基于RFID標簽的礦井人員搜救儀

石美峰

(西山煤電(集團)公司信息中心，山西 太原 030053)

在金屬礦和非金屬礦的開采過程中，不可避免地會發(fā)生事故，比如瓦斯爆炸、透水、巷道坍塌、中毒等。在發(fā)生這些事故的同時，井下供電幾乎中斷，照明一般也只能依靠礦燈實現(xiàn)，照明情況較差，對事故受傷人員的搜救工作難度較大。目前，普遍采用生命探測儀對事故現(xiàn)場人員進行搜救，但是大部分的礦山企業(yè)基本沒有配備生命探測儀，主要是價格相對較貴，并且對于生命體征微弱的人員，探測效果較差。生命探測儀在礦山企業(yè)配備不全，嚴重影響了對于事故現(xiàn)場人員的及時搜救工作。針對這種情況，為了在最短的時間之內(nèi)搜救出更多的被困人員，本文提出了一種基于RFID標簽的礦井人員搜救儀，主要是在目前全國絕大部分礦井已經(jīng)安裝了人員定位系統(tǒng)的前提下，對事故現(xiàn)場每個攜帶RFID標簽的人員進行快速、有效的搜救工作，對減少事故的死亡率具有相當重要的意義。

1 搜救儀的原理及功能

1.1 搜救儀的原理

RFID技術(shù)具有功耗低、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)傳輸速率高、工作可靠、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點。隨著自動識別技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，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［1］。搜救儀也主要基于RFID技術(shù)，實現(xiàn)與RFID標簽之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)對礦井人員的搜救功能。

搜救儀硬件原理如圖1所示:主要由核心處理芯片F(xiàn)PGA、高分辨率的觸摸屏、TFT液晶顯示屏、RFID無線收發(fā)模塊、USB接口、時鐘模塊、充電管理模塊、指示燈和蜂鳴器構(gòu)成。充電管理模塊組要負責對鋰電池進行充、放電管理?？梢酝ㄟ^操作觸摸屏，并結(jié)合TFT液晶顯示界面的相關(guān)內(nèi)容，設(shè)置成搜救模式，與此同時，RFID無線收發(fā)模塊被打開。同時開始向四周發(fā)送特定的頻率信號，當有RFID標簽處于此信號覆蓋范圍內(nèi)時，RFID標簽能接收到此信號，并會立即回傳一幀數(shù)據(jù)。這時RFID無線收發(fā)模塊根據(jù)對應(yīng)頻段的信號強度(RSSI)進行判斷，當信號強度達到規(guī)定的要求之后，就能接收到此RFID標簽的信號，并可獲得相應(yīng)標簽的ID號。由于每個RFID標簽的ID號所對應(yīng)的姓名、部門、工種、照片都存儲在搜救儀中，因此，在接收到RFID信號之后，TFT液晶屏上可立即顯示出此ID號所對應(yīng)的姓名、部門、工種、照片等信息。

圖1 搜救儀硬件原理示意圖

1.2 搜救儀的主要功能

1.2.1 RFID無線信號發(fā)送和接收功能

在進入搜救模式后，可以不斷地向外發(fā)送無線信號，并能在很短的時間之內(nèi)完成信號發(fā)送。然后FPGA再控制RFID無線收發(fā)模塊進入到接收模式，接收等待的時間最長達1 s。當附近有RFID標簽存在時，搜救儀可快速地識別到此標簽的無線信號。

1.2.2 TFT 液晶顯示功能

搜救儀的相關(guān)設(shè)置或相關(guān)搜救結(jié)果的顯示都是通過TFT液晶屏來實現(xiàn)。本搜救儀采用320×240全彩色液晶屏，利用 FPGA［2］高達100 MHz的快速晶振，實現(xiàn)了TFT液晶顯示屏的快速換屏，而不會有明顯的刷屏感覺，顯示界面清晰、平滑，能滿足礦井下對于搜救人員信息等內(nèi)容的詳細顯示。

1.2.3 觸摸按鍵

搜救儀還帶有全觸摸的按鍵，較高的分辨率能有效降低誤操作的可能性，并且此觸摸按鍵能夠在高溫、高濕的環(huán)境下可靠工作。

1.2.4 時鐘功能

由于在整個搜救的過程中，對每個攜帶RFID標簽的人員搜救，都是一個細致的工作。本搜救儀人性化的設(shè)計了時鐘功能，能記錄搜索到的RFID標簽的具體時間，基于時間的搜救數(shù)據(jù)能夠?qū)笃诜治龉ぷ魈峁椭?/p>

