恶劣环境下人员定位系统的设计研究.pdf

1、恶劣环境下人员定位系统的设计研究葛 付 存（ 盐 城 生 物 工 程 高 等 学 校 ， 汽 车 电 子 系 ， 江 苏 省 盐 城 市 ， 224051）摘要：恶 劣 环 境 下 工 作 人 员 的 定 位 管 理 问 题 一 直 是 工 业 安 全 生 产 的 难 点 ， 针 对 人 员 定 位 技术 的 需 求 ， 利 用 射 频 技 术 对 人 员 定 位 管 理 系 统 进 行 设 计 研 究 ， 采 用 系 统 需 求 分 析 的 方 法 给 出了 系 统 的 结 构 与 功 能 设 计 框 架 ， 重 点 从 技 术 方 案 角 度 研 究 了 基 于 射 频 技 术 的 人 员

2、 定 位 系 统 的实 现 ， 探 讨 了 射 频 模 块 、 数 据 接 口 及 现 场 总 线 网 络 的 技 术 实 现 方 案 ， 能 够 从 根 本 上 解 决 目 前恶 劣 环 境 下 人 员 定 位 难 的 现 状 ， 对 于 进 一 步 提 高 恶 劣 环 境 下 人 员 定 位 技 术 的 应 用 水 平 及 保 障工 业 安 全 生 产 均 具 有 较 好 的 指 导 与 借 鉴 意 义 。关键词：恶 劣 环 境 ； 射 频 技 术 ； 人 员 定 位 ； 现 场 总 线Design and Research on Personnel Positioning Systemi

3、n H arsh EnvironmentGe Fucun(Yancheng Biology Engineering Higher School, Automotive Electronics Department, Yancheng, Jiangsu Province,224051, China)Abstract: The problem that personnel positioning and management in harsh environment isalways the hot problem for the safety of industrial production,

4、aiming at the requirement ofpersonnel positioning, the personnel positioning and management system based on radiofrequency(RF) technology was researched. The structure and function frame of system werepointed out by taking use of system requirement analysis method, and the realization of personnelpo

5、sitioning system based on RF technology was researched from the viewpoint of technical, andthe technology solutions of RF modules, data interfaces and field bus network were also discussedin detail, which could solve the current situation that it is difficult to locate staff in harshenvironment.All

6、this work has good guidance and reference for enhancing the application level ofpersonnel positioning in harsh environment and the safety of industrial production.K ey words: Harsh Environment; Radio Frequency Technology; Personnel Positioning; Field Bus1 引 言近 年 来 ， 随 着 工 业 生 产 对 能 源 资 源 需 求 量 的 逐 渐

7、 增 加 ， 人 们 已 经 加 大 了 对 石 油 、 煤 炭 资源 的 开 采 ， 尤 其 是 在 我 国 ， 我 国 能 源 在 很 大 程 度 上 依 赖 于 煤 炭 资 源 。 煤 炭 资 源 的 开 采 属 于 极度 恶 劣 情 况 下 的 工 况 ， 尤 其 是 现 在 煤 矿 事 故 的 数 量 不 断 增 加 ， 事 故 中 的 伤 亡 人 数 也 不 断 增 加 。为 了 减 少 煤 矿 事 故 的 发 生 ， 减 少 国 家 财 产 的 损 失 和 保 障 矿 工 的 人 身 安 全 ， 加 强 煤 矿 安 全 生 产 ，提 高 事 故 发 生 后 抢 险 救 灾 的 效

8、 率 就 显 得 尤 为 重 要 。 为 此 ， 在 矿 灾 发 生 的 情 况 下 如 何 对 井 下 矿工 的 快 速 定 位 、 为 抢 救 赢 得 宝 贵 时 间 成 为 了 矿 灾 抢 救 的 关 键 。 为 此 ， 必 须 对 恶 劣 环 境 下 的 人员 定 位 技 术 展 开 研 究 。目 前 对 于 恶 劣 环 境 下 的 人 员 定 位 技 术 的 应 用 ， 主 要 是 利 用 无 线 射 频 技 术 实 现 的 人 员 定 位系 统 ， 其 系 统 结 构 主 要 有 下 面 几 种 ：(1) 分 站 与 读 卡 器 一 体 式这 种 结 构 系 统 的 特 点 是 每

