基于RFID技術的人員定位系統研究設計

孫歆鈺

（荊楚理工學院 電子信息工程學院， 荊門 448000）

基于RFID技術的人員定位系統研究設計

孫歆鈺

（荊楚理工學院 電子信息工程學院， 荊門 448000）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，一些礦用設備在整體技術方面也有所提高，對礦業的安全生產起到了推動性的作用，但是有些設備仍然存在著需要改進的問題，例如在功能和安全性方面都需要有所改善。隨著礦業事故的頻繁發生，對人民的財產和生命都構成了致命性的威脅，因此，越來越多的國內外學者致力于礦用安全設備的研究生產當中，本文就是針對井下工作人員所設計的定位系統。

1 系統的整體設計

1.1 系統概述

該井下人員定位系統運用RFID射頻技術、CAN總線技術、數據庫知識以及計算機網絡等技術于一體，設計出了一套實用性強、成本低廉、可擴展性強、易于維護的人員定位系統，最終實現了井下工作人員的實時定位，能夠通過上位機界面中的電子地圖進行查詢監測，實現人員考勤及安全保障功能，當有緊急事故發生時可以進行有效救護，另外該系統還有利于高層管理人員對員工進行生產調度，達到人力資源的合理有效利用。該礦山井下人員定位系統要正常的工作，達到預期的設想，需要滿足以下兩個條件：

1）當攜帶射頻卡的井下工作人員進入讀卡器可以檢測到射頻信號的范圍內時，讀卡器和射頻卡之間可以進行雙向通信，讀卡器能夠接收讀取到RFID卡內的有效數據信息，將信息存入自身的處理單元并與CAN節點通信；

2）讀卡器能夠通過CAN總線和上位機進行有效的數據傳輸，即串口通信部分能夠成功的將CAN智能節點上的有效數據通過串口線傳入到系統建立的數據庫中，記錄下攜帶RFID卡的員工實時信息，如經過時間、地點等，這些信息可以自動生成供日后查詢使用的考勤統計資料并存入后臺數據庫中。

1.2 系統結構

圖 1 系統的結構框圖

該井下人員定位系統可大致分為三部分：井上部分，井下部分以及傳輸網絡。井上部分可以視為該系統的數據中心，如數據服務器、監控主機以及打印機等；傳輸網絡即采用CAN總線作為系統的傳輸路徑，系統中CAN總線采用的是總線型網絡拓撲結構，以此來滿足系統對通信的高實用性和高可靠性的要求；井下部分即井下基站子系統，包括讀卡器，射頻卡和射頻天線，主要完成人員的信息采集。該系統的結構框圖如圖1所示。

1.3 系統硬件設計思路

該系統的硬件部分主要由井下基站子系統，CAN總線傳輸系統以及電源電路組成。其中的基站子系統主要由MFRC500讀卡芯片，PCB射頻天線，電子標簽和AT89S52單片機等組成， 在該系統中讀卡器工作頻率為13.56MHz。CAN總線傳輸系統由CAN傳輸節點和總線協議構成，共同控制信息的收發，CAN總線節點由MCP2515 CAN收發芯片、控制單元及其外圍電路構成，每一個節點都有獨立的對等收發能力，大大增加了總線的靈活性和可擴展性。在該人員定位系統中的電源部分采用的是LM2596電源控制芯片，該設計結構簡單，可拓展性強，能夠讓其在6.5-15V之間都穩定的工作，可適合于系統中各個模塊對電壓的不同需求，保證系統電路穩定運行。

2 系統軟件結構設計

軟件體系結構的確立是一個應用軟件的核心部分，所謂體系結構是指系統的一個或多個結構，包括軟件的構件、構件的對外可見性及其之間的關系。確切的說軟件的體系結構并不是一個可以運行的軟件，而是一種表示。根據實際的需求找到最佳的實現方案，設計出合理的程序結構。

C/S模式具有交互性很強、數據存取的安全性高、較強的數據處理能力和較少的網絡通信量等優勢，因此C/S模式適合用于安全性要求高、交互性強、小范圍的固定地點用戶和需要處理大量數據的系統使用，結合本系統的設計需求和設計目標，即對實時性、安全和穩定性的要求，以及考慮到井下人員的位置和考勤信息無需以網絡的形式發布出去，綜合考慮該系統選用C/S模式作為軟件的體系結構，本系統軟件結構可分為系統客戶端和系統服務器端兩個部分，作為該礦山人員定位系統操作平臺的系統客戶端，即系統的人機交互界面，主要完成的功能是用戶可以通過客戶端對系統進行相應的操作，其中包括系統設置，基本信息管理模塊，巷道圖設計實現模塊和監測查詢模塊。

系統服務器部分的數據可分為兩類，一是數據庫服務器，所有的有效信息都是存儲在該數據庫中，包括人員基本信息，讀卡器射頻卡信息，巷道和節點信息等系統所必須的基本信息、井下員工實時定位信息、歷史記錄信息等，在該數據庫設計過程中可以根據需要設計一定的觸發器和存儲過程，以達到對數據的有效處理，提高利用率。系統用戶可以通過客戶端對數據庫發送SQL命令請求，該請求經過數據庫處理之后能夠反饋給客戶端并進行顯示。

串口接收到的數據是整個系統的數據來源，可以說是整個系統的核心部分，該部分主要負責射頻數據的采集與處理，通過串口與系統的硬件設備進行數據通信，并將采集到的數據處理之后存到數據庫中，為該系統的功能實現提供理論依據。

