1、 - 1 -本科毕业设计(论文)题目：基于 RFID 的井下人员定位系统研究课 题 类 型： 设计 实验研究 论文 开 题 时 间： 2011 年 3 月 15 日2011 年 3 月 18 日摘要安全生产、保障矿工的生命安全是煤炭行业永恒的主题，研制新型的煤矿井下人员定位系统是保证井下工作人员安全、实现快速救援的重要手段。现有的矿井安全监测监控系统是灾前预警系统，监测对象主要是环境安全参数、生产过程及生产工艺监测，不能实现井下工作人员的定位。矿井下员工的具体位置与分布情况等重要数据不能及时传到井上监制中心，这些都是矿难事故频发而营救效率十分低下的症结所在。因此，建立一套完善的煤矿井下人员定位
2、系统具有重大现实意义。论文首先分析了目前我国矿井生产中的安全管理现状，根据矿井特殊的生产环境结合射频识别技术原理提出了系统的功能要求、技术参数和整体结构，确定了本设计的总体方案:然后重点论述了系统中数据采集站与标签的硬件设计，给出了系统的管理软件和应用程序的流程图;最后讨论了系统的调试及抗干扰措施。另外，论文还对频识别技术的工作原理、防冲突策略以及其在井下人员定位系统中的可靠应用展开深入的研究，并与其他多项自动识别技术(如条码、磁卡、IC 卡)进行了对比分析。RFID 技术具有无接触、距离远、同时可识别多个电子标签、抗恶劣环境工作能力强等特点，符合矿井下工作环境的要求。针对人员定位系统通信网络
3、的选择上，论文对现有工业现场常见技术，包括 RS-485总线、工业以太网、CAN 现场总线、基金会现场总线(FF，FUNDATIONFIELDBUS)和PROFIBUS 现场总线进行了对比，认为 CAN 现场总线在性能、协议、抗干扰以及成本上都具有一定的优势。根据该系统实时性、可靠性等要求，并且数据量较小的特点，提出应用 CAN 总线技术构建人员定位系统的数据传输网络。在以上基础上，论文提出了一套基于 RFID 与 CAN 总线技术的煤矿井人员定位系统解决方案，对方案的系统构架、设计框图、硬件原理以及软件实现进行了详尽的描述。最终并完成了监控节点硬件、电子标签软件、监控节点软件等设计。本文主要
4、完成井下网络部分的硬件设计，主要包括井下主要传输途径的选择，井下监测分站的硬件设计，井下网络与地面网络的通信接口的设计，经实验测试证明，本系统完全可以应用到煤矿满足井下人员跟踪定位的要求。这套系统的创新在于综合应用了射频识别技术、计算机通信以及 CAN 总线技术等多项先进的技术，来实现对矿井的自动监控与定位。而且系统可扩展性强，使用灵活。例如根据实际需要对处理器中的程序做不同的修改;也可以添加更多的功能模块对系统做不同的扩充，实现语音、短信等功能。可以说在该系统的基础上设计其它 RFID 系统完全没有问题。例如高速公路收费的车载 RFID 系统，电子门锁防盗装置等需要信息识别的场合。关键词：R
5、FID 阅读器 电子标签 CAN 总线 防冲突- 3 -目录摘要 .- 2 -引言 .- 5 -第一章 绪论 .- 6 -1.1 课题的提出 .- 6 -1.2 选题的意义 .- 7 -1.3 国内外研究现状 .- 8 -1.3.1 国外研究现状 .- 8 -1.3.2 国内研究现状 .- 8 -1.4 发展趋势 .- 9 -1.5 存在的主要问题 .- 10 -1.6 目前研究热点 .- 11 -1.7 论文的研究任务和工作 .- 12 -1.8 论文的结构安排 .- 13 -第二章 总体方案设计 .- 14 -2.1 确定总体结构方案 .- 14 -2.2 工作流程 .- 14 -2.3
6、主要研究任务 .- 16 -第三章 RFID 技术研究 .- 17 -31 概述 .- 17 -3.3 RFID 系统的组成 .- 19 -34 阅读器 .- 19 -3.5 电子标签 .- 20 -3.5.1 技术标准 .- 20 -3.5.2 标签成本 .- 21 -3.5.3 有源与无源标签的选取 .- 21 -3.5.4 工作频率的选择 .- 22 -3.55 电子标签的选型 .- 23 -3.6 RFID 天线研究 .- 24 -3.7 防冲突技术研究 .- 24 -3.8 安全与隐私问题 .- 26 -第四章 井下部分设计 .- 27 -4.1 电子标签的设计 .- 27 -4.1
