井下人员定位系统毕业设计

中 国 矿 业 大 学

本科生毕业设计

姓 名： 学 号：

学 院： 应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 设计题目： 煤矿井下人员定位系统设计 指导教师： 职 称： 讲 师

2009年6月 江苏徐州

中国矿业大学毕业设计任务书

学院 应用技术学院 专业年级 学生姓名

任务下达日期： 2009年3月8日

毕业设计日期： 2009年3月8日 至 2009年6月10日

毕业设计题目：煤矿井下人员定位系统设计

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

1、熟悉射频识别技术；

2、熟悉井下人员定位系统的组成及工作原理； 3、井下人员定位系统的整体规划设计 4、井下人员定位系统的界面设计

5、翻译专业外文文献资料3000字以上；

院长签字： 指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；

③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩：

指导教师签字：

年 月 日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所

学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：

年 月 日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所

学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：

年 月 日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

答 辩 情 况 提 出 问 题 回 答 问 题 一有原没有 正 基本 有般性则性确 正确 错误 错误 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日

学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日

摘 要

随着无线射频识别技术的日益成熟和广泛应用，针对我国目前煤炭行业生产安全现状，将无线射频识别技术应用到井下进行人员跟踪定位，是解决煤矿安全问题的方法之一，也是矿山实现全面提升安全生产信息化管理水平，加强以灾害预防、搜救为主要目标的安全生产长效机制，是我国煤炭行业安全生产工作的必由之路。

本文首先介绍了射频识别的概念，简述了射频识别的发展历程和工作原理。结合我国井下人员工作现状阐述了井下人员定位系统对于现实煤矿生产的重要意义及开发井下人员定位系统的紧迫性。其次介绍人员定位系统的组成及各部分的功能，系统的工作原理。说明了本人的工作：井下人员定位系统硬件电路设计(包括井下人员射频卡、井下射频识别阅读器、井下基站及其时间、存储模块等）。此外，对硬件电路使用的模块都做了介绍。然后简述了读写器和电子标签的安装位置。最后介绍了基于组态软件InTouch的系统界面的简单设计。

关键词：射频识别技术(RFID)；煤矿安全；读写器；电子标签

ABSTRACT

With the mature more and using widely of the RFID technology，and according to the safety situation that exits in the coalfield，it will be one valid way to solve the colliery safety Problem with applying RFID technology to the mine for people’s tracking and orientation，it is also the way to improve the supervisory level of safe production entirely，enhance the long system aiming at preventing disaster and searching and saving，it is the only way for producing safely.

This text first introduces a radio frequency identification of concept，briefly

says a radio frequency identification of the development process and the work principle.Then combining the condition of our country mine work presently，we expatiate the important meaning of mine personnel radio frequency identification orientation system and the urgency to design it .secondly,we introduce the structure of the mine personnel orientation system and function of every section，We introduce the main work of myself: mine personnel data to exchange the system hardware electric circuit system design (include radio frequency card，radio frequency to identify reader reading base and its time module、save module),work principle of system. In addition, introduce chip of hardware circuit. Thirdly, we introduce installation location of reader and electric tag. At last,we mainly introduce interface of system based on configure software of InTouch.

Keywords： RFID; coalfield safe; reader electric tag

目 录

1 绪论 ...............................................................................................................................11

1.1课题的提出及背景 .............................................................................................11 1.2国内外井下定位技术发展概述 ...........................................................................2 1.3本课题主要内容 ...................................................................................................2 1.4本章小结 ...............................................................................................................3 2 射频识别技术 .................................................................................................................3

2.1井下无线通信的现状 ...........................................................................................3 2.2 射频识别技术概述 ..............................................................................................4 2.3射频识别系统的构成 ...........................................................................................5 2.4 射频识别卡分类 ..................................................................................................7 2.5 射频技术发展与标准 ..........................................................................................8 2.6 本章小结 ..............................................................................................................9 3 井下人员定位系统整体框架.........................................................................................9

3.1系统设计原则及要求 .........................................................................................10 3.2系统功能与特点 .................................................................................................11 3.3定位系统组成 ....................................................................................................12

3.3.1井上监控中心 ..........................................................................................13 3.3.2通信网络 ..................................................................................................14 3.3.3检测基站 ..................................................................................................16 3.3.4读写器 ......................................................................................................16 3.3.5电子标签 ..................................................................................................18 3.3.6射频天线 ..................................................................................................18 3.3.7传输介质 ..................................................................................................19 3.4系统的工作原理 ................................................................................................19

3.5本章小结 .............................................................................................................20 4 系统的硬件设计...........................................................................................................21

4.1 读写器收发模块的设计 ....................................................................................21

4.1.1读写器的功能介绍 ..................................................................................23 4.1.2读写器安装位置 ......................................................................................25 4.2电子标签的设计与安装 .....................................................................................26

4.2.1电子标签的选型与设计 ..........................................................................26 4.2.2 XRAOO的天线 ........................................................................................29 4.2.3 基于XRA00的电子标签安装 ..............................................................29 4.3基站介绍 .............................................................................................................29

4.3.1时间模块设计 ........................................................................................30 4.3.2PCF8563功能描述...................................................................................31 4.3.3存储模块的设计 ......................................................................................32 4.3.4存储器扩展电路设计 ..............................................................................34 4.4本章小结 .............................................................................................................34 5 基于InTouch的界面设计 ..........................................................................................34

5.1 InTouch组态软件的特点 ..................................................................................35 5.2InTouch组态软件的基础知识 ...........................................................................35

5.2.1 InTouch软件安装步骤简介 ...................................................................35 5.2.2 InTouch软件的组成 ...............................................................................36 5.3 人员定位系统的主界面设计 ............................................................................36 5.4系统的分界面设计 .............................................................................................39

5.4.1人员分布界面 ..........................................................................................39 5.4.2人员跟踪界面设计 ..................................................................................40 5.4.3实时监控的界面设计 ..............................................................................42 5.4.4实时查询界面 ..........................................................................................43 5.5系统安全性的设计 .............................................................................................43 5.6本章小结 .............................................................................................................45 总结 ...................................................................................................................................45 参考文献 ...........................................................................................................................46 翻译部分 ...........................................................................................................................47

英文原文 ...................................................................................................................47 中文译文 ...................................................................................................................58 致谢 ...................................................................................................................................68

