一種基于RFID的煤礦井下人員定位系統

李 資，蔣慧強

(1.新疆工業高等專科學校，烏魯木齊830091;2.新疆烏魯木齊市消防局，烏魯木齊830000)

1 引言

基于雷達后向散射(Back Scattering)通信原理開發出來的RFID(Radio Frequency Identification)技術是一種無線的、非接觸方式的自動識別技術。它能夠實現多目標、運動目標的非接觸式識別，并且可以加密、解密，已經在公路交通、鐵路、煤礦等行業中得到了應用。美國、日本和歐洲等發達國家對RFID應用已經較為普遍，我國目前仍處于起步階段，應用范圍還不夠廣泛。

近年來，煤礦上發生重大事故逐年增多，國家對煤礦安全的投入也逐年增加，而現在我國煤礦井下人員的安全保障措施還很不到位，考勤制度以掛牌入井為主，由于人為因素，經常出現差錯;地面人員無法得知井下人員的具體分布及作業情況，若出現意外事故，救援工作很難開展。

如新疆阜康7.11特大礦難及剛剛發生的黑龍江東風煤礦特大礦難，均有多名礦工失蹤，給搜救工作帶來很大困難。于是，如何準確確定任一時間井下工作人員所處的位置成為了一項急需解決的問題。如果在礦難發生時，每一個井下人員的位置都是準確可知的，那么搜救工作就會進行的更加順利，人員的損失也一定會小的多。為了適應煤礦安全管理信息化的要求，本文研究確定一種以RFID為核心的檢測系統。

2 RFID的基本結構與工作原理

一個RFID系統主要由三個基本部分組成，如圖1所示。

圖1 RFID工作原理圖

(1)電子標簽

用來存儲用戶信息并在可識別范圍之內將信息通過天線發射給讀寫器以便識別。

根據供電方式的不同，電子標簽可分為有源電子標簽(Active tag)和無源電子標簽(Passive tag)。有源是指卡內有電池提供電源，其作用距離較遠，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環境下工作;無源卡內無電池，它利用波束供電技術將接收到的射頻能量轉化為直流電源為卡內電路供電，其作用距離相對有源卡短，但壽命長且對工作環境要求不高［1］。

使用RFID，電子標簽不一定要在讀頭的光學可視范圍內。標簽的載碼體具有穿透大多數非金屬材料(假設使用的頻率恰當)的能力，因此可以嵌入載體、容器乃至產品中。而且，這些容器和產品可以密封在外包裝中，這對數據采集結果并無不利影響。

(2)讀寫器

基本任務是啟動電子標簽與其進行數據交換來實現非接觸的無線通信，也就是識別出每一張在其識別范圍之內的標簽，并把數據經過調制送到處理器進行處理。

在作用范圍之內，當數據流從讀寫器發出時，讀寫器盤繞的天線與標簽盤繞的天線之間就形成一個磁場，電子標簽內的接收天線利用其可變的負載特性，將控制接收天線的反射信號，發送返回的電磁波給讀寫器。當讀寫器接收到反射信號時，進行解碼獲取被識別的信息并發出相應的電磁載波。

(3)天線

讀寫器通過天線發送出一定頻率的射頻信號。當RFID標簽進入讀寫器工作場時，其天線產生感應電流，從而RFID標簽獲得能量被激活并向讀寫器發送出自身編碼等信息。對于射頻識別系統來說，接收耦合天線相當于等效有一個可變負載;讀寫器接收到來自標簽的載波信號，對接收的信號進行解調和解碼后送至計算機主機進行處理;計算機系統根據邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號;RFID標簽的數據解調部分從接收到的射頻脈沖中解調出數據并送到控制邏輯，控制邏輯接收指令完成存儲、發送數據或其他操作。

3 系統基本結構

本系統由以下幾個主要部分構成，如圖2所示。

(1)電子標簽

考慮到重量、成本、運行環境及維護等因素，本方案采用工作在UHF頻段的集成了天線的無源標簽，有效范圍可達10m。無源電子標簽在讀出器的響應范圍之外處于無源狀態，只有在響應范圍之內，這類電子標簽才會從讀寫器的射頻場中獲取能量，系統激活，開始工作。電子標簽工作所需要的能量通過電磁耦合單元或天線，以非接觸的方式傳送給電子標簽。每個標簽都有一個全球唯一的ID號碼——UID(通常為制造時間)，UID是在制作芯片時放在ROM中的，無法修改［2］。用戶數據存放在用戶數據區(DATA)內，可以進行讀寫、覆蓋、增加等操作，可將每一個礦工的個人信息寫入其專屬卡中，以便讀寫器進行識別。

