近年來，礦井事故頻繁發(fā)生，由于礦井下情況的復(fù)雜性，礦工們的救援工作十分困難。如果能及時了解工人們在礦井下具體的位置，將會大幅度減少事故的傷亡率。因此，礦井下人員的定位一直都是煤炭開采中一個緊迫的任務(wù)，研究人員們提出了許多方案，但成效甚微。本設(shè)計吸收了目前國內(nèi)外的一些方案的優(yōu)點，對它們的不足之處做了研究，提出了自己的設(shè)計方案，以求能更好地推廣應(yīng)用。 

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計思路 

系統(tǒng)主要使用的技術(shù)是無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Idenficafion，RFlD)，是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。 

本設(shè)計主要解決的是礦井下人員定位的問題。它能夠?qū)崟r地監(jiān)控井下員工的具體位置(誤差范圍內(nèi))；能夠進(jìn)行員工下井考勤與相應(yīng)時間、地點的統(tǒng)計(包括何時下井，何時離井，具體位置等)。它既可以供中小型礦井作為一個功能齊全的自動監(jiān)控考勤系統(tǒng)使用，也可以與已有的礦井綜合系統(tǒng)結(jié)合，作為一個重要的功能供大型礦井使用。 

主要設(shè)計參數(shù)如下：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小為1 km 10km2；基站總數(shù)量約為6o 0o個；無線通信距離為5 m～10m；基站間距為80m～100m；通信器移動速度為0m／s一5 m／s。 

在具體的井下組網(wǎng)時，由于井下信號的衰減較大，要合理地設(shè)置基站的發(fā)射功率與基站間的距離，基站設(shè)置要重點考慮員工密集區(qū)和信號衰減嚴(yán)重區(qū)域(如十字路口處)。 

2 人員定位系統(tǒng)的設(shè)計 

2．1 人員定位系統(tǒng)方案的設(shè)計 
定位系統(tǒng)主要由地面控制中心、井下基站(射頻自動識別讀寫器)以及無源電子標(biāo)簽(Tag)組成?？刂浦行呢?fù)責(zé)整個通信定位系統(tǒng)的管理與控制，與相應(yīng)的礦井地理信息系統(tǒng)配合可以對井下人員進(jìn)行實時監(jiān)控。它可由一臺計算機并配有相應(yīng)數(shù)據(jù)庫管理軟件完成?；緸檎麄€定位系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)Tag周期性信號的檢測，電子標(biāo)簽由井下工作人員隨身佩戴，憑電子標(biāo)簽進(jìn)入井下，并通過讀寫器讀取標(biāo)簽中的出廠卡號(本系統(tǒng)使用只讀電子標(biāo)簽，每個標(biāo)簽的出廠卡號唯一)，卡號對應(yīng)每個人的個人信息，把時間、位置和個人情況寫入數(shù)據(jù)庫，控制中心自動生成考勤作業(yè)統(tǒng)計與報表。 

2．2 井下人員定位原理 
目前，常用的一種定位方案是信號強度檢測法，它類似于手機信號的檢測，基站的信號需要覆蓋整個礦井，當(dāng)一個Tag處于某個基站附近時，這個基站獲得的信號最強，我們很容易判斷它的位置，如果Tag移動到兩個基站的重疊區(qū)時。兩個基站獲得的信號強度不一致，對比信號的強度我們也能精確地判斷出Tag的具體位置。這種方案的優(yōu)點是定位精確，但是需要設(shè)置大量的基站，容易浪費人力物力。而我們實際應(yīng)用時，往往只需要一個大概的方位。在此，筆者提出—個終點定位法，定位系統(tǒng) 原理見圖1。當(dāng)某個電子標(biāo)簽經(jīng)過基站A時，我們可以得到佩戴這個電子標(biāo)簽的人員信息(人員的編號、位置和處于此位置的時間)。如果在以后的時間里，其他的基站不再出現(xiàn)該標(biāo)簽的信息，我們便可以判斷該人員的位置范圍。如果他繼續(xù)前行，我們可以從其他的基站中讀出該人員的最終位置并可以得出他的行進(jìn)軌跡?？梢钥隙ǖ氖?，只要基站布置合理，我們便可以準(zhǔn)確地對井下每個員工定位，而且可以減少大部分不必要的基站。 