1 绪论

1.1课题的提出及背景

中国是煤炭生产大国，煤炭年产量已连续多年居世界第一位。按我国现有储量和现在的开采速度，仍然可以开采一百年以上。煤炭一直以来在我国的经济建设中占有重要的地位，约占我国能源消费的2/3。但我国的煤炭生产安全形势不容乐观，百万吨死亡率居高不下，给社会造成不安定因素，给国家造成巨大损失。究其原因一方面是生产管理不善，另一方面是不可预知的自然灾害。随着科技的进步，对自然灾害有了一定的预测，从近期的事故来看，主要问题是在管理上，煤矿生产管理急需规范化、现代化。井下人员定位系统在一定程度上可以满足这方面的需要，在平时该系统用于优化管理，当井下发生事故时，通过该系统能及时了解井下人员的分布情况，对实施救援起指导作用，以做出正确的救援决策。

随着国家对煤矿安全生产工作的重视程度日益提高，现有煤矿安全生产监控、监测设备技术上的不足和缺陷也逐渐显现出来，已经影响到煤矿安全工作的正常开展。针对这些情况，陆续推出了针对不同用户和安全监管部门的煤矿安全解决方案，同时跟相关设备生产厂家开展深层次的合作，共同开发与之配套的监控软件平台，为煤矿以及其他行业的安全生产保驾护航。煤矿井下人员定位管理系统就是其中之一。

所以建立一个井下人员定位系统，不仅可以提高煤矿的生产效率，更是关乎国本，尊重生命的明智之举。不仅能在事故发生后，提供及时的人员位置情况，

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更能快速有效的展开营救，在安全生产中也能明确的掌握井下人员分布情况，即能合理安排和调度工作，提高煤炭生产管理水平。

1.2国内外井下定位技术发展概述

国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，，我国起步较晚，约始于20世纪80年代后期。随着各项技术的进步，以及产品的性能/价格比进一步提高，使得监控系统在我国的应用逐步得到推广。

为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从美国、英国、德国、法国、加拿大引进了数十套监控系统，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF200系统、法国的CTT63/40/M系统、加拿大森透里昂系统。这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。随着技术的发展，这些系统已不能很好的满足需求，另外它们的价格昂贵，上位软件维护极不方便。而且上述系统均是综合型监测系统，侧重于安全参数的检测和控制。同时，这些系统还存在如下的问题:

(l)性能/价格比过低，系统价格过高，一般矿井难以承受:

(2)监控主机的系统软件在文档处理上有些不符合中国国情； (3)由于使用的是国外技术，技术服务支持有时很会存在困难； (4)近年来技术进步较快，部分技术已经不具备先进性。

这就迫切需要我国建立一套适合国情的人员定位系统。自从我国引入上述系统后，相继出现了仿制国外的系统如KJ4系统等，以及我国自研的系统，如KJZ、KJ22。焦作工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等。这些系统主要也是侧重于安全参数的检测。井下人员定位系统是对整个监控系统的进一步完善。目前国外己有类似产品。像国外的英国雪普(SPR刃阿T)工业电气集团，美国安菲斯科技发展有限公司与澳大利亚矿山技术公司的MS系统。但是这些系统功能都还不尽完善，造价太高，性能还不够可靠。近期国内有煤矿迫于煤矿安全生产的需要，准备斥巨资引进国外的的系统。国内的系统也只是处于研发阶段，未见有应用的纪录。国内如北京京天威.交大威克科技发展公司，煤炭科学研究总院常州自动化研究所的KJ69型。我们在广泛调研的基础上，提出了该系统的设计方案，其功能满足现代化矿井的安全监控要求，对煤炭的安全生产必将起到重大的推动作用。

1.3本课题主要内容

本课题主要研究井下人员定位系统在矿井中的应用与原理。在系统中，确定了本系统采用射频识别技术。每个井下人员携带一个标示卡即标签，每一标签有唯一的ID与相关人员对应，读写器安装在不同的地方有不同的地址。当井下人员经过读写器时的读写区域时，他们随身携带的标签将向读写器发送ID信息，读写器收到地址信息后，向上位计算机传输收到的人员ID，上位机通过处理来判断井

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下人员的位置情况。井下人员标签和读写器构成了井下硬件网络，上位机的软件则由操作界面和数据库系统构成。

本设计的内容主要是； 1.射频识别技术概要

2.射频设别系统的结构及原理

3.井下人员定位系统的组成及原理 4.井下人员定位系统硬件的设计、安装 5. 基于组态软件InTouch的系统界面设计

1.4本章小结

本章主要讲述了当前中国煤炭生产面临的问题，尤其是井下生产的安全对整个煤炭系统有着重要的意义，建立一套有效地井下人员定位系统是非常迫切的。对国内外井下人员定位的发展现状进行了简单介绍，以及本文所要完成的内容。

2 射频识别技术

2.1井下无线通信的现状

井下无线通信是一个世界性的难题，尽管多年来世界许多国家也研究了一些许多井下通讯设备，但是效果并不太理想。因为井下的无线通信相对地面的无线通信环境要复杂得多。

90年代中期，随着科学技术的高速发展，尤其是通信技术的发展，井下无线通信进入了实用阶段。但是地下的通信很复杂，着实难以进行理论研究，故大多是以实验为主进行研究。实验表明，在中短波频段，井下隧道对信号的衰减最大，传输距离最近。在超短波频段，通信的距离随着频率的升高而增大。这种单调的反比是由于隧道对超高频的电波呈导波作用引起因而传输距离改善，传输距离增大。在微波段，随着频率的升高衰减很小。上述实验表明，隧道可以认为是微波的波导型通道，所以要实现井下通信必须采用较高的频率。

目前井下的通信方式有以下几种：

（1） 低频引导通信

低频引导通信是工作在几百kb的低频段，利用同轴电缆引导传输。在每几百米的电缆上安装一个辐射器，使信号向巷道内辐射，进而实现井下的无线通信，

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电缆传输信号损耗小，传输距离大，系统简单，造价简单。但是井下环境恶劣存在各种干扰信号，使低频信号不稳定，数据误码率高，数据可信度低。

（2） 短波泄露通信

短波泄露通信是使用泄露同轴电缆引导信号传输，同轴泄露电缆比普通同轴电缆损耗大得多，为了实现远距离传输，频率通常选在20-150MHz之间。未来弥补能量的损耗，通常在每隔几百米的地方安装双向中继器。由于短波在井下的传输条件最差，损耗最大，因此受到的干扰也最小，通信的可靠性最高。但是需要中继器，系统造价昂贵。