1.2.5 USB 接口功能

當搜救儀在搜救的過程中，記錄的搜救數(shù)據(jù)被存放在非易失性存儲器中，那么在搜救工作結(jié)束之后，可以通過本搜救儀自帶的USB接口，實現(xiàn)搜救儀中的數(shù)據(jù)到電腦的傳輸，并把數(shù)據(jù)保存在電腦中，方便以后進行查詢和研究。

2 搜救儀的技術(shù)指標

無線工作頻段:2.40 ±0.08 GHz

調(diào)制方式:FM

調(diào)制信號:16位二進制編碼

同時搜索能力:200個

搜救距離:與人員標識卡之間0～150 m(可調(diào)整)

存儲容量:≥500000個

接收靈敏度:－65 dbm

電池工作時間:≥10 h

3 軟件設(shè)計

本搜救儀采用高性能的FPGA作為核心處理器，主頻［3］高達100 MHz。由于外設(shè)芯片較多，如何能讓這些外設(shè)芯片合理、可靠地工作，最大程度的發(fā)揮各個外設(shè)芯片的功能，是整個程序設(shè)計的難點。

3.1 RFID無線搜救程序設(shè)計

由于目前2.4 GHz的RFID芯片，僅能實現(xiàn)半雙工的無線數(shù)據(jù)收發(fā)，因此，為了降低整個設(shè)備的功耗，只設(shè)計了一個RFID芯片。由于其半雙工的特性，因此，采用分時復用的原則，以實現(xiàn)可靠的無線雙向數(shù)據(jù)傳輸。其軟件流程見圖2。在數(shù)據(jù)的發(fā)送過程中，僅僅占用約2 ms的時間，而在接收的過程中，等待時間由隨機函數(shù)來產(chǎn)生，間隔時間在0.6～1 s。在數(shù)據(jù)發(fā)送到達過程中，采用廣播模式，因此，在很短的時間之內(nèi)，只要在信號覆蓋范圍內(nèi)的RFID標簽都接收到此信號，就會立即回發(fā)應(yīng)答信號。由于RFID標簽在回發(fā)的時間延時上也是采用隨機函數(shù)，可有效降低無線數(shù)據(jù)沖突的可能性，大大提高對RFID標簽信號接收的可靠性。經(jīng)過測試能夠達到200張RFID標簽的同時識別水平。完全能夠滿足小范圍內(nèi)密集人員的搜救工作。

圖2 無線搜救程序流程圖

3.2 USB數(shù)據(jù)傳輸

USB數(shù)據(jù)傳輸主要有兩個重要的作用，第一，能夠及時把數(shù)據(jù)庫中的人員檔案信息更新到搜救儀上，時刻保持數(shù)據(jù)庫中的人員信息與搜救儀上的人員信息完全一致。第二，能夠把已經(jīng)搜救的人員信息傳送到電腦上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠保存，并給以后的查詢提供方便。USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嗪瘮?shù)軟件流程見圖3。

4 結(jié)束語

本搜救儀結(jié)合先進的RFID技術(shù)，采用分時復用的方法，實現(xiàn)了單個半雙工RFID無線收發(fā)模塊的雙向數(shù)據(jù)傳輸。該搜救儀能在較短的時間內(nèi)，投入到礦井災難事故的人員搜救工作中去。并能通過調(diào)整RFID無線收發(fā)模塊的功率和接收靈敏度以實現(xiàn)不同搜救的距離;還能夠?qū)崿F(xiàn)搜救人員姓名、部門、工種、照片的可視化直觀顯示;所配備的USB接口可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時轉(zhuǎn)移、存儲。該搜救儀提高了礦山事故的搜救效率，具有極高的實用價值。目前，該搜救儀已經(jīng)在山西長治郭莊煤礦、四川德陽清平磷礦、安徽丁集煤礦、任樓煤礦等礦井得到應(yīng)用。

圖3 USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嗪瘮?shù)流程圖

［1］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，2004:1－10.

［2］王 誠，吳繼華.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(基礎(chǔ)篇)［M］.北京:人民郵電出版社，2005:15－20.

［3］王 誠，吳繼華.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(高級篇)［M］.北京:人民郵電出版社，2005:18－25.