7、.1 电子标签基本参数的确定 .- 27 -4.1.2 标签的硬件设计 .- 28 -4.1. 3 电子标签软件设计 .- 34 -4.1. 4 电子标签软件程序调试 .- 35 -4.2 阅读器的设计 .- 35 -4.2.1 阅读器的硬件设计 .- 36 -4.2.2 阅读器的软件设计 .- 36 -第五章 井上部分设计 .- 38 -5.1 管理系统软件的设计 .- 38 -5.2 通信协议 .- 39 -第六章 系统的抗干扰 .- 41 -6.1 干扰源 .- 41 -6.1.1 应用系统自身干扰源 .- 41 -6.1.2 电磁干扰源 .- 41 -6.1.3 供电系统干扰源 .-
8、41 -6.2 抗干扰的硬件措施 .- 41 -6.2.1 电磁干扰的抑制措施 .- 42 -6.2.2 过程通道干扰的抑制 .- 42 -6.2.3 印制电路板的抗干扰 .- 42 -6.3 抗干扰的软件措施 .- 43 -6.3.1 插入空操作指令 .- 43 -6.4“看门狗”技术 .- 43 -结论与展望 .- 45 -6.1 总结 .- 45 -6.2 展望 .- 45 -致谢 .- 47 -参考文献 .- 48 -附录 .- 49 - 5 -引言我国矿井地质情况复杂，危险性事故频频发生，直接威胁着矿工的人身安全，因此煤矿安全生产管理是一个迫在眉睫急需解决的重大问题。用什么方法、什么
9、手段来实现煤矿安全生产管理，一直是煤炭生产领域中技术人员和管理者追寻的目标，特别是矿工在井下的动态情况更是关注的重点。在正常的日常生产活动中，有效的管理系统能够带来较高的劳动效率，在灾害发生时，管理系统所记录的人员最后的位置，将对及时的营救起到至关重要的作用。人们希望能有一种更新，更完善的技术来解决煤矿安全生产管理中人员定位的难题。射频识别技术 (RadioFrequencyID，简称 RFID)通过射频信号自动识别目标，并获取相关数据，己在煤矿安全管理中崭露头角。RFID 技术不仅可以识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，实现对下井人员进行考勤记录、定位记录、追踪记录，实时掌握井下每个工作
10、人员的动态信息及工作人员在井下的位置分布情况，并可对历史记录进行统计打印等。那就能在事故救援时，及时准确地了解井下的人员分布情况和比较准确的位置，使救援工作做到目标定位准确、速度快、针对性强。目前，射频识别技术在国内外发展很快，各种 RFID 产品也趋于成熟，已被广泛应用于工业自动化，商业自动化，交通运输控制管理等众多领域。然而该技术在煤炭行业中的应用才刚刚开始，应用前景广阔。基于此，本文研究了 RFID 技术及其在井下人员定位中的应用。第一章 绪论1.1 课题的提出目前我国的煤炭产量居世界第一位。煤矿的生产分为露天开采和地下开采，我国95%的煤矿开采是地下开采作业，而地下开采的危险性较之露天
11、开采要大的多。我国煤层自然赋存条件复杂多变，影响煤矿安全生产的因素众多，水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害时刻都在威胁矿井工作人员的生命安全，都可能是造成事故的客观因素，矿井重大灾害及伤亡事故随时都有可能发生。据调查煤矿事故占工矿企业一次死亡 10 人以上特大事故的 72.8%至 89.6%(2002 一 2005 年)。近几年，随着国民经济对能源的需求增大，煤炭行业的开始复苏，我国煤炭开采在规模和产量上都逐年扩大，但是通过以上触目惊心的数据我们却看到煤矿行业安全生产的形势非常严峻，造成的损失是极其惨重的。特别是煤矿重大及特大瓦斯(煤尘 )灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，
12、增加了社会的不稳定团素，而且严重影响了我国的国际声誉。实际上，这些事故的发生不是偶然的，它是煤矿生产过程中存在问题的集中暴露，涉及许多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及国家的体制、煤矿企业管理不善等因素。更让人担忧的是，煤矿井下普遍存在入井人员管理困难，难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，一旦事故发生，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全救护的效率低。自 2000 年以来，国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。但