（3）微波频段通信

微波是一种频率极高，波长极端(通常1mm-1m）电磁波。在微波段，由于频率极高，电波的绕射能力比较弱，所以信号的传输主要是电波在视线距内的传播，也称视距传播。这种传播具有传输稳定，受外界干扰小的特点。但是在传播过程中也难免会受到环境与地形的影响，被反射折射散射和吸收的影响，故会产生传输衰落与失真。

考虑到井下复杂的地理环境，所以方案采用射频识别技术，下面将介绍此技术在井下的原理与应用。

2.2 射频识别技术概述

射频识别技术简称RFID，是英文“Radio Frequency Identification”的缩写，中文称为无线射频身份识别技术，是一种无接触自动识别技术，它的基本原理是利用射频信号及其空间藕合、传输特性，实现对静止或移动的待识别物品的自动机器识别。由于大规模集成电路技术的日益成熟，使得射频识别系统的体积大大减小，从而进入了实用化阶段。与早期或同期的接触式识别技术不同，系统的电子标签与读写器之间无需接触就可完成识别与数据交换，因而它可在更广泛的场合中使用。

它主要的核心部件是电子标签，通过相距几厘米到几米距离内读写器发射的无线电波，可以读取电子标签内储存的信息，识别电子标签代表的人，物体和器具的身份。由于RFID标签的储存容量可以是2的96次方以上，它彻底抛弃了条形码的种种限制，使世界上的每一种商品都可以拥有独一无二的电子标签。况且，贴上这种电子标签的商品，从它在工厂的流水线上开始，到被摆上商场的货架，再到消费者购买结帐，甚至到标签最后被回收的整个过程都能够被追踪管理。

射频识别技术具有很多突出点的优点：RFID技术不需要人工干预，不需要直接接触、不需要光学可视即可完成信息输入和处理，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，实现了无源和免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，机具无直接对最终用户开放的物理接

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口，能更好地保证机具的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理，如DES、RSA、DSA、MD5等，读写器与标签之间也可相互认证，实现安全通讯和存储；总体成本一直处于下降之中，越来越接近接触式IC卡的成本，甚至更低，为其大量应用奠定了基础。如果RFID技术能与电子供应链紧密联系，那么它很有可能在几年之内取代条形码扫描技术。

射频识别技术以其独特的优势，逐渐地被广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断降低，其应用将越来越广泛。

射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部，射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车、火车等交通监控，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，物品管理，流水线生产自动化，安全出入检查，仓存管理，动物管理，车辆防盗等。而在中国由于射频识别技术起步较晚，应用的领域不是很广。目前，射频标签主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面。上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。其中我国射频标签应用最大的项目是第二代公民身份证。

总之，射频识别技术在未来的发展中结合其他高新技术，如GPS、生物识别等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时，将结合现代通讯技术及计算机技术，实现跨地区、跨行业应用。

2.3射频识别系统的构成

射频识别系统通常由电子标签、读写器、计算机通讯网络三部分组成，如图2－1所示。

图2－1 射频识别系统的结构框图

(1)电子标签

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电子标签（又叫射频标签、射频卡）存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品上，它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触的方式读/写获取。标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上表示目标对象，电子标签是射频识别系统真正的数据载体。一般情况下，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。

根据电子标签供电方式不同，电子标签可以分为有源电子标签和无源电子标签。有源电子标签内装有电池，为芯片提供电源。根据电池供电情况的不同又可分为有源和半有源。半有源射频标签内的电池仅对标签内要求供电维护数据的电路或者标签芯片工作所需电压的辅助支持。标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签内部能量损耗很小。因而电池可以维持很长时间，达几年之久。当标签进入阅读器的工作区域时，受到阅读器发出的射频信号的激励，从而进入工作状态。标签和阅读器之间的信息交换的能量支持以阅读器的射频能量为主（发射调制方式），标签内部的电池主要作用是弥补标签所处位置的射频磁场不足，标签内部的能量并不能转换为射频能量。无源的射频标签内有偶和元件，通过耦合外电磁场来产生电流供系统工作。

(2) 读写器

读写器是可以利用射频技术读/写电子标签信息的设备。读写器读出的标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。典型的读写器包含有高频模块（发送器和接收器），控制单元以及阅读器天线。此外许多阅读器还有附加的接口（RS232、RS485、以太网接口等），以便将所获得的数据传向应用系统或从应用系统接收命令。读写器的基本组成如图2－2所示。

图2－2读写器的基本结构

(3)计算机通讯网络

在射频识别系统中，计算机通讯网络通常用于对数据进行管理，完成通讯传输功能。读写器可以通过标准接口与计算机通讯网络连接，以便实现通讯和数据传输功能。

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射频识别系统的基本工作流程如下：

(1) 读写器将无线电载波信号经过发射天线向外发射；

(2) 当电子标签进入发射天线的工作区域时，电子标签被激活，将自身信息的代码经天线发射出去；

(3) 系统的接收天线接收电子标签发出的载波信号，经天线的调节器传输给读写器。读写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的电脑控制器；

(4) 电脑控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定作出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作；

(5) 执行机构按照电脑的指令动作；

(6) 通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，可以根据不同的的软件来完成要实现的功能。

2.4 射频识别卡分类

（1）根据系统的工作频率通常把读写器发送信号时使用的频率称作射频识别系统的工作频率可分为：

? 低频系统一般工作在100～500HZ；

? 中频系统工作在左右10～15MHZ左右；

? 射频系统则工作在850～950MHZ，以及2.4GHZ、5.8GHZ的微波频段。 （2）根据能否给射频卡写入数据

? 可读写卡（RW），如电话卡、信用卡等。

? 一次写入多次读出卡(WORM)，是用户可以一次性写入的卡，写入后数

据不能改变，WORM比RM便宜。 ? 只读卡（RO），存有一个唯一的号码，不能改写，这样提供了安全性，RO卡最便宜。

（3）根据电源供电方式，射频卡也可分为有源与无源射频卡。

? 有源射频卡使用卡内电流的能量、允许卡的操作距离较远，适合动态

的井下工作人员定位，是煤矿井下工作人员定位系统发展的方向，但是它的寿命有限，且价格较高；

? 无源电磁感应式射频卡不含电池，利用读写器辐射的电磁场能量作为

自己的能量，它的重量轻、体积小，寿命可以非常长、很便宜，但由于卡面限制，天线尺寸有限，射频信号不强，因此其工作距离不远一般（10cm），通信速率也低（106），且需要读写器的发射功率大。