9、 台 分 站 即 是 电 源 、 通 讯 、 存 储 的 设 备 ， 同 时 又 是 读 卡 器 。 优 点是 接 线 少 ， 故 障 率 低 ， 电 力 供 应 充 足 。 缺 点 是 监 测 读 卡 点 布 置 多 时 成 本 较 高 。(2) 分 站 带 读 卡 器 式这 种 结 构 系 统 的 特 点 是 一 台 分 站 带 几 个 读 卡 器 ； 暂 时 称 为 星 形 结 构 ， 分 站 只 是 负 责 接 收各 读 卡 器 采 集 来 的 卡 号 ， 以 及 卡 号 的 存 取 和 上 传 。 优 点 是 监 测 读 卡 点 布 置 灵 活 ， 读 卡 器 与 分站 之 间 距

10、离 最 远 可 达 1km， 供 电 地 点 需 要 少 ， 读 卡 器 重 量 轻 ， 成 本 适 中 。 缺 点 是 电 缆 使 用 量相 对 较 多 ， 接 线 点 多 容 易 发 生 故 障 ， 读 卡 器 由 于 受 供 电 的 制 约 ， 总 长 度 受 限 制 。为 了 克 服 上 述 两 种 定 位 系 统 的 弊 端 ， 拟 提 出 分 站 加 总 线 带 读 卡 器 式 ， 这 种 系 统 的 结 构 是一 台 分 站 带 一 条 总 线 ， 在 总 线 上 接 有 读 卡 器 ， 采 用 不 同 的 现 场 总 线 可 以 连 接 不 同 数 量 的 读 卡器 ， 在 恶

11、 劣 环 境 下 监 测 读 卡 点 时 非 常 方 便 灵 活 ， 同 时 成 本 较 低 ， 配 合 地 面 组 态 软 件 的 图 形 化分 析 ， 能 够 非 常 便 捷 的 实 现 对 恶 劣 环 境 下 的 人 员 定 位 。2 人 员 定 位 系 统 总 体 设 计2.1 系 统 体 系 结 构 设 计恶 劣 环 境 下 人 员 定 位 管 理 系 统 主 要 包 括 下 位 机 射 频 模 块 ， 上 位 机 管 理 软 件 ， 现 场 总 线 网络 ， 数 据 接 口 等 四 个 部 分 ， 具 体 系 统 的 硬 件 构 成 示 意 图 如 下 图 1所 示 。图 1 系

12、统 硬 件 构 成 示 意 图Figure 1 Composition Sketch of System Hardware2.2 系 统 功 能 设 计人 员 定 位 系 统 主 要 功 能 按 照 实 际 需 求 进 行 开 发 ， 主 要 包 括 如 下 功 能 ：(1) 射 频 模 块 中 的 读 卡 器 实 现 与 员 工 身 上 的 射 频 标 签 之 间 的 双 向 数 据 通 信 和 传 输 ， 进 而借 助 网 络 实 现 与 地 面 计 算 机 的 通 讯 ；(2) 恶 劣 环 境 下 的 人 员 携 带 的 射 频 标 签 能 够 实 时 的 将 本 人 的 身 份 信 息

13、 通 过 射 频 模 块 与射 频 控 制 模 块 之 间 实 现 双 向 通 讯 ；(3) 射 频 模 块 中 的 电 源 电 池 是 射 频 模 块 正 常 工 作 的 动 力 源 保 障 ， 同 时 采 用 备 用 电 源 有 利于 保 障 恶 劣 环 境 下 射 频 模 块 通 讯 过 程 的 安 全 ；(4) 射 频 模 块 与 地 面 上 位 机 通 讯 留 有 RS485接 口 、 CAN接 口 ， 因 此 能 够 保 证 射 频 模 块 与现 场 网 络 之 间 的 数 据 通 信 ， 实 现 将 定 位 员 工 的 信 息 传 输 到 地 面 的 上 位 机 ；(5) 上 位

