1．引言

    移動處理設(shè)備的發(fā)展和無線局域網(wǎng)技術(shù)的進步促進了移動定位技術(shù)的突飛猛進。在進行近距離定位時，通常使用如紅外線、802.11、超聲波和RFID技術(shù)。RFID(Radio Frequency Identifical),射頻識別技術(shù)，作為快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術(shù)與信息標準化的基礎(chǔ)，已經(jīng)被世界公認為本世紀十大重要技術(shù)之一，在生產(chǎn)、銷售、物流、交通等各個行業(yè)有著廣闊的用前景。

    目前，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于遠距離微波射頻識別技術(shù)的讀寫器開始得到應用，在礦井安全檢測系統(tǒng)中引入井下人員定位檢測系統(tǒng)是一種趨勢。一些企業(yè)也紛紛推出了自行設(shè)計開發(fā)的基于RFID煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)。基于以上背景，我們研究基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)是非常具有歷史和現(xiàn)實意義的。

    2．RFID 基本原理以及定位系統(tǒng)要求

    2.1 RFID 原理

    射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identifical ,簡稱RFID)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(電感或電磁耦合)傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。

圖 1 射頻識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

   射頻識別系統(tǒng)一般由三個部分組成，即電子標簽(Tag)、閱讀器(Reader)和應用系統(tǒng)，其基本模型如圖1所示。其中電子標簽為數(shù)據(jù)載體，又稱為應答器，電子標簽與閱讀器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

    2.2 定位系統(tǒng)需求分析

    圖2為井下環(huán)境示意圖，斜線部分為開采面，黑點覆蓋區(qū)域為巷道。通過煤礦井下應用環(huán)境的分析，定位系統(tǒng)應具備以下方面特點：

    1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本盡可能的低；
    2、系統(tǒng)應該具有擴展性；
    3、系統(tǒng)的定位的精度要滿足實際應用的需要。

圖2 井下環(huán)境示意圖

    整個煤礦定位監(jiān)控系統(tǒng)應該具備以下功能：

    1、顯示、查詢井下情況：
    (1)任一時間井下或某個地點人數(shù)，及每個人的身份；
    (2)查詢一個或多個人實時的實際位置及某個人在任一時間的活動軌跡；
    (3)查詢有關(guān)人員在任一地點的到達、離開時間和總工作時間等等一系列信息，可以督促和落實重要巡查人員(如：瓦斯檢測人員、安全檢測人員及管理人員等)是否按照規(guī)定的時間、地點的進行各項檢查工作，減少事故發(fā)生因素；
    (4)可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，對多個用戶通過權(quán)限設(shè)置，可查看權(quán)限內(nèi)信息；
    (5)具備考勤功能，可查詢一個或多個人每天入井次數(shù)，在井下工作時間等；
    2、隨時查看井下人員在巷道內(nèi)的實時動態(tài)分布，根據(jù)井下的實際情況制作相應的動態(tài)圖，使井下人員分布情況一目了然；
    3、可在井下車輛和重要設(shè)備上安裝射頻識別標簽，隨時掌握它們井下的位置和運行路線，從而對車輛設(shè)備進行合理調(diào)度，最大限度地提高生產(chǎn)效率；
    4、遇突發(fā)事故，可隨時查詢事故區(qū)域的人員分布，人員身份及重要設(shè)備所在位置，能及時調(diào)動相關(guān)人員處理事故及撤離，可為搶險救災提供準確資料；
    5、搶險時更準確快速識別遇險人員和儀器設(shè)備具體地點和位置，提高搶險效率和救護效果；
    6、有效的監(jiān)控井下有害氣體濃度，當濃度超過警戒閥值時，井下監(jiān)測點及井上控制臺同時報警，使井下施工人員可以迅速撤離，而且能準確有效的定位出事地點。