（4）根据调制方式的不同还可分为主动式和被动式

? 主动式是指其上行信号的载波来自于射频卡本身的微波本振源。主动

式射频卡中一定有电池提供能量，主动式的射频卡用自身的射频能量

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主动地发送数据给读写器，主要用于有障碍物的应用中，距离较远（可达30米）；

? 被动式是指其上行信号的载波来自于读写器。被动式射频卡使用调制

散射方式发射数据，它必须利用阅读器读写器的载波调制自己的信号，适宜在人员定位、门禁或交通的应用中使用。被动式射频卡根据工作需求可带电池也可不带电池，由于被动式省去了昂贵的微波本振源，因而降低了射频卡的成本，有利于煤矿井下人员定位系统的推广

应用，而得到越来越多的重视。

（5）根据射频识别系统的基本工作方式，可分为双工系统和时序系统。

? 在双工系统中，电子标签的应答响应信号与读写器的发射信号同时存在；

? 在时序系统中读写器的电磁场周期性地接通，在这些间隔中电子标签

向读写器发送信号并被识别出来。

2.5 射频技术发展与标准

FRID技术是一种直接继承了雷达的概念并 由此发展起来的具有革命性的自动识别技术。最初的射频识别技术被应用于军事领域，主要用于敌我双方的飞机识别。到了70年代美国通过LosAlmos科学实验室将FRID技术转移到民间用于畜牧业。到了80 年代美国与欧洲的几家公司开始着手生产FRID卷标。如今，他在工业、商业、农业、军事、日常生活领域显示着巨大的潜力和应用空间。

随着全球FRID产品的大规模生产，制定一套FRID的统一标准得到了广泛认同。目前常用的国际标准主要有用于对动物识别的ISO11784和ISO11785，用于非接触智能卡的ISO10536(Close coupled cards)、ISO15693(Vicinity cards)、ISO1443(Proximity cards)，用于集装箱识别的等。目前国际上制定标准的组织比较著名的有三个：ISO，以美国为首的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center，而这三个组织对RFID的技术应用规范都有各自的目标和发展规划。下面对常见的几个标准加以简介。

(1) ISO11784和ISO11785技术标准

ISO11784和ISO11785分别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标准中没有对电子标签样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种形式，如玻璃管状、卫标或项圈等。代码结构为64位，其中的27至64位可由各个国家自行定义。技术准则规定了电子标签的数据传输方法和读写器规范。工作频率为134.2KHZ，数据传输方式有全双工和半双工两种，读写器数据以差分双相代码表示，电子标签件采用FSK调制，NRZ编码。由于存在较长的电子标签充电时间和工作频率的限制，通信速率较低。

(2)ISO10536、ISO15693和ISO1443技术标准：

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ISO10536标准发展于1992年1995年间，由于这种卡的成本高，与接触式IC卡相比有点很少，应此这种卡未在市场上销售。ISO15693和ISO1443标准在1995年开始操作，其完成则在2000年之后，二者皆以13.56MHZ交变信号为载波频率。ISO15693读写距离较远，而ISO1443读写距离稍近，但应用较广泛。目前的第二代电子身份证采用的标准是ISO1443 TYPE B协议。ISO1443定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议，通讯速率为106kbit/s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。TYPE A采用开关键控（On-Off keying）的Manchester编码，TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码。TYPE A与TYPE B相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力列强的优点。RFID的核心是防冲撞技术，这也是和接触式IC卡的主要区别。ISO14443-3规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同，前者是基于位冲撞检测协议，而TYPE B通信系列命令序列完成防冲撞。ISO15693采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制。防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。

(3)ISO18000技术标准

ISO18000是一系列标准，此标准是目前较新的标准，原因是它可用于商品的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。ISO1800-6基本上是整合了一些现有RFID厂商的减速器规格和EAN-UCC所提出的标签架构要求而订出的规范。ISO18000只规定了空气接口协议，对数据内容和数据结构无限制，因此可用于EPC。

2.6 本章小结

本章主要讲述了射频技术，和射频识别系统的应用及其原理，以及射频技术的发展、国际标准。可知此技术是二十一世纪最有前途的技术之一。其可自动识别目标象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。目前煤矿的许多井下人员是基于射频识别技术，它可对井下人员、设备进行跟踪定位，在一程度上能够保障人员生命安全、减少国家财产的损失。

3 井下人员定位系统整体框架

长期以来，煤炭行业的安全设备严重缺乏，安全管理手段极其落后。建立煤矿安全生产的长效机制，是我围煤矿安全生产工作的必由之路。因此，采用先进的煤矿安全设备与手段己成为煤炭行业迫在眉睫的任务。目前以射频识别技术为基础的矿用人员定定位管理系统为保障矿山安全生产、提高管理效率提供了有效的手段。下面是本系统的设计思路本系统的射频标签的选择是这样考虑的：由于无源标签的读写距离短，并且在系统中要保持较高的读写效率，因此选取有源射

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频标签较为合适。在系统读写器频率选择上，考虑到频率越高，信号的衰减性越小，读写距离越大，但是信号的绕射能力就越弱，考虑到系统自身的特点，我们只需少量的数据通信，以及矿井隧道的宽度后，我们采用915MHz的通信频率。

在系统中每个标签中唯一的身份码来确认人员的身份。读写器则安装在不同的地点，每个读写器也只有唯一的地址，当携带标签的井下人员经过读写器时，读写器将对人员身份的号码进行读取，然后读写器将自己的地址数据和人员身份的地址信息进行封装，痛过有线网络传输给 井上监控中心的上位机。读写器与标签的共同使用便可以确定井下人员的位置。上位机将数据写入数据库，可以方便的对数据进行管理，系统界面可以实时的显示每个人的位置情况，也可以查询某个人，或某个巷道的人员情况，并可以录入人员的详细情况。系统具有矿上的人员管理功能。

3.1系统设计原则及要求

原则：

1.实现下井作业人员进出的有效识别，实现井下人员分布的可视化，并且使系统管理充分人性化、信息化和高度自动化。

2.为高级管理人员提供考勤作业、人员进出限制等多方面的信息查询。

3.一旦发生安全事故，通过该系统立刻可以知道坑道作业面工作人员的数量，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。