14、 机 中 包 含 一 套 完 整 的 管 理 软 件 ， 能 够 对 射 频 模 块 经 现 场 网 络 传 输 过 来 的 数 据 进行 图 形 化 显 示 ， 进 而 确 定 人 员 的 定 位 信 息 。3 人 员 定 位 系 统 的 实 现3.1 射 频 模 块 的 设 计 与 实 现射 频 模 块 主 要 是 由 具 有 无 线 射 频 功 能 的 通 信 卡 构 成 ， 在 该 系 统 中 ， 由 于 恶 劣 复 杂 环 境 下一 般 信 号 强 度 不 是 很 大 ， 为 了 确 保 通 讯 效 果 的 可 靠 与 稳 定 ， 需 要 对 射 频 通 讯 模 块 进 行 比 较

15、选择 ， 最 终 选 择 的 是 具 有 稳 定 通 讯 功 能 的 Aeroflex 3000 PXI模 块 ， 以 此 来 实 现 射 频 模 块 与 现 场总 线 网 络 的 通 讯 ， 进 而 实 现 射 频 模 块 对 恶 劣 复 杂 环 境 下 人 员 的 定 位 。图 2 控 制 模 块 原 理 框 图Figure 2 Principle Chart of Control Module如 上 图 所 示 ， 射 频 模 块 控 制 模 块 主 要 包 括 控 制 单 元 和 数 据 接 口 模 块 。 控 制 单 元 模 块 的 主要 功 能 是 通 过 射 频 模 块 实 现

16、对 恶 劣 环 境 下 员 工 标 签 信 息 的 读 取 ， 并 对 读 取 到 的 信 息 进 行 处理 ， 并 通 过 数 据 接 口 传 输 到 现 场 总 线 网 络 ， 由 上 位 机 进 行 数 据 分 析 并 以 图 像 化 的 方 式 显 示 恶劣 环 境 下 员 工 的 定 位 信 息 ； 另 一 方 面 ， 在 射 频 模 块 的 数 据 接 口 设 计 方 面 ， 主 要 由 现 行 的 主 流RS485通 讯 接 口 、 CAN通 讯 接 口 和 RS232接 口 等 构 成 ， 以 实 现 射 频 模 块 与 上 位 机 之 间 的 数 据通 信 。3.2 数 据

17、接 口 及 现 场 总 线 网 络 的 组 态 设 计(1) 上 下 位 机 通 讯 数 据 接 口 的 设 计该 人 员 定 位 系 统 中 ， 作 为 下 位 机 的 人 员 定 位 射 频 控 制 模 块 中 都 配 有 两 种 基 本 的 数 据 传 输接 口 ， 即 RS485接 口 和 CAN接 口 ， 然 而 目 前 工 业 环 境 中 的 通 讯 网 络 接 口 都 是 以 传 输 可 靠 性 高为 特 点 的 RS232接 口 作 为 数 据 传 输 接 口 ， 因 此 这 就 牵 涉 到 下 位 机 数 据 接 口 的 设 计 与 实 现 。 在本 系 统 中 ， 通 过

18、专 用 数 据 接 口 将 RS485和 CAN接 口 转 换 为 现 场 总 线 的 标 准 接 口 RS232， 从 而实 现 下 位 机 数 据 接 口 向 现 场 总 线 传 输 数 据 信 息 ， 最 终 被 上 位 机 的 组 态 程 序 接 收 并 用 于 图 形 化显 示 ， 从 而 确 定 恶 劣 复 杂 环 境 下 的 人 员 定 位 信 息 。 本 设 计 中 数 据 接 口 的 功 能 原 理 如 图 3所 示 。图 3 数 据 接 口 的 功 能 原 理 框 图Figure 3 Function Principle Sketch of Data Interface(2

19、) 主 从 式 现 场 总 线 网 络 的 组 态 设 计恶 劣 环 境 下 人 员 定 位 系 统 主 要 是 基 于 射 频 模 块 实 现 数 据 读 取 和 传 输 的 ， 而 定 位 人 员 身 上带 的 射 频 模 块 通 过 与 工 业 环 境 中 的 通 讯 电 缆 进 线 数 据 通 信 传 输 ， 最 终 通 过 专 用 的 数 据 接 口 将人 员 定 位 信 息 传 输 到 上 位 机 中 ， 由 上 位 机 组 态 软 件 以 图 像 的 形 式 进 行 人 员 定 位 数 据 信 息 的 显示 。 因 此 有 必 要 对 上 位 机 组 态 程 序 进 行 设 计

