井下人員考勤系統的設計

孫楠楠 孫運強 姚愛琴

(中北大學，儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 太原 030051)

0 引 言

從總體上來看，我國多數煤礦都是高瓦斯礦，開采難度大，危險性高，加之我國井下工作人員整體素質不高，因此我國煤礦事故頻發，煤礦生產百萬噸死亡率高居不下。如何加強安全生產的防范措施，如何正確處理安全與生產、安全與效益的關系，如何準確、實時、快速履行煤礦安全監測職能，保證搶險救災、安全救護的高效運作，擺到了國家各級主管部門和領導的面前。同時如何改變目前煤礦企業對井下人員落后的管理模式，如何實現管理的現代化、信息化也成為所有煤礦企業關心的問題。因此，本文設計了井下人員考勤系統，用來提高煤礦管理水平，降低事故發生率。

1 考勤系統的整體設計及工作原理

整個考勤裝置由Mifarel 卡、讀卡器、攝像頭、圖像采集卡及PC 等構成，其結構示意圖如圖1 所示。

圖1 考勤裝置結構框圖

裝置的工作原理如下:每位礦工身上都有一張代表自己身份的Mifarel 卡。首先將礦工卡號及個人信息存入PC中數據庫。當礦工入井或者出井時，都必須在讀卡器上刷卡，此時，讀卡器將讀取卡號，通過串口發送給PC，PC 從數據庫中查找讀到的卡號及其對應的虹膜信息。如果查找不到卡號，則說明此人為不明身份人員，需要重新登記入庫。如果找到卡號，則取出庫的虹膜圖象編碼，與此時采集到的虹膜圖像信息相比較，如果匹配成功則說明此人身份無誤，記錄下時間，作為考勤記錄。如果不匹配，則說明此人為冒名頂替者。這樣既可以完成考勤，同時還能有效驗證礦工身份，減小安全隱患，提高煤礦管理水平。

2 系統的硬件設計

2.1 虹膜識別系統硬件設計

虹膜識別技術的基本原理是通過特制的光學成像系統、電子控制單元以及適當的計算機軟件算法來提取虹膜的圖像，通過圖像分割技術實現虹膜的定位、歸一化和去噪聲。使用活體虹膜檢測，就是要可靠的鑒別出采集到的圖像是否來自有生命的個體，使虹膜用特征提取器對虹膜進行有效的特征的提取，最后使用分類器完成基于虹膜特征向量的分類任務。

此識別系統的硬件平臺由5 部分組成，分別是圖像采集、圖像處理、數據存儲、圖像顯示和電源部分。其結構框圖如圖2 所示。

圖2 虹膜識別系統的硬件結構框圖

系統主程序運行在DSP 中，完成虹膜圖像處理的全部算法。識別過程是:先用攝像機拍攝眼睛圖像，然后進行圖像預處理(虹膜定位、增強等)，再對虹膜特征進行分析，與存儲的虹膜特征進行模式匹配，最后得出識別結果。在這過程中，虹膜定位、特征分析和匹配是重要的部分。

2.2 MIfarel 射頻卡工作原理

Mifarel 卡是PHILIPS 公司生產的非接觸式IC 智能射頻卡。卡片上除了IC 微晶片及一副高效率天線外，無任何其他元件。卡片上無源(無任何電池)，工作時的電源能量由卡片讀寫器天線發送無線電載波信號耦合到卡片上天線而產生電能，一般可達2 V 以上，供卡片上IC 工作。工作頻率為13.56 MHz。

Mifarel 卡工作原理:讀寫器向卡片發一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個LC 串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC 諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當所積累的電荷達到2 V 時，此電容可作為電源為其它外圍電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接取讀寫器的數據。

2.3 MIfarel 卡讀卡器的設計

圖3 讀卡器結構圖

讀卡器結構如圖3 所示。讀卡器的工作原理是由AT89C52 對MFRC500 進行控制與通信，MFRC500 驅動外圍電路對Mifarel 卡進行讀寫操作。具體說來，當卡片在讀卡器有效識別范圍內，AT89C52 控制MFRC500，完成對卡的操作和整個讀寫器的管理下MFRC500 負責信號的編碼、解碼，信號的調制、解調，匹配電路建立讀寫器同射頻卡之間的聯系。