4.系统设计的安全性、可扩容性、易维护性和易操作性。

要求 ：

RFID技术在国内外发展很快，各种RFID产品也趋于成熟，己被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。然而该技术在煤炭行业中的应用还很少，利用射频识别技术的无线方式通信，非接触同时识别多个移动目标，无需外露电触点，电子标签的芯片按不同的应用要求封装的特点，以及计算机网络在数据存储、传递、计算、统计等方面的优势，开发新型煤矿安全管理系统，可对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位。

如果发生灾变，还可立即从监控计算机上查询事故现场人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息，可快速指导矿井突发性事故的救护工作。也可利用系统的日常考勤管理功能，对矿井人员进行考勤管理。本文设计的煤矿井下人员定位系统采用广播发射式射频识别系统，系统中监控节点采用有源工作方式。根据RFID的工作原理，监控节点上的RF功相当于读写器，移动目标上的RF功相当于电子标签。

完善的煤矿安全管理系统应综合考虑到员工安全、生产、通风、机电等各系统的需求，涵盖矿井安全生产的各个方面，在各个系统之间实现信息的资源共享，使得不同系统、不同部门及各级领导都可以在系统规定的运行管理机制下，

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对各系统的相关资料进行收集、分析和处理，同时根据历史的和现有的资料，对矿井的整体安全性进行预测，实现煤矿安全管理由事后管理到事前管理的跨越。

3.2系统功能与特点

将读写器安装在井下一些重要的恫室、危险场合(如盲巷)等需要监控的地方，分布区域的大小可视井下具体环境而定。电子标签内嵌在井下工人的矿灯、安全帽和腰带等任何随身必备物品中，无需附加携带装备。在井下，员工只要穿过感应区域，读写器就将接收到的数据经传输电缆传送到地面中心站，处理后保存到数据库服务器中。可实现的功能包括:

(l)考勤管理功能

通过操作平台专用管理软件对下井人员进行下井次数、井下停留时间等信息分类统计，便于考核，实现工作人员的考勤统计管理功能和有关报表的打印。

(2)安全保障功能

系统根据数据库中储存下来的历史数据信息，可迅速知道井下人员及重要设 备的分布情况，一旦出现矿井灾难，可对现场被困人员进行定位和搜寻，便于有效救护。

(3)生产调度功能

通过调用数据库中的数据，可以查询井下人员分布情况并根据需要迅速进行人员调配，实现井下有限资源的优化配置，达到事半功倍的效果。

(4)信息联网功能

作为整个煤矿的信息网的一部分，可以提供功能完善的数据库，随时调用该煤矿在一段时间内相关人员以及设备的统计数据，以利于科学研究和对人员设备等进行管理。

（5）禁区报警功能:对于指定的禁区，如果有人员进入，实时声音报警，显示进入禁区的人员人员轨迹查询。 系统具有以下特点:

(1)信号的穿透能力强，数据传输量小，抗干扰能力强，感应灵敏，易于维护和操作。

（2）使用CAN总线型网络拓扑结构

煤矿开采是不断进行的，如果采用的网络结构不能合理的增加节点数目，会给系统的使用造成不便。在本设计中，总线型网络只需增加一段电缆和固定监控节点就可增加一个节点，这使得井下人员定位系统可以随着煤矿的开采而不断的扩充。

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(3)系统有较高的可靠性

射频识别系统的读写距离是一个十分关键的参数，目前长距离射频识别系统的价格还很贵，所以为避免过长距离导致的数据传输不稳定、不完整。

(4)系统有较高的识别率

系统采用了先进的防冲突通讯技术，有效地解决了多标签同时识别的问题。当有多个射频标签同时进入读写器检测区域时，读写器可将各标签信息依次读出。

(5)抗干扰能力强：系统工作在860-930MHz开放频段。有多个工作频率可供使用，可以有效避免与其他设备的相互干扰。别处，高频信号在巷道内衰减较小，非常适合井下应用。

(6)无硬件接触，阅读距离远

避免了因机械接触而产生的各种故障，电子标签的芯片按不同的应用要求封装，适合恶劣环境条件(如温、湿变化大，灰尘多，难以保持卡面清洁的井下环境)下工作。并且调频或微波读写器识别距离可达0—10米。

(7)超低功耗

电子标签在不更换电池的情况下可正常工作2年以上。

3.3定位系统组成

定位系统主要由井上网络与井下网络两部分设备组成，如图3—1所示。井上网络设备主要由监控中心(包括服务器)及共享网络终端等组成:井下网络设备井监控基站、通信网络组成。以CAN总线作为主传输途径，开发相应的煤矿井下人员监控基站，配合天线、读写器、电子标签、传输介质等与监控中心挂接，从而实现井下作业人员的定位和安全管理。

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图3-1系统结构组成

3.3.1井上监控中心

井上监控中心的监控主机是整个系统的关键部位，负责对整个系统进行管理。监控主机通过CAN网络适配器与系统监控节点（基站）通信，同时由基站通过RS-485总线与其他远程系统监控节点（读写器）或现有的矿井监控系统进行连接，实现信息共享。具体来说，监控主机具有以下功能:

1)组态功能

监控主机可以设定整个系统的规模，并且对每个系统监控节点的属性进行配置;

2)数据采集

监控主机通过CAN总线与系统各监控节点进行通信，由系统监控节点上传其采集到的实时位置信息以及历史位置信息，以实现对煤矿井生产现场的工作人员定位;

3)运行轨迹显示

监控主机将人员位置在界面上进行显示，同时通过曲线来模拟矿井现场的员工运行轨迹;

4）数据存储

监控主机能够按一定的格式保存有限时间段内的历史数据;

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5)报表打印 6)通信

除了与系统监控节点通信之外，监控主机可以通过局域网与工厂网络系统进行数据交换，实现矿井现场的远程浏览。因此，监控主机的工作稳定与否直接关系到整个系统功能的实现。另外，由于矿井所处的生产环境恶劣，到处充满着，对于监控主机的抗干扰能力要求较高，所以，本系统选用稳定性能好、工作可靠、配置高的工业控制计算机(工控机)作为监控主机，这是因为:

首先，工控机比较适用于工业生产现场，操作系统与PC机相同，容易操作，方便工作人员尽快上手。而且，从工业控制到自动化再到行业的应用，只要客户有需求，厂商就可针对不同的行业进行定制的开发。