    3．基于RFID 技術(shù)的煤礦井下定位系統(tǒng)方案設(shè)計

    3.1 工作頻段的選擇

    與地面相比,井下地質(zhì)和生產(chǎn)環(huán)境對通信頻率影響較大的因素有：

    1、衰減與頻率的關(guān)系。礦井巷道對電波的自由傳播可視為帶阻型。在甚低頻段、低頻、中頻的低端，隨頻率增大衰減增大。在中頻高端、高頻頻段，衰減達到最大,30MHz電波的衰減最大,最不利于傳輸；進入甚高頻后,衰減隨頻率上升而減小。
    2、衰減與曲率的關(guān)系。衰減隨著巷道曲率增大而增大。如900MHz，對于同樣巷道壁、截面大小一樣的巷道,平直時,傳輸距離可達600m左右；當巷道彎曲90°時,傳輸距離只有300m。又如頻率為415MHz時,直線傳輸距離可以達380m,而遇到拐角時只能達到127m,可見有拐角的傳輸距離一定小于直線的傳輸距離。對于平直而不受阻擋的巷道而言，頻率越高傳輸衰減越小,但當頻率升高時,電波的拐彎能力變差，拐角處的損耗增大，傳輸距離減小。拐角損耗隨著頻率的升高而逐漸增大。
    3、衰減與粗糙度、傾斜率的關(guān)系。當電波在巷道中傳播時,由于巷道壁的粗糙與傾斜,將引起電波損耗。根據(jù)有關(guān)文獻的理論分析和實驗可知,當頻率較低時,粗糙所引起的損耗較大；當頻率較高時,傾斜所引起的損耗較大。
    4、導體對無線傳輸?shù)挠绊憽Ｓ捎诳v向?qū)w的導波作用，當巷道內(nèi)存在動力電纜、通信電纜、信號電纜、電機車架空線、鐵軌、絞車鋼絲繩、水管等縱向?qū)w時,礦井無線傳輸?shù)乃p將減小,并且縱向?qū)w與巷道的絕緣性能越好,越位于巷道中央傳輸衰減越小。在中頻、低頻段縱向?qū)w的導波作用較大，中頻段傳輸距離可達2500m ，隨著頻率的增高，縱向?qū)w的作用越來越小。在特高頻及其以上頻段,縱向?qū)w的作用可以忽略不計。
    5、衰減與巷道斷面的關(guān)系。巷道斷面大比斷面小對通信更有利。
    6、井下設(shè)備對無線傳輸?shù)挠绊憽＞略O(shè)備較多、較復雜而且形狀不一致，無論是理論分析還是試驗驗證都較困難。目前較一致的結(jié)論是：機車對無線傳輸?shù)牟焕绊戄^大；木制風門對無線傳輸?shù)牟焕绊戄^小,鋼木混合風門對無線傳輸?shù)牟焕绊戄^大，而鋼制風門可以阻斷無線傳輸；臨時性風墻對無線傳輸?shù)牟焕绊懶?永久性風墻對無線傳輸?shù)牟焕绊懘?并且隨著頻率的增高損耗增大；感應線對低頻較為敏感，當頻率低于10MHz時，感應傳輸距離比自由傳播大很多；當頻率大于100MHz時,兩者相差已不顯著。

    從上面的分析可知，在礦井內(nèi)，對無線傳輸有利的條件是高傳輸頻率，對無線傳輸影響較小的是大的巷道截面積、巷道內(nèi)的縱向?qū)w，對無線傳輸不利的條件是巷道的拐彎、分支、金屬或混凝土制的風門、風墻、通過的電機車等。通過對礦井無線傳輸特點的分析可以看出，特低頻段、甚低頻段、甚高頻段、特高頻段衰減較小。如果選擇特低頻段和甚低頻段，則要求發(fā)射機功率大，天線長度長，會給煤礦工人的工作和行走帶來極大的不便，很難滿足煤礦的實際需要。在甚高頻段和特高頻段，頻率越高，衰減越小。應盡量選擇甚高頻和特高頻頻段。從前人對井下工作環(huán)境影響電磁波傳輸?shù)难芯砍晒锌梢钥闯觯?000MHz為礦井無線傳輸?shù)妮^佳頻段。但考慮到元器件的來源難易程度和器件的價格，選ISM頻段(868～915 MHz)較合理,這樣也利于與地面移動通信系統(tǒng)兼容和利用現(xiàn)有的技術(shù)成果。另一個使用ISM頻段的原因是考慮到移動設(shè)備的體積,使用該頻段天線尺寸和設(shè)備體積遠小于用高、中、低頻的天線尺寸和設(shè)備體積。

    3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    本設(shè)計采用廣播發(fā)射式射頻識別系統(tǒng)，井下所有監(jiān)控點使用的RFID均采用有源工作方式。井下監(jiān)控點分為兩種形式：固定監(jiān)控點和移動監(jiān)控點。根據(jù)RFID的工作原理，固定監(jiān)控點上的RFID相當于只收不發(fā)的讀寫器，移動監(jiān)控點的RFID相當于電子標簽。整個監(jiān)控系統(tǒng)由井上部分和井下部分兩個部分組成，如圖3所示。

