基于RFID的井下人員定位系統設計

陳齊慧 劉佳 文雅 吳周念 范文超 常春

摘 要：井下人員定位系統是煤礦井下安全避險“六大系統”之一。本文在概述射頻識別技術的基礎上，提出了一種基于RFID系統設計的井下人員定位系統的設計方法。系統的讀寫器和標簽均采用低功耗射頻芯片nRF24LE1作為核心器件，采用VS2008+QT構建井下人員定位軟件系統。該系統主要有硬件、下位機軟件和上位機軟件三個部分組成。應用于井下人員定位的RFID系統，可以實現對井下人員的實時定位，在人員的管理調度和事故發生時的搜救工作上起到輔助作用，對井下安全生產管理有著重要的現實意義。

關鍵詞：井下人員定位；射頻識別（RFID）；nRF24LE1

1 引言

煤礦井下安全問題一直是國家重視的問題[1]，我國大中型煤礦和廣大鄉鎮小煤礦都在響應國家號召，越來越重視煤礦安全問題，已經開始裝備煤礦安全生產監控系統。井下人員定位跟蹤及安全管理系統可以對井下人員進行實時跟蹤，方便掌握每個人的活動軌跡[2]，在災害發生時可以及時找到井下被困人員，為救援提供了寶貴的信息。由于煤礦井下無線傳輸衰減大，GPS信號不能完全覆蓋井下的每個巷道。本文設計了一種基于射頻識別（RFID）技術的井下人員安全定位跟蹤系統的設計方案。

2 射頻識別系統

2.1 射頻識別技術

射頻識別（Radio Frequence Identification，RFID）技術起源于二戰時期，由最初只在軍事領域的應用慢慢發展到現在在民用各個領域的應用，RFID迎來了一個嶄新的發展時期。目前，RFID得到了世界各國的廣泛關注，大量應用于公路收費、停車場管理、身份識別等方面。

RFID技術是利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，自動識別目標對象獲取相關信息數據的無線通信技術。RFID系統一般包括終端機、RFID中間件、讀寫器和標簽幾個部分。讀寫器利用射頻信號自動識別電子標簽的信息，將信息打包通過中間件發送給上位機，識別過程無需人工干預，可以自動完成信息的傳輸與處理，可工作于各種惡劣環境，在識別高速運動的物體和同時識別多個標簽上有很好的應用。

基于RFID的人員定位系統從無源射頻近距離識別階段、有源微波遠距離識別階段到現在的雙向識別通信階段一共經歷了三個階段。本文設計采用有源微波遠距離識別的方案，該方案具有通信距離遠，可靠性好，識別速度快等的優點[3]。

3 系統的設計與實現

整個系統包括硬軟件的設計，其中硬件部分由井下人員攜帶的電子標簽和各個監測點的閱讀器組成；下位機軟件部分由采集信息、信息打包部分組成；上位機軟件包括串口通信和數據的加工處理組成。

3.1 硬件電路的設計

硬件電路分為標簽電路、讀寫器電路、中間件的設計，如圖1所示。其中標簽模塊采用紐扣電池供電，讀寫器采用專門的供電模塊供電。nRF24LE1外圍電路簡單，在它的應用電路的基礎上加了一個功放芯片RFX2401C，相當于進行了一個發射功率放大，接收靈敏度加強[7]。天線部分采用PCB天線。通訊接口采用傳輸距離遠、抗噪能力強的485通信方式。

3.2 系統軟件的設計

系統軟件的設計包括兩部分：下位機程序的設計和上位機程序的設計。

3.2.1 下位機程序設計

下位機程序的設計又包括標簽程序的設計和讀寫器程序的設計。讀寫器通過對標簽的射頻識別對標簽的實時信息進行數據采集和處理然后將信息通過RFID中間件將數據上傳給上位機。下位機程序流程圖，其中標簽的流程圖如圖2所示，讀寫器的流程圖如圖3所示。

讀寫器和標簽卡在完成通信方面有幾個關鍵點：

（1）防碰撞算法的設計。在通信時信道中會有多個標簽同時工作，為保證通信的可靠性，防碰撞必須考慮到其中。通過對信道功率的探測，進行載波監聽，當信道忙時，通過隨機退避一個時延，再反復監聽信道直到信道空閑下來完成無線通信任務。

（2）低功耗的設計。由于標簽是采用紐扣電池供電，所以必須考慮減小功耗。nRF24LE1本身是一款低功耗的芯片，在此基礎上，在軟件設計上加入對標簽的定時喚醒和通過讀寫器對標簽的工作狀態的切換，最大限度上節能。

（3）電源監管的設計。當標簽電池電壓低于設置電壓時，發出報警，提醒更換電池。

（4）定位算法的設計采用RSSI測距和質心算法，實現井下人員的定位。讀寫器完成采集標簽信息進行強度排序后將運算結果上傳到上位機，上位機進行均方差和井下人員坐標位置[5][6]。

3.2.2 上位機程序設計

上位機軟件設計方面，需要體現數據的處理結果可視化的顯示出來，通過定位算法能將標簽的區域位置給顯示出來。上位機軟件開發環境選擇的是VS2008+QT，在基本串口程序的基礎上，在數據處理方面加入了定位算法和數據處理功能和modbus通訊協議，通過與下位機的配合實現485總線通信，保證了通信的可靠性。上位機的程序流程圖如圖4所示。

4 總結

RFID作為一門越來越熱的一門技術，隨著在智能識別上得到廣泛應用，RFID設計標準正在日趨完善中。在深入了解RFID技術原理與應用，結合國內外RFID技術的發展現狀，提出了一種工作在2.4GHz有源RFID讀寫系統，在結合上位機軟件開發之后，形成了基于RFID技術的井下人員定位系統。是煤礦井下安全生產管理為前提，通過RFID技術、通訊技術和計算機技術的結合，突破了傳統井下人員管理模式，是一種可靠實施性強的一種煤礦井下人員監控系統。

[參考文獻]

[1]蘇靜，吳桂義.煤礦井下人員定位系統現狀與發展趨勢[J].內蒙古煤炭經濟，2012，9.

[2]李成學，郭林霞.基于RFID技術的煤礦井下人員管理信息化的研究[J].中國礦業，2007，16.

[3]劉兆巖.基于RFID技術的人員定位系統[J].水力采煤與管道運輸，2013.6.

[4]超低功耗單片無線系統應用與入門——基于2.4GHz無線SOC芯片NRF24LE1[M].北京航空航天大學出版社，2011.

[5]林瑋，陳傳峰.基于RSSI的無線傳感器網絡三角形質心定位算法[J].現代電子技術，2009.2.

[6]李蒙，李廣宏，刁文廣.無線傳感網絡煤礦井下人員定位系統設計[J].煤礦安全，2010，11.

[7]Rfaxis.RFX2401C Preliminary Data Sheet.2012.