13、是，现有的矿井监测监控系统监测对象主要有两种，一是环境安全监测:监测各种有害气体及工作面的作业条件，如瓦斯浓度、一氧化碳、氧气浓度、风速、空气温度、压力、粉尘浓度等等;二是生产过程、生产工艺监测:监测主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态，如煤仓料位、水仓水位、水泵、提升机、扇风机、压风机、胶带输送机、采煤机等运行状态和参数等运行状态和参数。可以看出，井下矿工并不是现有监控系统的监控对象，他们在井下的位置和运行轨迹仍然是不得而知的，一旦发生突发性灾难营救工作将无从下手。矿难事故发生后，对遇难的井下工作人员生命的抢救成为首要任务，决策指挥人员必须全面分析灾情及其灾变趋势，迅速组织侦察工作
14、，准确探明事故性质、原因、影响范围、遇险人员数量和所在位置，以最快的速度、最短的路线进入灾区，营救灾区遇险人员。然而，目前国内煤矿正在使用的该类监控系统，并不能实时提供井下工作人员的具体位置与分布情况等重要数据，加之井下地形复杂，国内大部分矿井救护技术装备落后，人员素质较低，这些都给侦察工作带来了极大的困难。特别是在搜寻井下遇险人员的过程中，救护队员只能依靠反映矿井现实情况的有关图纸以及事故现场侦察得来的各种信息展开抢救工作。在缺乏准确数据的情况下，无法迅速制定出合理、有效的营救方案与措施，结果错失最佳的营救时机，甚至是盲目营救。面对我国煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进实用技术改造传统
15、产业，增加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效- 7 -益，是走新型煤炭工业化道路的必然选择。基于上述原因，我们在广泛调研了国内的科研院所及现代化矿井后，提出了一种以 RFID 与 CAN 技术为基础的煤矿井下人员定位系统的设计，该系统具有考勤管理功能、安全保障功能功能、生产调度功能、信息联网功能以及禁区报警功能，满足现代化矿井的安全监控要求，对煤炭的安全生产必将起到重大的推动作用。1.2 选题的意义煤矿的现代化管理和煤矿的安全生产是煤炭行业举足轻重的大事。在煤炭行业管理和安全方面，人的管理是一个十分关键的问题。长期以来，大部分矿井，尤其是现代化的矿井，井下都是连续生产，然而煤矿井
16、下的员工状况如何，一直是较难查清的问题。到目前为止，即使是我国的现代化矿井的管理，也只能是依据传统矿灯管理、领取工作牌等考勤方式来了解下井人员的数量和情况。随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生产监测应用领域中的不断发展，如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置得到进一步地解决。特别是在国内射频识别技术的引进和发展，使得对下井人员进行实时跟踪变得可行。利用射频识别技术对井下人员进行跟踪定位不仅能方便决策人员快速准确了解井下遇险人员的具体分布位置、赢得抢救的宝贵时间，还可以用于煤矿的日常考勤、生产调度等方面。不仅加强了煤炭行业的生产与安全管理，使生产调度及时、准确，更得使煤矿的
17、安全生产保障系统大大提高。本文设计的定位系统是需要深入到环境十分复杂的煤矿井下工作，在设计方案时，除了考虑其功能外，在稳定性、可靠性、抗干扰能力、容错能力及异常保护等方面也进行了充分考虑。项目方案确定利用射频识别(RFID)技术，开发相应的井下人员定位监控节点，在需要定位区域内，以以 N 总线作为主传输途径，建立一个由地面控制中心和井下具有固定位置的各监控节点之间的通信网络，通过井下监控节点的无线监测与有线传输，把数据上传地面控制调度中心主机。于是在地面也能及时的了解到井下各个区域的人员状况。若井下发生突发事，可立即通过主机实时查出井下各位置的人员状况，这样就能够做出及时的抢救决策，使事故损失
18、降到最低。平时用来指挥生产做出优化决策，使生产指挥高效。因此，基于 RFID 与 CAN 的煤矿井下人员定位系统的研究具有非常重要的现实意义。随着数字化时代的深入，基于远程信息化网络管理技术的社会需求，RFID 技术在煤矿井下人员定位系统中将发挥越来越重要的作用，在矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥着重大的作用，而高性能的计算机矿井监测系统的应用前景尤为的广阔。目前 RFID 技术正在成为一个新的经济增长点在全球范围内蔓延开来，研究开发RFID 技术有着巨大的经济效益和社会意义。此外，以美国、日本和欧洲等发达国家对 RFID 技术的研究和应用已达到相当高的水平，并且产生了相当的经济效益，