圖 3 井下監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    3.2.1 井下部分

    井下部分是整個系統(tǒng)的核心，分為移動監(jiān)控點和固定監(jiān)控點兩個部分。移動監(jiān)控點包括工作人員和重要設(shè)備的RFID，可以進行實時定位。固定監(jiān)控點包括傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微監(jiān)控器和RFID模塊，完成對有害氣體的實時檢測和采集信息的傳輸，并對人員和設(shè)備提供實時位置檢測。井下部分的固定檢測點采用有線通信方式，利用串行USART接口進行連接，采用RS-232串行數(shù)據(jù)接口標準。

圖 4 井下固定監(jiān)控點總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    井下固定監(jiān)控點之間采用總線型網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)連接如圖4所示。這種拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單，成本也較低，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點連接用USART接口。整個井下部分與井上部分采用RS－485串行數(shù)據(jù)接口總線標準進行通信。 

    固定監(jiān)控點的結(jié)構(gòu)如圖5所示，傳感器所采集的各類氣體（主要為有害氣體，也可以包括空氣濕度，根據(jù)不同的煤礦選擇不同的氣體傳感器）的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后進入MCU，RFID模塊與MCU同時進行通信，MCU保存這兩部分的數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)通信接口不斷發(fā)送輸送請求。得到允許后通過USART接口將數(shù)據(jù)送入傳送網(wǎng)絡(luò)中。MCU的數(shù)據(jù)存儲區(qū)定時自動刷新。當有害氣體濃度超過安全閥值時，井上工作平臺及井下固定監(jiān)控點同時報警。

圖 5 井下固定監(jiān)控點結(jié)構(gòu)圖

    井下移動監(jiān)控點與固定監(jiān)控點之間是無線傳輸。無論是移動還是固定，每個射頻模塊都有自己特殊的編號，與其它模塊均不同。在與固定監(jiān)控點上的射頻模塊進行通信時，實際上傳輸?shù)木褪沁@個特殊的編號，監(jiān)控中心的軟件平臺已經(jīng)將固定監(jiān)控點位置信息進行了登記和存儲。當上傳的信息有與它們進行無線通信的移動監(jiān)控點編號信息時，就表示佩戴和安裝該移動監(jiān)控點的人員及設(shè)備很接近該固定監(jiān)控點，從而判斷出RFID模塊的位置，這些位置信息均由系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)庫。

    移動監(jiān)控點的結(jié)構(gòu)如圖6所示，射頻識別模塊的特殊編號預存儲于微控制器中，通過MCU傳輸至RFID中，并不斷向外發(fā)送這個特殊的編號。采用預留串行接口主要是為了以后擴充系統(tǒng)功能。LED可以顯示工作地點的射頻信號的強度。另外，移動監(jiān)控點還可以配有電源控制開關(guān)，下井打開開關(guān)，上井給電池供電，便于使用。

圖 6 井下移動監(jiān)控點結(jié)構(gòu)圖

    3.2.2 井上部分

    井上部分主要是軟件操作平臺，按照功能劃分為實時監(jiān)控子系統(tǒng)和信息管理子系統(tǒng)。實時監(jiān)控子系統(tǒng)是整個智能化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，監(jiān)管小區(qū)的PC通過RS-485接口標準與數(shù)據(jù)通信接口進行數(shù)據(jù)傳輸。其功能是完成監(jiān)控點的信息采集、實時處理和存儲。從井下上傳的信息不但包括各類有害氣體的濃度數(shù)據(jù)，還包括井下工作人員和設(shè)備的位置信息，這些龐大的數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后都保存在數(shù)據(jù)庫中作為信息聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。信息管理子系統(tǒng)的主要功能是對移動監(jiān)控點的信息進行錄入、修改、查詢和統(tǒng)計。

    3.3 門禁系統(tǒng)設(shè)計

    圖7為門禁系統(tǒng)功能模塊示意圖。由圖可見，礦道入口和每個開采面的入口都放有讀卡器，這是為了確定井下礦工總?cè)藬?shù)和每個開采面的礦工人數(shù)，同時可以了解一些基本資料，例如，每個礦工的名字，年齡，每天的工作時間，考勤等等。

    從門禁系統(tǒng)的功能來講，只需要了解每個開采面的礦工人數(shù)及一些基本資料即可，無需很大的閱讀范圍，理論上講，只用低頻無源標簽即可。為了與定位系統(tǒng)采用同一電子標簽，這里門禁系統(tǒng)采用的也是高頻標簽。