其次，由于生产工艺、技术的不断提高，工控机的稳定性能也在不断提高，每个月只会“死”一次机，且价格适中。

第三，工控机具有在粉尘、烟雾、高低温、潮湿、震动、腐蚀的快速诊断和可维护性。

第四，工控机的主板上预留有多条各种类型的扩展槽，为定位系统以后的功能扩展提供了条件，并且可以方便地利用局域网通信，使本监控系统与企业相关的生产管理部门联网，以便于统一调度和管理。

总之，选用工控机作为系统的监控主机，既具有良好的抗干扰能力，又具有一定的通用性和可扩展性。 3.3.2通信网络

(l)通信网络

在人员定位系统中，选择什么样的通信网络对整个系统起着举足轻重的作用对整个定位系统而言，数据通信的实时性是系统正常工作的前提，系统稳定可是系统工作的基础。所以，必须选择一个合适的通信网络以使整个系统的工作协调起来。

目前现场总线的种类非常多，且各具特色。经过充分的论证，本系统决定选用CAN总线与RS-485总线组成的混合组网作为系统的通信网络。

主要是从以下几个方面来考虑的:

首先，CAN总线具有实时性强和可靠性高的特点。CAN是由ISO定义的一种多主方式的串行通讯总线，它的基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。当

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信号传输距离达到10km时，CAN总线仍可提供高达5kbps的数据传输速率。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。

CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，容易构成冗余结构。并且CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性，提高系统的可靠性和系统的灵活性。

其次，CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANesH和CAN--L与物理总线相连，而Cannes端的状态只能是高电平或悬浮状态，CAN_L端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。

另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。

(2)网络拓扑结构

网络拓扑结构是指网络中各个节点相互连接的方式。数据通信的网络拓扑结构有星型、环型、总线型、树型以及几种类型的混合。每种拓扑结构各有优缺点和适应范围。网络拓扑结构的选择往往和传输介质的选择、介质访问控制方法的确定等紧密相关。下面就选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素进行讨论并给出系统选择的网络拓扑结构:

l)灵活性

在设计网络时，考虑到设备和用户需求的变迁，拓扑结构必须只有一定的灵活性，能轻松地重新配置。此外，还要考虑原有节点的删除，新节点的加入等问题。从系统结构图中，可以知道系统各部分具有在地理分布上扩展的特点，特别是考虑到在矿井下，随着掘进面的推进，网络将随着进行扩展，总线形的网络结构具有良好的扩展性，因此采用总线型的拓扑结构网。

2)可靠性

网络中有两类故障:一类是网中个别节点损坏，这只影响局部;另一类是网络本身无法运行。拓扑结构的选择要使故障的检测和隔离较为方便。在环形网中可靠性就不够高，因为只要其中任何一个节点出现故障，整个网络就无法运行，而

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总线型的拓扑结构，当个别节点出现故障的时候，并不会影响整个网络。同时,我们采用的网络结构是双网冗余结构，因此，可靠性得到了进一步的保证。

3)实时性

在以往的对实时性要求较高的网络中多采用环形令牌网，因为令牌传递时间以及拥有令牌的节点占用网络控制权的时间都是预先规定好的，在网络节点数量一定的情况下，每个网络节点的信息发送的时间是可以预先估计出来的，因此，令牌网又称为“确定性”网络。

CAN优越性虽然很突出，但是一个井下人员定位系统有很多的读写器，如果都直接接到CAN总线网络上，其网络节点容量有限，不能满足要求。

RS-485总线的特点：

RS-485总线利用差分方式来传输数据，有效地抑制了共模干扰，提高了可靠性与通信距离。RS-485的通信速率可达10Mb/s(距离上限为10m)，通信距离可达1.2km（速率上限为l00kb/s)。RS-485的拓扑结构为总线型，但是仅实现了物理层协议，对于链路层没有定义，缺乏总线仲裁、出错校验、可靠性措施等诸多网络功能。采用RS-485连成的设备网络中，只能有一个主节点，其余均为从节点。这种主从结构的网络无法构成多主结构或冗余结构的系统，一旦主节点出现故障，整个系统将处于瘫痪状态，因而对主节点的可靠性要求很高。

另外，网络中数据通信方式为命令响应型，任何一次数据传输都是主节点首先发出命令，从节点接到命令后，以相应的方式传给主节点。这使得网络上的数据传输速率降低很多，并且使主节点控制器非常繁忙。因此只利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。

为了实现精确地人员定位，就必须设置较多的读写器来划分井下的路径，有上述可知，使用任何一种总线网络都难以满足要求，故本设计才选择使用混合组网的方式。基本方法就是将一定区域内一定数量的读写器通过RS-485总线接到一个基站，再将所有基站通过CAN总线连接到控制中心的主机上。 3.3.3检测基站

基站有读写器和CAN节点组成，是一个信息暂存设备。它的作用就是将读写器送来的人员位置信息，经过CAN总线传输给井上监控主机。 3.3.4读写器

人员定位系统读写器的任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。

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另外，读写器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。通常， RFID系统的读写器可以简化为三大基本功能模块:由发送器和接收器组成的高频接口模块、控制单元以及与外界其它设备通信用的各种标准接口USB接口、RS232接口、RS485接口、与Internet连接的网口等

l.高频接口

读写器的高频接口模块的主要功能为:产生高频发射能量，激活标签并为其提供能量;对发射信号进行调制，用于将数据传物给标签;接收并解调来自标签的射频信号。

在高频接口中有两个分割开来的信号通道，分别用于上下行两个方向的数据流传输。发送给电子标签的数据通过发送分支，而接受到电子标签的数据通过接受分支传过来。

2.控制单元

控制单元主要功能为:与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动作指令;控制与标签的通信过程;信号的编码与解码;执行防碰撞算法;对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密;进行读写器和标签之间的身份验证。

当然，为了完成这些复杂的任务，在绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作为核心部件。而且如加密过程及信号编码常常由附加的ASIC专用集成电路)组件来完成，以减轻微处理器计算密集型过程的负担。出于性能上的考虑，对ASIC的访问是通过处理器总线实现的。

3.标准接口

应用系统与读出器之间的数据交换通常是通过RS232或RS485串口进行的，其通信协议一般是在标准协议的基础上进行自定义的协议。 读写器的性能指标： (1)基站电源:AC127V

(2)功耗:<5W

(3)系统容量:完全满足矿用要求，基本不用考虑(<1000个) (4)通讯方式:CAN总线为主，兼容RS485，Ethernet等 (5)传输波特率:1200bps—19200bps，推荐4500bps (6)阅读器间最大距离:<=10Km(理论值) (7)系统覆盖范围:无限制(<10000km)