19、而我国起步较晚，大多采用引进的技术成果，需要对 RFID 技术的研究和应用增加投入。RFID 技术是一个复杂的应用技术，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还涉及通信原理及半导体集成电路技术，是一项多学科融合的新兴应用技术。因此，对 RF 功技术的深入研究具有深远的理论意义。1.3 国内外研究现状1.3.1 国外研究现状国外研制矿井计算机监控系统始于 20 世纪 60 年代，为保证煤矿安全生产，世界主要产煤国(如美国、英国、德国、波兰、前苏联等)从 50 年代开始，陆续地把监测、监控技术应用到安全生产管理上。随着射频识别技术的兴起，国外也加快了这一领域的发展，并成功地将其应用到了井下人员定位
20、监控系统中。英国的 Davis Derby Limited 该公司采用最新的无线射频技术开发了专门用于煤矿井下应用的多标签读取系统;戴维斯德比公司在地面和井下 RFID 系统的开发、生产、销售服务等方面，已拥有十几年的丰富经验;澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种人员探测系统，用于监测矿工进入危险地带;在南非的德里方月 (Driefontayne)矿，安装了一种人员跟踪系统，它使用由澳大利亚 ISD 公司制造的一种射频识别系统源信标;这个系统使用顶板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标(Bendon.1995)。1990 年 8 月，美国安菲斯公司利用超低频信号的穿透力研制开发的世
21、界唯一一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统(PED，即Personal Emergeney Device 系统)在悉尼附近的一所煤矿投入使用。PED 系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领导的致肯定。该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息，这些信息在紧急情况出现时自动生成。该系统可以直接连接现有的监控设备，可以监控多种输入。这些警告信息由矿井工作人员预先指定，在紧急情况发生时，可以在最短的时间内，将替告发送给井下全部或相应的工作人员。1.3.2 国内研究现状我国监测监控技术起步较晚，自 1974 年以来，仅有几种单一的瓦斯监测仪器投入使用，如 AYJ-1，AWBY- 1.
22、2，MJC-100 等，实现了对瓦斯的连续监测。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从波、法、德、英、美等国批量引进了安全监控系统并装备了部分煤矿，如美国的 SCADA 系统、英国的 MINOS 系统、德国的 TF2OO系统、法国的 CTT63/40/u 系统、加拿大森透里昂系统，这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。国内曾由中国煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手与安菲斯公司确定合作关系，决定三方共同在中国煤炭领域推广 PED 系统。 1998 年，人同矿务局在人同煤峪口矿安装了中国第一套 PED 系统。结果证明 PED 系统信号司以穿透岩
23、层传播并覆盖到全部生产区，发出和收到信号准确率为 100%，最远穿透距离达 2.8 公里。80 年代后期，在引进外国设备的同时，消化、吸收了制造技术，并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出自己的监控系统，如 KJ1，KJ2，KJ4，A-1，KJ10，KJll，KJ22，KT，KJ95 及焦作工学院研制的 KJ93 矿井安全生产监控系统等，并在我国煤矿大批使用，有的系统已达到国际先进水平。这些系统主要也是侧重于安全参数的检测，而没有对下井人员进行实时监控。随着自动识别技术在国内各行各业的发展和应用，国内一些煤炭科研机构不断推出新一代的人员自动识别系统，并成功应用于下井人员的管理。到门前为止国内部分