圖 7 門禁系統(tǒng)設(shè)計

    3.4 定位模塊

    圖8為基于RFID的井下定位模塊圖。此模塊的功能為定位井下重要儀器設(shè)備位置，運行路線，井下人員位置及井下人員在任一時間的活動軌跡。

圖 8 定位系統(tǒng)設(shè)計

    此模塊中感應器采用高頻有源的工作方式，工作頻率定為915MHz。有源標簽可以分別被帶在施工人員身上和重要的儀器設(shè)備上，便于總體調(diào)度管理和定位。標簽分別記錄施工人員及儀器設(shè)備的重要信息。在該頻率的感應器不再需要線圈進行繞制。感應器一般通過負載調(diào)制的方式進行工作。也就是通過感應器上的負載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā)生變化，實現(xiàn)用遠距離感應器對天線電壓進行振幅調(diào)制。如果人們通過數(shù)據(jù)控制負載電壓的接通和斷開，那么這些數(shù)據(jù)就能夠從感應器傳輸?shù)阶x寫器。

    在開采面及巷道上，需要詳細的儀器設(shè)備位置，運行路線，礦工位置定位及任一時刻井下人員的活動軌跡，所以選擇高頻有源標簽。而且井下環(huán)境復雜，經(jīng)常會出現(xiàn)坍塌，水淹等狀況，高頻可以有效的穿透石頭，水，灰塵，懸浮顆粒等物體，所以可以適應各種環(huán)境。而且高頻有源標簽的作用距離較長，最長可達百米左右，這樣可以在用最少數(shù)量的閱讀器的前提下覆蓋全部井下作業(yè)面，并可以有效的讀出每個礦工的信息，而且可以同時讀取多個標簽，通過讀取的位置信息進行定位。

    3.5 系統(tǒng)特點

    這種智能化煤礦監(jiān)控系統(tǒng)以煤礦安全為基礎(chǔ)，射頻識別模塊（RFID）為主要設(shè)備，有線通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，功能齊全，穩(wěn)定性好，減少了管理人員的工作量。該系統(tǒng)具有以下特點：

    1、使用總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：煤礦開采是不斷進行的，如果采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能合理的增加節(jié)點數(shù)目，會給系統(tǒng)的使用造成不便。本設(shè)計中，總線型網(wǎng)絡(luò)只需要增加一段電纜和固定監(jiān)控點就可增加一個節(jié)點，可以使得智能化監(jiān)控系統(tǒng)可以隨著煤礦的開采而不斷地擴充。
    2、系統(tǒng)具有較高的識別率和可靠性：射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關(guān)鍵的參數(shù)，目前長距離射頻識別系統(tǒng)的價格還很貴。所以為避免過長距離導致的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、不完整，設(shè)計時在有線傳輸?shù)那疤嵯拢潭ūO(jiān)控點的分布使用了總線型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可靠性高。移動監(jiān)控點參照越區(qū)切換的概念在固定監(jiān)控點之間數(shù)傳輸據(jù)，可以達到高的識別率。

    4．小結(jié)

    將射頻識別技術(shù)應用于礦井井下人員儀器設(shè)備定位管理系統(tǒng)，是通過建立一個完整、靈活和實時的井下人員及儀器定位管理系統(tǒng)，包括井下作業(yè)工人的計劃安排、工人進出巷道的權(quán)限管理、巷道人員分布及定位、作業(yè)工人資料，儀器運行軌跡，設(shè)備調(diào)度等進行管理，來實現(xiàn)井下管理信息化，同時提高礦井開采生產(chǎn)管理和作業(yè)安全的水平。整個系統(tǒng)采用總線型網(wǎng)絡(luò)連接，這種拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)成簡單而且成本較低。這種智能化監(jiān)控系統(tǒng)是以礦井安全生產(chǎn)為基礎(chǔ)，射頻識別模塊（RFID）為主要設(shè)備，有線通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，監(jiān)管中心的PC 為中樞的新型智能化計算機管理系統(tǒng)，綜合運用了多種通信技術(shù)，突破了傳統(tǒng)礦井安全管理模式，是礦井安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的新趨勢。 

    作者簡介：
    牛超超，男，1986 年生，山東新泰人，碩士研究生，研究方向：機械電子；
    朱微維，女，1985 年生，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；
    李彥瑋，女，1985 年生，河北衡水人，碩士研究生，研究方向：電路與系統(tǒng)。