(8)扫描方式:阅读器被动接收，升级后能主动发送查询 (9)行人最大速度:(推荐)<6米/秒 最大可达733米/秒 (10)车辆最快速度:(推荐)<21.6km/h最大可到264km/h (11)工作温度:-10C0—+60C0 (12)操作系统:WIN98/2000/XP

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(13)数据库:Microsoft Access 3.3.5电子标签

射频电子标签就是含有唯一标识体系编码的标签。标签中储存的数据是由系统的应用和相应的标准决定的。例如，标签能够提供产品生产、运输、存储情况，也可以辨别机器、动物和个体的身份。这些类似于条形码中存储的信息。标签还可以连接到数据库，存储员工ID编号、姓名、所在部门、上下井时间以及工作地点等信息。

电子标签的性能指标： (1)电源:DC3.0-7.0VDC

(2)功率:<0.5W

(3)发送距离:<20(lm-20m可调)，与工作电压有关，推荐10米左右 (4)使用寿命:取决于矿灯的使用寿命，内置电池的射频卡一般只有3-5年 (5)收发特性:可收可发，应用时只用了发射特性，接收特性留扩充升级 (6)最大使用量:65535个(oxO000码做结束标志) (7)码元频率:4.8Kbps-19.2Kbps，推荐9.6Kbps

(8)通信频率:915MHz。 (10)通信方式:防冲突FSK调制 (11)使用对象:人员、车辆 (12)工作温度:-100C—+600C。 3.3.6射频天线

1.天线的作用与地位

无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，有天线接收下来（仅仅接收很小的一部分），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线好似发射和接收电磁波的一个重要的无线设备，没有天线也就没有无线电通信。

电磁波的辐射：导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两道导线的距离太近，电场被束缚在两导线之间，因而，辐射很微弱；将两导线张开，电场就能散播在空间周围，因而辐射强。另外，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。

2.对称振子

对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子独立使用，或作为抛物面天线的馈源，也可以采用多个斑驳对称振子组成天线阵，两臂长度相等的振子叫做对称振子。每个臂长为四分之一波长，全长为二分之一

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波长的振子，称半波对称振子。还有一种异型半波对称振子，可以看成是将全波对称振子折合成一个狭窄矩形框，不那个吧全波对称振子的两个端点相叠，此窄长的矩形框成为折合振子。注意：折合振子的长度也是波长的二分之一。

3.天线的方向性

发射天线的基本功能是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量超所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难。

4.增益

增益是指输入功率相等的条件下实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比，它是定量的描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义---为在一定距离上的某点出产生一定大小的信号，如果用力想的无方向性电源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100/20=5W。 在设计标签天线时需要考虑到标签的体积因素。为了有效的标签体积，该系统标签PCB板式天线。为了增大阅读器的有效读取范围，就必须增大阅读器的无线信号的发射功率，为此我们选取方向性强，增益大的柱状天线。射频天线类型的选择还必须使它的阻抗与自由空间和ASIC匹配。方向性天线具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。 3.3.7传输介质

监控系统的传输介质选用双绞线来承担，这主要是因为双绞线的价格便宜，虽然双绞线不适合传输频率太高的信号，它的最大可用频率约为1MHz，用双绞线传输信号时，双绞线上信号的衰减值会随着传输信号频率的增加而迅速上升，使信号严重失真与此同时，导线间的串扰也会相应增多。但是，本系统的CAN总线数据通信采用500kbps以下的传输速率，属于较低频率，这种情况下利用双绞线进行数据传输根本不受影响。所以，系统选用双绞线作为传输介质具有良好的性能价格比。

3.4系统的工作原理

定位系统主要实现井下人员及设备安全监测工作。在坑道、作业面的交叉道口安装监控节点和读写器，具体数量和位置根据现场实际工况和要实现的功能要求而定，并且将它们通过网络布线和地面的监控计算机联网。入井工作人员按照要求佩戴安装电子标签的腰带，或佩戴装有电子标签的安全帽。RFID读写器通过固定频率的射频载波向电子标签传送信号，电子标签(工作人员随身佩戴)进入读写器的天线工作区域后被激活，并将载有个人信息的射频信号经卡内收发模块发射

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出去；读写器天线接收到电子标签发来的射频信号，经过处理后，提取出个人信息，通过现场总线送至井上监控中心，记录井下工作人员经过地点、时间、活动轨迹等实时信息，还可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表资料，。同时把它显示在显示屏上，管理人员也可以根据显示屏上的分布示意图点击井下某一位置，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。另外，一旦井下发生事故，可根据计算机中的人员分布信息马上查出事故地点的人员情况，然后再用特殊的探测器在事故处进一步确定人员位置，以便帮助营救人员准确快速的营救被困人员。其原理流程如图3-2所示：

开始按键按下系统初始化Y按键处理装载密码N上位机命令N有卡进入YN卡合法驱动显示Y读写器操作时基生成数据存储Y数据包发送N

图3-2系统工作的流程图

3.5本章小结

本章重点对井下人员定位系统的性能特点、结构组成进行了阐述，对其各部分功能也做了详细介绍，井下人员的定位原理是整个系统的核心所在，读写器和电子标签是系统的重要组成，读写器通过天线读取电子标签的数据，然后上传到基站再传到井上监控中心。

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4 系统的硬件设计

4.1 读写器收发模块的设计

本系统采用的是内嵌8051 MCU的射频收发芯片CC1010。CC1010是挪威Chipcon公司推出的单片的、多频段、低功耗、超高频的射频芯片。芯片采用Chipcon公司的0.35um CMOS技术制成，内嵌高性能的8051微控制器、32KB的Flash程序存储器2176字节的SRAM，能够工作于315/433/868和915MHz四个ISM

（工业、科学和医学）频段，可通过编程控制其工作于300-1000MHz频率范围之内。芯片低电压（2.7-3.6V）供电并且功率非常低（接收数据时工作电流只有9mA），高灵敏度(-107dBm)，最大发射频率输出为+10dBm，通信速率为76.8kb/s。

CC1010片内继承了微处理器内核、Flash程序存储器、SRAM数据存储器、定时器/计数器、看门狗、SPI接口、A/D转换器、发器等模块。芯片的内部结构框图如图4-1所示。