MFRC500 芯片與AT89C52 單片機的連接電路圖如圖4 所示。

圖4 AT89C52與MACR500 連接電路圖

在本系統中，采用的是直接匹配的天線。直接匹配的天線的理論工作距離可達100 mm，工作距離主要由天線的大小以及天線匹配電路的修正值決定。需要的部件有EMC 濾波器、接收電路和天線本身的匹配等。圖5 是本系統使用的直接匹配天線電路。

圖5 直接匹配天線電路配置

3 系統的軟件設計

3.1 讀卡器與PC 之間的通信協議

PC 與Mifarel 卡讀卡器之間通過RS232 總線通信，通信速率設為9 600 bps，采用單總線半雙工模式。PC 與讀卡器之間每幀的通信格式包括起始位、數據、校驗碼和結束符。其中數據包括通信狀態和4 字節卡號。每幀具體格式如下:

STA，STA，STATUS，NUMI，NUMZ，NUM3，NUM4，ACC，END，END。

其中，STA 為起始位，占兩個字節;STATUS 表示Mifarel 卡與讀卡器之間是否通信成功，成功則該字節為0，否則為1;NUMI－NUM4 代表讀到的四字節Mifarel 卡卡號;ACC 為一字節的奇偶校驗碼;END 為結束碼，占兩個字節。

3.2 Mifarel 卡與讀卡器之間數據交換

讀卡器的程序主要包括兩個部分:與Mifarel 卡之間的通信和與PC 機之間的數據傳輸。

實際上，Mifarel 卡與讀卡器之間的通信就是卡片和讀卡器之間的數據交換和對卡內EEPROM 存儲器中的數據進行處理的過程。讀卡器一直處于問詢卡片狀態，當卡片在讀卡器的有效輻射范圍內，卡片就能接受到讀卡器的指令，經過指令譯碼，進行數據處理，并返回相應的處理結果。Mifarel 卡與讀卡器之間一個完整的交易過程如圖6所示。

圖6 讀卡器對Mifarel 卡完整操作流程

整個讀卡器軟件操作流程如圖7 所示。

圖7 讀卡器軟件操作流程

3.3 主機操作過程

讀卡器能夠正確地讀取到每張代表個人身份的Mifarel 考勤卡，并將其發送到PC 中，但是PC 如何將卡號與個人信息聯系，如何進行個人身份識別以及怎么將卡片到達時間存儲及查詢，這就需要編寫一套合理的考勤管理軟件。軟件大體上需要實現3 個功能:個人信息存入數據庫、刷卡考勤及身份識別、考勤記錄查詢。具體實現過程如流程圖8 所示。

圖8 考勤實現流程圖

4 考勤記錄查詢結果

圖9 為考勤記錄查詢界面，記錄查詢可分為3 種類型:

(1)查詢個人的考勤記錄，選定時間范圍，輸入編號或姓名后，可查詢到該人一段時間內入升井具體時間，入井時長，以及入井總天數，可作為考察該人出勤情況的憑證。

(2)查詢一個部門全部人員的考勤記錄，選定時間范圍，選取需要查詢的部門名稱后，可查詢到一段時間內該部門全部人員的入井天數，可作為考察該部門人員出勤情況的憑證。

(3)查詢一段時間入升井人數，選定時間范圍，可統計出一段時間內入升井總人數及具體人員名單。

圖9 考勤記錄查詢

考勤記錄查詢部分功能為按照各種條件查詢考勤記錄并計算時長。在個人信息查詢中，按照所選擇的查詢條件組成查詢語句，在已經打開的記錄集中檢索到符合條件的記錄。所有記錄查詢功能均具備輸出打印功能。

5 結 論

本文研究的主要內容是基于射頻識別的煤礦人員考勤系統。用來完成出入井礦工的時間登記，統計礦工每天在井下的工作時間，給管理者提供一個評價礦效率和工作時間的有效依據，便于采取各種獎懲措施，有理可依，有據可查。同時，本系統還添加了礦工身份識別的功能，可以有效防止不明身份人員和冒名頂替人員入井，大大地提高了對煤礦生產的管理水平，但不能得知礦工下井后的動態軌跡，使煤礦安全生產不夠智能化和自動化。

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