無源標(biāo)簽技術(shù)在井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要:由于煤礦作業(yè)環(huán)境的特殊性，以及礦難的不斷發(fā)生，井下安全生產(chǎn)以及人員的管理和營救一直是困繞人們的重大難題。利用射頻識別技術(shù)對井下人員定位系統(tǒng)進行研究，在射頻識別技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計井下人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用方案。介紹RFID系統(tǒng)的組成、特點，闡述電子標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用，同時介紹了井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計方案和工作原理。

關(guān)鍵詞:RFID;無源電子標(biāo)簽;人員定位;礦難營救

中圖分類號:TN92文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-025-03

Application of RFID Passive Tags in Personnel Positioning System of Mines

WANG Yupeng1，2，HOU Lin2

(1.College of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024，China;

2.Taiyuan Branch of China Coal Research Institute，Taiyuan，030006，China)

Abstract:Due to the unique environment and the continuous accident of the mine，there is a major problem that plagued the people about the safety production，managing and rescuing miners under the mine.To solve this problem，the text researches the personnel localization system of mine with Radio Frequency Identification(RFID) technology，based on the radio frequency identification technology，the application plan of the personnel localization system of mine is designed.The main trait and makeup of the RFID system are introduced，the structure and operating principle of passive tags are proposed，the design scheme and operating principle of the personnel localization system of mine are given.

Keywords:RFID;passive tags;personnel localization;mine rescue

近幾年，礦井危險性事故時有發(fā)生，井下環(huán)境復(fù)雜給人員撤離和事故搶救帶來極大困難。若能及早確定井下人員所處的位置，會給營救工作帶來極大方便，將人員損失減少到最小[1]。采用目前國際上正在發(fā)展中的自動識別RFID電子技術(shù)，通過對井下人員、設(shè)備配備的無源電子標(biāo)簽進行跟蹤定位，能夠在發(fā)生事故時第一時間掌握井下人員數(shù)量、分布等信息，節(jié)省營救決策時間，在一定程度上保障人員生命安全、減少國家財產(chǎn)的損失。

1 射頻識別技術(shù)

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種利用無線射頻方式在閱讀器和電子標(biāo)簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換目的新的自動識別技術(shù)。因為具有非接觸、工作距離長、適于惡劣環(huán)境、可識別運動目標(biāo)等優(yōu)點，RFID技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領(lǐng)域 。

最基本的RFID系統(tǒng)由以下三部分組成:

(1) 電子標(biāo)簽(Tag):又稱智能標(biāo)簽或稱射頻卡;

(2) 讀寫器(Reader):有時也被稱為閱讀器、通訊器或稱為讀出裝置，用以產(chǎn)生發(fā)射無線電射頻信號并通過天線接收由電子標(biāo)簽反射回的無線電射頻信號，經(jīng)處理后獲取標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，有時還可以寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式;

(3) 天線(Antenna):在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號。

在這三個組成部分中，電子標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)的主要組成部分。

2 RFID電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽采用了 RFID射頻識別技術(shù)，它是射頻識別技術(shù)真正的數(shù)據(jù)載體[5]。電子標(biāo)簽最大的特點是非接觸識別和可讀寫，識別時間短，可以實現(xiàn)多個、并且高速運動的電子標(biāo)簽同時被識別。它以無線方式通信，無須外露電觸點，電子標(biāo)簽的芯片可以按不同的應(yīng)用要求來封裝，可以適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。

2.1 電子標(biāo)簽分類

按供電方式分為有源卡和無源卡。有源是指卡內(nèi)有電池提供電源，其作用距離較遠，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作;無源卡內(nèi)無電池，它利用波束供電技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離相對有源卡短，但壽命長且對工作環(huán)境要求不高。

