勤记录查询界面，记录查询可分为3 种类型:

(1)查询个人的考勤记录，选定时间范围，输入编号或姓名后，可查询到该人一段时间内入升井具体时间，入井时长，以及入井总天数，可作为考察该人出勤情况的凭证。

(2)查询一个部门全部人员的考勤记录，选定时间范围，选取需要查询的部门名称后，可查询到一段时间内该部门全部人员的入井天数，可作为考察该部门人员出勤情况的凭证。

(3)查询一段时间入升井人数，选定时间范围，可统计出一段时间内入升井总人数及具体人员名单。

图9 考勤记录查询

考勤记录查询部分功能为按照各种条件查询考勤记录并计算时长。在个人信息查询中，按照所选择的查询条件组成查询语句，在已经打开的记录集中检索到符合条件的记录。所有记录查询功能均具备输出打印功能。

5 结 论

本文研究的主要内容是基于射频识别的煤矿人员考勤系统。用来完成出入井矿工的时间登记，统计矿工每天在井下的工作时间，给管理者提供一个评价矿效率和工作时间的有效依据，便于采取各种奖惩措施，有理可依，有据可查。同时，本系统还添加了矿工身份识别的功能，可以有效防止不明身份人员和冒名顶替人员入井，大大地提高了对煤矿生产的管理水平，但不能得知矿工下井后的动态轨迹，使煤矿安全生产不够智能化和自动化。

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