24、矿井，尤其是现代化矿一井都安装了识别系统，用以取代以前依据矿灯管理来对下井- 9 -人员进行管理。人员识别系统从最初的条形码、光电孔卡式到现在的指纹、红外线式考勤形式各不相同，这些技术装备利用不同的识别原理对下井人员进行监控、记录。深圳世纪潮智能科技有限公司与煤炭科学研究总院重庆分院一起，于 2003 年 8 月开始研究“矿井人员跟踪定位及考勤管理系统” ，经过资料收集、调研、方案论证、设计、试验室试验、样机加工、性能测试、防爆送检及井下工业性试验等阶段，历时近一年半，完成了全部研究内容。矿井人员跟踪定位及考勤管理系统在完成了全部开发设计、样机生产加工、实验室性能测试和防爆检测检验后，成套产品
25、于 2004 年 10 月在重庆松藻煤电集团公司二矿、西山焦煤集团屯兰矿、山西离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿第二坑口等地进行了现场安装和工业性试验。上海秀派电子科技公司(ShangHai Super Ele&Tec Co.Ltd)为专业致力于 RFID 产品战略研究的高科技公司。该公司已经研制成功了井下人员定位系统。1.4 发展趋势RFID射频识别技术已经逐步发展成为独立跨学科的专业领域。RFID射频识别技术将大量的来自完全不同的专业领域的技术（例如，高频技术、电磁兼容技术、半导体技术、数据保护和密码学技术、电信技术、制造技术等）综合起来。过去的十多年，RFID射频识别技术得到了快速发展，逐步
26、被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多的溯源和防伪应用领域。而随着技术进步，基于RFID射频识别技术产品的种类将越来越丰富，应用也将越来越广泛，可预计，在今后的几年中，RFID射频识别技术将持续保持高速发展的势头。总体而言，RFID射频识别技术当前发展趋于标准化、低成本、低差错率、高安全性、低功耗。具体表现在，基于RFID射频识别技术的电子标签产品将达到：芯片所需的功耗更低，无源标签、半有源标签技术更趋成熟；作用距离更远；无线可读写性能更加完善；适合高速移动物品识别；快速多标签读写功能；一致性更好；强场强下的自保护功能更完善；智能性更强；成本更低。读写器性能将达到：多功能（
27、与条码识读集成、无线数据传输、脱机工作等） ；智能多天线端口；多种数据接口（RS232，RS422485，USB，红外，以太网口） ；多制式兼容（兼容读写多种标签类型）；小型化、便携式和嵌入式，以及模块化；多频段兼容；成本更低。管理系统将达到：高频近距离系统具有更高智能、安全特性；超高频远距离系统性能更完备，系统更完善。标准化将达到：标准化基础性研究更深入，也更成熟；标准化为更多企业所接受。系统和模块将达到：可替换性更好，也更普及。自2007年起，RFID射频识别技术单品级应用是全球最大的RFID射频识别技术应用市场。据预测，到2009年，全球的RFID射频识别技术的应用市场的规模将由2004
28、年3亿美元增至28亿美元。如果目前有关RFID电子标签的单个条款能得到广泛接纳，RFID射频识别技术单品级的应用市场份额有可能远远超过这个数字1年中将有超过万亿的邮件使用RFID电子标签。这将是继零售供应链RFID电子标签产品的应用之后，全球使用RFID射频识别技术产品的第2大行业。国际邮联目前已经做出决议，并且正在积极推进高效、低成本的RFID射频识别技术解决方案在世界各国邮政监管中的应用。就技术来讲目前有两大发展内容：发展智能安全技术，增强通讯安全性，即RFID电子标签芯片增加各种加密解密算法，将在原接触卡中才能使用的各种加密解密算法移植到非接触电子标签芯片上，或者开发适合于非接触RFID电子标签芯片应用的加密解密算法，这目前主要集中在13.56MHz频段，适合取代原接触加密卡领域；发展超高频低成本单品级技术，超高频频段RFID射频识别系统具有识别距离远、识别速度快、多标签识别效率高和标签成本低等优点，尤其是低成本和单品级产品适合物流控制与管理领域。1.5 存在的主要问题近几年，国外己经成功地将无线通讯和遥测监测技术应用到事故抢险中人员搜寻、定位和急救上，但在国内因地质条件限制和技术方面的不成熟，成功开发的实例