按載波頻率分為低頻射頻卡、中頻射頻卡和高頻射頻卡。低頻射頻卡主要有125 kHz和1342 kHz兩種，中頻射頻卡頻率主要為13.56 MHz，高頻射頻卡主要為433 MHz，915 MHz，245 GHz，58 GHz等。低頻系統(tǒng)主要用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如多數(shù)的門禁控制、校園卡、動物監(jiān)管、貨物跟蹤等。中頻系統(tǒng)用于門禁控制和需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng);高頻系統(tǒng)應(yīng)用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合，其天線波束方向較窄且價格較高，在火車監(jiān)控、高速公路收費等系統(tǒng)中應(yīng)用。

按調(diào)制方式的不同可分為主動式和被動式。主動式射頻卡用自身的射頻能量主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器;被動式射頻卡使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用讀寫器的載波來調(diào)制自己的信號，該類技術(shù)適合用在門禁或交通應(yīng)用中，因為讀寫器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的射頻卡。在有障礙物的情況下，用調(diào)制散射方式，讀寫器的能量必須來去穿過障礙物兩次。而主動方式的射頻卡發(fā)射的信號僅穿過障礙物一次，因此主動方式工作的射頻卡主要用于有障礙物的應(yīng)用中，距離更遠(可達30 m)。

按作用距離可分為密耦合卡(作用距離小于1 cm)、近耦合卡(作用距離小于15 cm)、疏耦合卡(作用距離約1 m)和遠距離卡(作用距離從1~10 m，甚至更遠)。

2.2 無源電子標(biāo)簽工作原理

無源式標(biāo)簽一般由耦合元件(即線圈)和芯片組成[6]，封裝在一個密封的外殼內(nèi)(見圖1)。

圖1 無源電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

無源標(biāo)簽產(chǎn)生電能的裝置是線圈，標(biāo)簽內(nèi)部的芯片用來存儲讀寫信息。當(dāng)標(biāo)簽進入系統(tǒng)的工作區(qū)域，接收到讀寫器天線發(fā)出的特定的電磁波，線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，在經(jīng)過整流并給電容充電。電容電壓經(jīng)過穩(wěn)壓后作為工作電壓。無源標(biāo)簽等效電路圖如圖2所示。

當(dāng)配備有電子標(biāo)簽的人員或設(shè)備進入讀寫器天線有效識別距離內(nèi)時，電子標(biāo)簽收到讀寫器的查詢信號后，將此信號與標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息合成一體反射回讀寫器。反射回的合成信號，已攜帶有電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息。讀寫器接收到電子標(biāo)簽反射回的合成信號后，經(jīng)讀寫器內(nèi)部微處理器處理后即可將電子標(biāo)簽貯存的識別代碼等信息分離讀取出來(見圖3)，從而實現(xiàn)無源電子標(biāo)簽非接觸識別的功能。

圖2 無源標(biāo)簽等效電路圖

圖3 無源標(biāo)簽工作原理

2.3 無源電子標(biāo)簽的應(yīng)用范圍

RFID無源電子標(biāo)簽適用于智能交通、礦山、物流、門禁、考勤、生產(chǎn)工序，以及部隊、醫(yī)院、公安邊防、海關(guān)等諸多行業(yè)的人、車、物高速移動目標(biāo)信息的自動化管理等。無源標(biāo)簽的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。近幾年尤其在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中，RFID無源電子標(biāo)簽技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

3 無源標(biāo)簽在煤礦井下人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 井下人員定位系統(tǒng)基本構(gòu)成

定位系統(tǒng)由井上與井下兩部分設(shè)備組成[7]。井上設(shè)備主要由監(jiān)控中心(包括服務(wù)器)及共享網(wǎng)絡(luò)終端等組成; 井下設(shè)備以RS 485信號作為主傳輸途徑，研發(fā)相應(yīng)的煤礦井下人員監(jiān)控節(jié)點、即井下分站，讀寫器安裝在井下分站內(nèi)。配合天線、無源電子標(biāo)簽、傳輸介質(zhì)、中繼器等與監(jiān)控中心掛接，從而實現(xiàn)井下作業(yè)人員的定位和安全管理。井下人員定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 井下定位系統(tǒng)工作原理