20、， 这 里 以 RS485接 口 为 例 进 行 现 场 总 线 网 络 的 组态 设 计 。由 于 RS485接 口 具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力 ， 传 输 距 离 较 远 等 优 点 ， 因 此 本 系 统 主 要 以 RS485接 口 作 为 现 场 总 线 传 输 的 数 据 接 口 ， 这 里 也 以 RS485接 口 为 例 分 析 上 位 机 组 态 程 序 的 设 计 。如 下 图 所 示 ， 是 基 于 RS485接 口 的 主 从 式 网 络 示 意 图 ， 用 于 人 员 定 位 的 射 频 信 息 卡 作 为 数 据源 ， 通 过 RS485接 口 将 人

21、员 定 位 信 息 最 终 传 输 到 现 场 网 络 总 线 ， 被 上 位 机 接 收 并 进 行 数 据 的分 析 和 图 形 化 显 示 。 图 4 RS485主 从 式 总 线 网 络Figure 4 RS485 Bus Network of Principal and Subordinate4 结 语随 着 我 国 工 业 的 飞 速 发 展 ， 工 业 危 险 工 况 和 恶 劣 环 境 下 对 于 员 工 的 人 身 安 全 有 着 严 重 的威 胁 ， 一 旦 发 生 事 故 灾 难 ， 工 作 人 员 的 抢 救 无 疑 是 重 中 之 重 ， 但 是 如 何 快 速 获

22、取 恶 劣 环 境 下人 员 的 方 位 信 息 ， 是 为 抢 救 赢 取 时 间 的 关 键 ， 过 去 由 于 无 法 确 定 遇 险 人 员 的 人 数 及 位 置 而 耽误 了 抢 救 时 间 的 例 子 不 少 ， 因 此 如 何 快 速 定 位 恶 劣 环 境 下 人 员 的 位 置 成 为 保 障 工 业 安 全 生 产的 一 个 重 要 方 面 。 本 论 文 通 过 采 用 射 频 模 块 ， 设 计 数 据 采 集 监 测 接 口 ， 构 建 现 场 总 线 ， 实 现由 地 面 控 制 中 心 对 恶 劣 环 境 下 员 工 的 身 份 信 息 和 位 置 信 息 的

23、全 面 监 控 ， 为 恶 劣 环 境 下 人 员 的定 位 提 供 一 种 新 的 实 现 思 路 和 技 术 方 案 ， 对 于 进 一 步 提 高 我 国 工 业 生 产 人 员 定 位 技 术 的 普 及应 用 具 有 一 定 的 借 鉴 和 指 导 意 义 。参考文献：1 彭 可 ,陈 岚 ,陈 际 达 .基 于 RS-485协 议 的 单 片 机 对 等 分 布 式 控 制 网 络 J.中 南 工 业 大 学 学 报 ,2002,33(3):309-312.2 徐 钊 ,郑 红 党 ,刘 玉 东 .基 于 CAN总 线 的 煤 矿 监 测 监 控 系 统 研 究 J.中 国 矿 业

24、 大 学 学 报 ,2004,33(4):421-423.3 Jari-Pascal Curty, Norbert Joehl, Catherine Dehollain. Remotely PoweredAddressable UHFRFID Integrated SystemJ. IEEE Journal of Solid-state Circuits,2005,40(2):2193-2202.4 樊 吕 信 .通 信 原 理 (第 5版 )M.北 京 :国 防 工 业 出 版 社 ,2001.5 张 益 强 ,郑 铭 ,张 其 善 .远 距 离 无 源 射 频 识 别 系 统 设 计 J.遥 测 遥 控 ,2004,25(4):45-49.6 张 亚 林 ,胡 生 清 .一 种 主 从 式 数 据 通 信 系 统 的 设 计 J.自 动 化 与 仪 表 ,1997,12(3):31-36.7 罗 雪 梅 .基 于 SJA1000的 CAN总 线 接 口 电 路 的 设 计 与 实 现 J.贵 州 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学版 ),2003,32(4):42-44.