基于RFID的井下人员定位系统设计

陈齐慧 刘佳 文雅 吴周念 范文超 常春

摘 要：井下人员定位系统是煤矿井下安全避险“六大系统”之一。本文在概述射频识别技术的基础上，提出了一种基于RFID系统设计的井下人员定位系统的设计方法。系统的读写器和标签均采用低功耗射频芯片nRF24LE1作为核心器件，采用VS2008+QT构建井下人员定位软件系统。该系统主要有硬件、下位机软件和上位机软件三个部分组成。应用于井下人员定位的RFID系统，可以实现对井下人员的实时定位，在人员的管理调度和事故发生时的搜救工作上起到辅助作用，对井下安全生产管理有着重要的现实意义。

关键词：井下人员定位；射频识别（RFID）；nRF24LE1

1 引言

煤矿井下安全問题一直是国家重视的问题[1]，我国大中型煤矿和广大乡镇小煤矿都在响应国家号召，越来越重视煤矿安全问题，已经开始装备煤矿安全生产监控系统。井下人员定位跟踪及安全管理系统可以对井下人员进行实时跟踪，方便掌握每个人的活动轨迹[2]，在灾害发生时可以及时找到井下被困人员，为救援提供了宝贵的信息。由于煤矿井下无线传输衰减大，GPS信号不能完全覆盖井下的每个巷道。本文设计了一种基于射频识别（RFID）技术的井下人员安全定位跟踪系统的设计方案。

2 射频识别系统

2.1 射频识别技术

射频识别（Radio Frequence Identification，RFID）技术起源于二战时期，由最初只在军事领域的应用慢慢发展到现在在民用各个领域的应用，RFID迎来了一个崭新的发展时期。目前，RFID得到了世界各国的广泛关注，大量应用于公路收费、停车场管理、身份识别等方面。

RFID技术是利用无线射频方式进行非接触双向通信，自动识别目标对象获取相关信息数据的无线通信技术。RFID系统一般包括终端机、RFID中间件、读写器和标签几个部分。读写器利用射频信号自动识别电子标签的信息，将信息打包通过中间件发送给上位机，识别过程无需人工干预，可以自动完成信息的传输与处理，可工作于各种恶劣环境，在识别高速运动的物体和同时识别多个标签上有很好的应用。

基于RFID的人员定位系统从无源射频近距离识别阶段、有源微波远距离识别阶段到现在的双向识别通信阶段一共经历了三个阶段。本文设计采用有源微波远距离识别的方案，该方案具有通信距离远，可靠性好，识别速度快等的优点[3]。

3 系统的设计与实现

整个系统包括硬软件的设计，其中硬件部分由井下人员携带的电子标签和各个监测点的阅读器组成；下位机软件部分由采集信息、信息打包部分组成；上位机软件包括串口通信和数据的加工处理组成。

3.1 硬件电路的设计

硬件电路分为标签电路、读写器电路、中间件的设计，如图1所示。其中标签模块采用纽扣电池供电，读写器采用专门的供电模块供电。nRF24LE1外围电路简单，在它的应用电路的基础上加了一个功放芯片RFX2401C，相当于进行了一个发射功率放大，接收灵敏度加强[7]。天线部分采用PCB天线。通讯接口采用传输距离远、抗噪能力强的485通信方式。

3.2 系统软件的设计

系统软件的设计包括两部分：下位机程序的设计和上位机程序的设计。

3.2.1 下位机程序设计

下位机程序的设计又包括标签程序的设计和读写器程序的设计。读写器通过对标签的射频识别对标签的实时信息进行数据采集和处理然后将信息通过RFID中间件将数据上传给上位机。下位机程序流程图，其中标签的流程图如图2所示，读写器的流程图如图3所示。

读写器和标签卡在完成通信方面有几个关键点：

（1）防碰撞算法的设计。在通信时信道中会有多个标签同时工作，为保证通信的可靠性，防碰撞必须考虑到其中。通过对信道功率的探测，进行载波监听，当信道忙时，通过随机退避一个时延，再反复监听信道直到信道空闲下来完成无线通信任务。

（2）低功耗的设计。由于标签是采用纽扣电池供电，所以必须考虑减小功耗。nRF24LE1本身是一款低功耗的芯片，在此基础上，在软件设计上加入对标签的定时唤醒和通过读写器对标签的工作状态的切换，最大限度上节能。

（3）电源监管的设计。当标签电池电压低于设置电压时，发出报警，提醒更换电池。

（4）定位算法的设计采用RSSI测距和质心算法，实现井下人员的定位。读写器完成采集标签信息进行强度排序后将运算结果上传到上位机，上位机进行均方差和井下人员坐标位置[5][6]。

3.2.2 上位机程序设计

上位机软件设计方面，需要体现数据的处理结果可视化的显示出来，通过定位算法能将标签的区域位置给显示出来。上位机软件开发环境选择的是VS2008+QT，在基本串口程序的基础上，在数据处理方面加入了定位算法和数据处理功能和modbus通讯协议，通过与下位机的配合实现485总线通信，保证了通信的可靠性。上位机的程序流程图如图4所示。

4 总结

RFID作为一门越来越热的一门技术，随着在智能识别上得到广泛应用，RFID设计标准正在日趋完善中。在深入了解RFID技术原理与应用，结合国内外RFID技术的发展现状，提出了一种工作在2.4GHz有源RFID读写系统，在结合上位机软件开发之后，形成了基于RFID技术的井下人员定位系统。是煤矿井下安全生产管理为前提，通过RFID技术、通讯技术和计算机技术的结合，突破了传统井下人员管理模式，是一种可靠实施性强的一种煤矿井下人员监控系统。

[参考文献]

[1]苏静，吴桂义.煤矿井下人员定位系统现状与发展趋势[J].内蒙古煤炭经济，2012，9.

[2]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，2007，16.

[3]刘兆岩.基于RFID技术的人员定位系统[J].水力采煤与管道运输，2013.6.

[4]超低功耗单片无线系统应用与入门——基于2.4GHz无线SOC芯片NRF24LE1[M].北京航空航天大学出版社，2011.

[5]林玮，陈传峰.基于RSSI的无线传感器网络三角形质心定位算法[J].现代电子技术，2009.2.

[6]李蒙，李广宏，刁文广.无线传感网络煤矿井下人员定位系统设计[J].煤矿安全，2010，11.

[7]Rfaxis.RFX2401C Preliminary Data Sheet.2012.