圖2 系統結構圖

使用無源電子標簽無需擔心惡劣環境對標簽的影響，當標簽完全浸在水下時仍能傳輸數據。載碼體甚至可以通過240攝氏度高溫的烤漆爐。

為了攜帶方便，現考慮將標簽粘貼在礦燈電源上，一次制成之后，若無外力損壞，壽命可長達幾十年。

(2)讀寫器

因本系統需采用的讀寫器數量較大，考慮到成本因素并通過對煤礦實地考察，采用價格較低的只讀器，在作用范圍之內，只能讀取電子標簽反射信號，而不能對標簽進行寫操作。

這里采用的工作頻段為902MHz～928MHz頻段，每個信道占 20dB的帶寬，約達到 50KHz和500KHz之間。與天線配合控制，經過跳頻，有效范圍可達8m～10m，采用ISO-18000-6協議。讀寫器可與標簽以每秒50～100次的頻率通信，即每秒可識別50～100個對象，完全能夠滿足煤礦方面的要求。

在實際使用中可將讀寫器固定安裝，固定位置的讀寫器對電子標簽的識別率可達到100%，并可耐受惡劣環境無需光學可觀，在粉塵及高溫環境中都能正常運作。

(3)天線

本系統所用的天線必須符合以下條件:足夠小以至于能夠貼到需要的物品上;有全向或半球覆蓋的方向性;提供最大可能的信號給標簽的芯片;無論人員處于什么方向，天線的極化都能與讀寫器的詢問信號相匹配;具有魯棒性并且非常便宜。

按照RFID系統的工作方式或工作頻段的不同，電子標簽的天線可分為近場感應線圈天線和遠場輻射天線。

因本系統所需的RFID作用距離較遠，所以選擇遠場輻射天線。場輻射天線主要有電場偶極子天線、對稱振子天線以及微帶天線，通常是諧振式的，一般取為半波長。因此，工作頻率的大小決定著天線尺寸的大小。與近場感應線圈天線相比，其輻射效率較高［3］。

(4)單片機

用來管理讀寫器與網絡接口模塊的通訊接口。

主機系統與單片機連接并通過并口、串口或通訊總線訪問電子標簽。

考慮到煤礦井下所使用的單片機應該具備以下特點:價格便宜、節能、高處理速度、體積小并且具備良好的防爆性能。本系統采用了美國Cygnal公司的超低功耗SOC(System on chip)型單片機C8051F 30x。

C8051F 30x單片機具有與MCS-51內核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設及功能部件。特別是它在設法保持CISI結構及指令系統不變的情況下對指令運行實行流水線作業，推出了CIP-51的CPU模式。在這種模式中廢除了機器周期的概念，指令以時鐘周期為運行單位，平均每個時鐘完成一條單周期指令，70%的指令執行時間為一個或兩個系統時鐘周期，速度可達25MIPS，這樣一來在相同時鐘下單周期指令運行速度為原來的12倍。整個指令集的平均運行速度是8051的9.5倍。這種高速的指令運行速度使系統具有很高的處理速度。

C8051F 30x是真正能夠獨立工作的SOC，CPU有效地管理模擬和數字外設，可以關閉單個或全部外設以節省功耗，采用3V電壓供電，端口I/O均可耐壓5V，滿足了防爆及節能要求。

片內具有8KB Flash，具有在線重新編程的能力，即可用于程序存儲器又可用于非易失性數據存儲，應用程序可以使用MOVC和MOVX對FLASH進行讀或寫。片內還具有256 bytes RAM，對于本系統來說已經足夠使用，不需要再增設外部存儲器。硬件增強型URAT可與外部設備直接進行串口通信，或通過UART轉USB橋接芯片同外部設備的USB接口進行通訊。SMBus總線直接與射頻專用收發芯片連接，對射頻芯片控制來實現非接觸射頻卡的讀寫［4］。

由上述介紹可知應用C8051F30x單片機可提高本系統的整體性能，同時又使得系統的外圍電路得以簡化。

單片機與讀卡器的系統結構框圖如圖3所示。

圖3 單片機與讀卡器系統結構圖

(5)CAN總線

用于讀寫器與監督管理系統之間的數據通信。

(6)上位機

編制相應的軟件對信息進行處理運算，以圖形化的方法把井下用戶信息顯示出來。

(7)讀寫器程序框圖

系統工作流程如圖4所示。

圖4 系統工作流程圖

4 結束語

以煤礦安全需要為動力，近年來在瓦斯檢測、通風等各單元技術方面有長足的發展，為礦工的安全提供了一定的保證，但在井下人員的定位與考勤管理方面還存在一定的缺陷。本文在充分調研現場需要的情況下，研究確定了一種基于RFID的煤礦井下人員定位系統，為在井下出現事故時，提供快速救護起到一定的作用。

本文論述了系統的總體結構和主要工作原理，并給出了系統作用范圍以及性能指標。該系統具有工作安全可靠、效率高、耐受惡劣環境能力強，價格低廉等優點。

本論文的特點在于創新的提出了以RFID為基礎的、具有很強實用性的煤礦井下人員定位系統。

［1］ 王宏.RFID自動識別設備的分類及選型初探［J］.微計算機信息，2005(1):65-68.

［2］ 李毅，李紅波.基于RFID技術的車輛綜合自動管理系統的設計研究［J］.微計算機信息，2005，10(2):24-27.

［3］ 張益強，鄭銘，張其善.遠距離射頻識別系統及其應用前景［J］，RFID世界網 2005.5.

［4］ 新華龍電子.C8051F30x單片機低成本射頻讀卡器方案［Z］.新華龍電子網，2006.