2.3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計 
硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖2)由多個射頻識別設(shè)備、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及監(jiān)控主機組成。其中，射頻識別是本系統(tǒng)的核心技術(shù)，在此，我們采用的是杰訊公司的JXO521射頻自動識別讀寫器、UHF射頻自動識別卡(電子標(biāo)簽)和JX—90o一12- H65天線。 

JX0521是國產(chǎn)的超長距離射頻自動識別讀寫器，工作頻率為9o2MHz一928 MHz，讀卡距離≥8 m，讀卡速度為每單字(32 b)讀取時間6ms，有防碰撞檢測功能，一次可成批讀取3O張電子標(biāo)簽，平均功率≤12w。其優(yōu)點是：非接觸性，無源射頻卡與讀寫設(shè)備之間沒有機械接觸，無機械損傷。與讀寫設(shè)備也沒有插口(全密封)，能適應(yīng)多塵、潮濕等惡劣環(huán)境，可靠性高，使用壽命長，安全保密性好，十分合適礦井下使用。普通磁卡受到強磁場干擾會丟失信息，射頻識別卡利用存儲器記錄信息，不受磁場的干擾；體積小，方便各種封裝形式，價格比較便宜。 

為更好地保障礦井下工作人員的安全生產(chǎn)，實時地掌握礦井下的人員的分布情況是必須的，比如，某時某個礦工在哪個坑道作業(yè)。為此，在每一個坑道、工作面分岔入口處放置一個射頻讀寫器。地面控制中心為每個讀寫器設(shè)置位置序列號，該序列號對應(yīng)礦井下具體的地理位置(見圖1)。每個電子標(biāo)簽Tag設(shè)有不同的身份認(rèn)證序列號，分別對應(yīng)不同的員工信息。射頻讀寫器不問斷地發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)遇到電子標(biāo)簽(Tag)時，耦合并反射，同時帶回電子標(biāo)簽的信息。無源電子標(biāo)簽沒有內(nèi)裝電池，在閱讀器的讀出范圍之外時，電子標(biāo)簽處于無源狀態(tài)，在閱讀器的讀出范圍之內(nèi)時，電子標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源。無源電子標(biāo)簽采用反射調(diào)制方式完成電子標(biāo)簽信息向閱讀器的傳送(見圖3)，最后基站采集到的信息通過Rs485發(fā)給地面控制中心的后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。考慮到礦井的復(fù)雜環(huán)境和布線的難度，所以各分岔口通過無線的方式與交叉口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；九c后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的距離較遠(yuǎn)，采用穩(wěn)定性好、傳輸距離遠(yuǎn)的RS485串行總線。 

2、4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計 
射頻讀寫器與數(shù)據(jù)庫通過RS485總線連接后，我們還需要控制主機的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)中，軟件的主要功能是：電子標(biāo)簽在射頻讀寫器的監(jiān)測范圍內(nèi)被檢測，生成標(biāo)簽記錄，讀寫器將標(biāo)簽記錄以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)給主機，主機處理接收到的數(shù)據(jù)包，將處理的結(jié)果及與標(biāo)簽對應(yīng)的礦井工人的個人基本信息、位置、時間儲存在后臺數(shù)據(jù)庫中。 

3 結(jié)語 

各行各業(yè)，保障人員的安全都是首要原則。采礦作為一個事故多發(fā)的行業(yè)，雖然國家在這方面投入了大量的人力物力，但是每年我國在這個方面的損失還是十分慘痛的。由于礦井下環(huán)境復(fù)雜，我們難以預(yù)料事故的發(fā)生，那么在事故發(fā)生后，第一時間內(nèi)了解井下情況，及時挽救工作人員的生命，也是十分必要的。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的射頻技術(shù)，如果和已有的礦井通信系統(tǒng)結(jié)合起來，既節(jié)省成本：又能收到很好的效果，應(yīng)用前景十分廣闊。 

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