3 數據通信設計

3.1 串口通信方式選擇

為了能夠實現該人員定位系統的功能需求，為系統的實時數據來源提供理論依據，數據通信部分的設計成為該系統的不可或缺的重要組成部分，通信方式的好壞將會直接影響這個系統的性能。所以我們采用RS-232C作為該人員定位系統中智能節點和上位機的之間的通信方式。

3.2 串口信息處理

在某個讀卡器的射頻識別范圍之內，因為射頻卡不斷地向外發送射頻信號，讀卡器就會不斷地重復讀取射頻卡發送的射頻信息，并將信息通過CAN總線上傳給上位機數據庫中，在沒有發生校驗錯誤的情況下，上位機會回復一條確認信息，“告訴”讀卡器可以繼續發送信息，如此循環往復，如果井下工作人員長時間的呆在某個固定節點處，就會有大量的重復數據被上傳到上位機的數據庫中，數據庫的容量有限，可能會導致數據庫崩潰，也不易于系統的維護。

針對本系統的實際需求分析可知，在某一節點處存入數據庫中的有用信息只有兩條，即首條信息和末條信息有效，因此在該部分的應用程序設計時考慮只保留兩條有實用價值的首條和末條信息，而不是全部保留。對于本系統而言，因為其上位機接收到相同數據信息的時間是不同的，所以可根據這一關鍵點來區分消息的先后順序，刪除掉中間的無效信息。在程序設計時，認為上位機首次接收到的信息為首條信息，其后接收到的同樣信息為末條信息，若出現第三條同樣信息，則更新數據庫表將第三條信息設為末條信息，其后以此類推，最后只保留有效的首條和末條兩條信息。

為了解決這個問題，在程序設計時，可以使用數組來存儲首條和末條兩條有效信息，設計兩個數組M和N，分別用來存儲某員工在某個節點處的來去記錄，當某讀卡器接收到某員工的數據信息時，需要對該員工的上一條記錄進行判斷，然后確定將此條信息存入M或者N中。

對于該方法，收到的人員信息數目與存儲首條或者末條信息數組的數目是相對應的，對于上位機接收到的信息要不斷地進行循環判斷，與上一條信息進行比較，確定本條信息存入哪個數組，用舊記錄去覆蓋新的記錄，最終只保留某員工在某節點處的來去兩條記錄，解決了數據重復冗余的問題。這種方法雖然解決了數據庫存儲容量過大的問題，但是需要不間斷的對數據庫表進行增刪改等操作，使該應用程序的開銷變大，這種對數據庫的頻繁操作同樣會加重數據庫的負擔，影響對數據信息的查詢等操作，若突然發生斷電，還有可能導致數據丟失等嚴重問題。

圖2 串口信息處理流程圖

除使用設定數組之外，根據該程序的設計，在數據庫中創建一個臨時表用來存儲員工信息，該表中包含著員工信息、區域位置信息、到達時間和離開時間，以及標志信息等，當接收的信息是同一員工相同節點處的信息時，只需將臨時表中的離開時間更新即可；如果接收到的是同一員工不同節點處的數據信息時，則需要對該條記錄的區域位置信息、到達時間、離開時間以及標志位信息。該方法的基本設計思想是，當上位機接收到一條新的數據信息時，通過對臨時表中的記錄進行查詢判斷操作，進而根據需要更新相應的字段信息。在進行查詢操作時可以使用優化SQL語句，這樣對查詢速度有很大的改進，一旦系統出現斷電時，不會導致臨時表中的數據丟失，使該人員定位系統的穩定性有所提高。

除了臨時表之外，該系統的數據庫中還需要創建一個主表，該表中記錄著員工的歷史數據信息，主要包括員工的基本信息以及從臨時表中有效信息記錄等，其中人員基本信息可以從人員基本信息表中獲得。對于臨時表中的員工的首條信息記錄要能夠及時的添加到數據庫的主表中以備日后查詢使用，當收到相同員工的不同位置時的信息時，要將臨時表中存儲的末條該員工信息添加到數據庫的主表中，然后才能將該員工新的記錄信息添加進去，其后的信息處理依此類推。如果某員工在一段時間之后再次路過礦井的入井處，則認為該員工已經出井，要將臨時表中相應的該員工信息刪除掉。

4 結論

井下人員定位系統在煤礦生產的實際應用中起著非常重要的作用，通過該系統的設計，我們可以隨時查看井下員工的實際生產狀況，在事故發生之后可以立即采取相應的措施進行井下急救，能夠方便快捷的找到事故中受困員工，減少事故損失及最大限度的減少人員傷亡。

[1]張才.井下人員定位系統軟件研究與開發[D].湖北:湖北工業大學,2007.

[2]刑雪.基于射頻的非煤礦山井下人員定位信息系統研究與開發[D].西安:西安建筑科技大學,2009.

[3]柯建華.基于RFID與CAN的煤礦井下人員定位系統研究[D].北京:北京交通大學,2006.

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[5]金小輝,季琦,魯友紅,等.基于分布式C/S結構的煙草行業過程監控系統[J].自動化技術與應用,2008,27(10).

Based on RFID technology personnel positioning system study design

SUN Xin-yu

本系統是通過讀卡器對攜帶射頻標簽卡的工作人員的信息進行采集。RFID射頻卡的信息是唯一的固定不變的，可根據通信協議寫入，然后CAN總線上的智能節點將接收到的數據通過串口線傳輸到上位機，這些數據信息經過后臺數據中心處理后可以存儲到相應的數據庫表中，進而實現對井下工作人員監測查詢和模擬顯示的功能。

RFID；CAN總線

孫歆鈺（1981 -），女，湖北荊門人，講師，碩士，研究方向為通信與信號系統。

TP317

A

1009-0134(2011)5(上)-0031-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).12

2010-11-12