定位系統(tǒng)主要實現(xiàn)井下人員及設(shè)備安全監(jiān)測工作[8]。在巷道、作業(yè)面的交叉道口安裝監(jiān)控節(jié)點(即分站天線)，入井工作人員按照要求佩戴裝有無源電子標(biāo)簽的胸卡，或佩戴裝有無源電子標(biāo)簽的安全帽。RFID讀寫器通過固有頻率的射頻載波向無源電子標(biāo)簽傳送信號，無源電子標(biāo)簽(工作人員隨身佩戴)進入讀寫器的天線工作區(qū)域后被激活，并將載有個人信息的射頻信號經(jīng)卡內(nèi)收發(fā)模塊發(fā)射出去; 讀寫器天線接收到無源電子標(biāo)簽發(fā)來的射頻信號，經(jīng)過處理后，提取出個人信息，通過現(xiàn)場總線送至井上監(jiān)控中心，記錄井下工作人員經(jīng)過地點、時間、活動軌跡等實時信息，還可自動生成考勤作業(yè)的統(tǒng)計與管理等方面的報表資料，提高管理效益。

圖4 定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.3 井下定位系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

(1) 考勤管理功能。通過操作平臺專用管理軟件對下井人員進行下井次數(shù)、井下停留時間等信息分類統(tǒng)計，便于考核，實現(xiàn)工作人員的考勤統(tǒng)計管理功能和有關(guān)報表的打印。

(2) 安全保障功能。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中儲存下來的歷史數(shù)據(jù)信息，可迅速知道井下人員及重要設(shè)備的分布情況，一旦出現(xiàn)礦井災(zāi)難，可對現(xiàn)場被困人員進行定位和搜尋，便于有效救護。

(3) 生產(chǎn)調(diào)度功能。通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，可以查詢井下人員分布情況并根據(jù)需要迅速進行人員調(diào)配，實現(xiàn)井下有限資源的優(yōu)化配置，達到事半功倍的效果[9]。

4 結(jié) 語

煤礦安全是煤礦生產(chǎn)永恒的主題[10]，人員監(jiān)控與定位是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的重要保證之一。將射頻識別技術(shù)(RFID)應(yīng)用于井下人員定位系統(tǒng)，是通過建立一個完整、靈活和實時的井下人員管理系統(tǒng)，包括井下作業(yè)工人的計劃安排、工人進出巷道的權(quán)限管理、巷道人員分布、作業(yè)工人資料、安全物資流動等進行管理，來實現(xiàn)井下管理信息化，同時提高礦井開采生產(chǎn)管理和作業(yè)安全的水平。這種智能化監(jiān)控系統(tǒng)是以礦井安全生產(chǎn)為基礎(chǔ)，射頻識別模塊(RFID)為主要設(shè)備，有線通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，監(jiān)管中心的PC為中樞的新型智能化計算機管理系統(tǒng)，綜合運用了多種通信技術(shù)，突破了傳統(tǒng)礦井安全管理模式，是礦井安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的新趨勢。

參考文獻

[1]煤炭工業(yè)部安全司.礦井安全監(jiān)控原理與應(yīng)用[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.

[2]游戰(zhàn)清.無線射頻識別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[3][德]芬肯才勒.射頻識別(RFID)技術(shù)[M].陳大才，吳曉峰，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

[4]游戰(zhàn)清，劉克勝，張義強，等.無線射頻識別技術(shù)(RFID)規(guī)劃與實施[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[5]王曉華，周曉光.RFID技術(shù)叢書[M].北京:人民郵電出版社，2006.

[6]張成海，張鐸.現(xiàn)代自動識別技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[7]楊義先，李志江，鈕心忻，等.智能卡安全與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2002.

[8]譚民，劉禹.RFID技術(shù)系統(tǒng)工程及應(yīng)用指南[M].北京:機械工業(yè)出版社，2007.

[9]王顯政.煤礦安全新技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2002.

[10]王捷帆，李文俊.中國煤礦事故暨專家點評集[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2002.