基于RFID的煤矿人员定位系统硬件设计

基于RFID的煤矿人员定位系统硬件设计

苏文芳

(安徽矿业职业技术学院，安徽 淮北235000)

摘要：基于射频技术和CAN总线的特点，设计井下工作人员定位系统，以解决井下人员或车辆等定位困难问题。采用系统核心模块-射频模块对有关人员的信息进行(非接触式)采集，对不同状态下(移动、静止)的人员进行自动识别；利用CAN总线组建网络进行信息传输，实现目标自动化管理。

关键词：RFID；CAN总线；定位；管理

收稿日期：2015-04-05

作者简介：苏文芳(1984-)，女，安徽淮南人，安徽矿业职业技术学院助理讲师，研究方向为智能控制技术。

中图分类号：TP303文献标识码：A

0引言

RFID(Radio Frequency Identification)是上世纪末新兴起的一种信息识别技术，通过空间耦合传递射频信号，达到非接触式传递信息的目的，信息的有效传递可以准确定位目标。[1]267-2688CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络，具有通信速率较高、抗干扰性较强、可支持的节点数较多的特点，可满足安全防爆的功能。

煤矿井下地质条件复杂，作业人员活动面广，地面监控人员很难及时且动态地掌握井下作业人员的流动情况。一旦发生煤矿事故，由于没法确定人员的分布位置会给救灾等工作带来较大的阻碍。基于此需要，设计了具有自动识别功能的人员定位系统，可以有效地协助地面对煤矿井下人员工作过程监控及管理等。

1系统设计

1.1设计思路

系统设计基于RFID—无线识别技术，核心模块采用射频芯片CC1100进行有关信息的传递。同时以STM32为核心的处理器可以对采集到的数据进行快速有效处理，各点之间的信息传输利用CAN网络进行。在井下巷道和作业面的交叉道口安装多个监控节点，在人员进入读写器可识别范围时，人员信息会被读取，然后由总线网络上传给地面监控室。数据库查到人员信息，实现目标的可靠定位。

1.2系统硬件设计图

图1　射频识别系统结构

整个定位系统由RFID、CAN总线传输网络、接口电路以及上位机管理等组成。射频识别是整个系统的核心，而射频读写和射频电子卡的设计则是本文主要的研究内容。

由图1可知，射频读写器由电源、控制模块、无线射频模块和串行通信接口等部分组成，它主要完成对卡内的人员信息进行采集、处理等工作。射频标签由电源、控制模块、射频模块及存储模块组成，以无线通信方式与读卡器通讯，将内部存储的员工信息传递出去，从而完成数据信息的传递。[2]

系统工作时，某一频率的射频信号由读写器发送信息，电子卡随人员进入信号发射区后会被激活将其存储的有效信息发出，系统接收其发送来的信号之后再传送给读写器，读写器接受并读取信号后经总线网络传输至地面，由上位主机对数据进行一系列处理。[3]105-108

1.3读写器的硬件设计

射频读写器读取有关信息并由现场总线网络把信息上传至上位机，它由电源模块、控制模块、射频模块、CAN通信接口等组成。其中控制模块主要完成执行系统发来的命令以及对信号的处理等。模块中的处理器芯片采用的以Cortex-M3为核心的STM32F103VCT6芯片，作为一种嵌入式处理器，它具有低成本、低功耗的特点。射频收发模块采用CC1100-232无线射频芯片，作为一种成本较低的UHF收发器，可以实现低功耗的无线应用，射频模块主要用以完成射频信号的无线收发；由于RS232采用的电平的接口标准与CAN不同，那么就需要与之匹配的接口电路将CAN的电平标准转换为RS232形式。[4]

1.4有源电子标签结构图

本系统设计选用有源电子标签，即主动式电子标签，相比较无源标签，它的漏读率较低，读写距离也较远。但电池提供电能给标签的同时，我们要考虑其使用寿命。在尽量可以少换电池的前提下，希望处理器的功耗要很低。本文的系统中标签设计采用STC89C51系列单片机，它的功耗较低，同时标签用射频收发模块(CC1100-232)收发信息，然后由小容量的存储器对信息存储。

1.5CAN网络的设计

由于煤矿下面巷道较多，而CAN总线的抗干扰性较好且成本较低。本系统设计利用CAN总线。中继器可以将CAN总线只能连接的节点数(110个)增加到更多，当负载较多时，接中继器使通信距离变的更长，网络传输距离也会更远。

图2　基于CAN总线的网络构建图

基于CAN总线的网络构建如上图2。首先，总线上与网络接口卡的两个端口相连，下分接许多独立的现场CAN模块，这些模块表示一个个具有CAN接口功能的仪器、仪表。一般来说，现场总线的通信介质可以选择双绞线也可以是光纤。作为成本很低的双绞线，虽然用的比较广泛且使用方便，但其在恶劣的环境下，会发生收发间电磁干扰的现象。所以，在双绞线不能使用的地方，选择比双绞线的性能更好的另一种传输介质—光纤。所以为保证整个通信网络的性能，可以在系统传输线路的大多数地方使用双绞线，而少数环境条件复杂的地方使用传输容量、速率及抗干扰性较好的光纤。[5]

2系统搭建

图3　系统整体搭建图

根据系统设计思想，结合系统的组成结构进行硬件搭建，如图3所示。整个系统包括读卡器、电子标签、通信接口以及上位机几个部分。上位机在地面，完成信息存储及监控作用。转换器的CAN-H及CAN-L两个接

线端口与读写器上的CAN节点上CAN-H及CAN-L相连，通过串口线将转换器另一端与计算机端口相连。电子标签要安装电池，同时读卡器上电。

3结束语

随着信息技术的快速发展以及煤矿监督部门对安全生产的逐步重视，用于信息采集与管理的井下人员定位与管理系统，会逐渐被推广与技术改进。本系统利用RFID技术和CAN总线技术对读卡器及标签等电路进行了硬件设计，可远距离不接触地识别流动的人员。由于井上监控网络数据快速及有效传输，该系统的使用对及时查询井下工作人员等信息，或突发性矿井事故时的救助工作有着极大的帮助。[6]

参考文献：

[1]叶里莎.RFID技术应用[J].通信技术,2007(12).

[2]周晓光，等.射频识别(RFID)系统设计、仿真与应用[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[3]王璐,秦汝祥.基于RFID的井下人员跟踪定位系统研究[J].安全科学技术，2004(1).

[4]徐广伟.基于ARM7 RFID读卡器的设计及应用[J].煤炭技术,2010(1).

[5]康淑霞.用RFID技术实现煤矿井下人员跟踪定位系统的硬件设计与研究[D].青岛:山东科技大学,2007.

[6]陈卉.利用RFID技术解决井下人员定位管理系统[D].上海:上海交通大学,2008.

责任编辑：净草