图4-1 CC1010结构能图

CC1010的微处理器内核基于标准的8位8051内核，支持直接寻址、间接寻址和寄存器寻址等寻址方式，内核寄存器有累加器A、堆栈指针SP、数据指针DPTR和程序状态字PSW等。

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CC1010的超高频调频收发器为低电压和低功耗设计，从图4-1可以看出收发器的电路图。收发器部分含有接收器和发射器部分，接收器部分由低噪声放大器、混频器、中频放大器、调解器、解码器组成。发射器由功率放大器、PLL(VCO、充电泵、分频器)等电路组成。

在接收模式下，CC1010是被配置成超外差式接收机。RF输入信号被低噪声放大器放大，经由混频器编程中频。在中频级，这个被变换的信号在送入解调器之前被放大和滤波，经过解调器后输出的数字数据送入微控制器处理。在发射模式 下，压控振荡器VCO的输出信号是直接送入功率放大器，输出是由微控制器的数字比特流频移键控。

芯片设计时的目标收发频率为315/433/868/915MHz，收发器的主要操作参数均可通过特殊功能器进行。

通过特殊功能寄存器（SFR）可配置的与收发相关的主要参数有接收发射方式、射频输出的功率、射频输出频率、频移键控的频率、开关机工作方式、数据传输速率和数据格式、外部中频输出等。

CC1010的应用电路如图4-2所示，可见CC1010所需要的外围元器件非常少。C2/L2为输入匹配电容/电感，L2同时也用于防止直流偏置信号的输入。C3、L1和C1用于发射时的信号匹配。通过发射/接收开关电路，收发器得以通过同一个50W的天线进行接收/发射操作。压控振荡器完全整合在芯片内，因此在使用时只需要1个电感L3。

图4-2 CC1O10应用电路图

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CC1010可以使用单鞭天线、螺旋天线或在PCB上的环形天线。单鞭天线的长度为波长的1/4，可通过式L=7125/f计算。其中L表示单鞭天线的长度，f为接收/发射频率。环形天线不在PCB上，使用非常方便:但由于其辐射能力较差，所以接收/发射性能也差些。螺旋天线是单鞭天线和环形天线的一种折衷方案，其尺寸大小和接收/发射能力介于单鞭天线和环形天线。 4.1.1读写器的功能介绍

读写器的接收射频标签发出的数据信息，从而上传到基站，它的初始化步骤主要完成以下任务：系统工作的频率，发送的功率，数据发送模式，数据的宽度，CRC校验等寄存器状态。

系统工作的频率915MHz，。本设计要求其发送的功率小于5 W，所以其功率是非常小的，功耗自然也很低。

数据发送模式：在无线数据传输中，对数据信号帧传输过程中位错进行修正的方法主要有两种:第一，由发端提供错误修正码，然后由收端自己修正错误;第二，在收端发现接收到的错误帧中有位错误时，通知发端重新发送数据帧。前一种方法中的错误修正码需要发端由被传送数据信号帧计算得到，然后添加到数据帧的后面，其长度几乎等于数据位数，导致效率降低50%，在少量无线数据传输中，实际采用不多;一般采用后一种较为有效的重发送方法。在实际系统中，数据重发必将引起数据冲突，因此如何有效的避免数据冲突也是我们在系统设计中必须充分考虑并合理解决的问题。

所谓数据重发，就是指当数据在空间传输时由于各种干扰而造成传输到接收端的数据与发送端的原始数据不一致，且被接收端检验出来要求发送端重新发送数据。对于射频识别系统而言，数据重发多采用错误通知重发机制，即当数据接收端在检测到接收数据错误时向发送端发出重新发数据的重发握手信号，当发送端接收到重发握手信号时，重新发送该数据包。对于射频数据传输系统，人们通常都采用这种方式，因为在实际的系统中，数据传输的误码率一般都比较低，数据出错的概率很小，所以采用错误通知重发机制可以有效提高信道利用率。但是对于井下人员定位系统而言，虽然传输的射频数据量很小，可数据的准确性要求非常高，同时在系统的使用过程中，存在着一对多的问题，即同时多人经过同一井下基站，这时就将不可避免的出现数据冲突现象，若采用错误通知重发机制，就有可能出现漏检现象。例如当两个人同时携带射频卡经过井下射频阅读基站时，由于阅读基站的触发信号采用广播方式发送，因此他们同时收到阅读基站的触发信号，且同时响应阅读基站触发信号，这时就会有几种可能的情况发生:1、两个数据一前一后被井下阅读基站正确收到;2、一个数据被正确收到，而另一个数据因为时序关系而被井下阅读基站收漏了;3、由于数据载波的相互干扰，两个数据均

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被基站收漏。对于后两种情况，采用错误通知重发机制，就会造成人员数据的漏传，严重影响井下人员定位系统的性能。为了有效解决这一问题，我们提出一种新的重发机制—正确确认机制。所谓正确确认机制，就是当数据接收端接收到发端的数据包后，对该数据进行检测，若检测到该数据包没有错误，就向数据的发送端发出数据接收正确的确认信号，当数据发送端在一定时延内没有收到数据接收端的确认信号，就自动重发数据。虽然采用正确确认机制占用了一定的信道，但对于我们这种很小数据量的高稳定度人员定位系统特别实用。

CRC校验方式：CRC循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check)的基本原理是发送器和接收器约定选择同一个由n+l个位组成的二进制位列P作为校验列，发送器在数据帧的K个位信号后添加n个位(n

CRC(16位) = X^16+X^15+X^2+l (4-1)

CRC(CCITT) = X^16+X^12+X^5+1 (4-2)

CRC(32位)=

X^32+X^26+X^23+X^16+X^12+X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+l

(4-3)

以CRC(16位)多项式为例，其对应校验二进制位列为11000000000000101。注意，这儿列出的标准校验多项式P(X)都含有(X+1)的多项式因子;各多项式的系数均为二进制数，所涉及的四则运算仍遵循对二取模的运算规则。

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CRC循环冗余校验具有比奇偶校验强得多的检错能力。可以证明:它可以检测出所有的单个位错、几乎所有的双个位错、低于P(x)对应二进制校验列位数的所有连续位错、大于或等于P(x)对应二进制校验列位数的绝大多数连续位错。但是，当传输中发生的错误多项式E(x)能被校验多项式P(x)对二取模整除时，它就不可能被P(X)探测出来，例如当E(X)=P(X)时。

综上可知，CRC校验及循环冗余校验码是一种能力很强的检错码，且由于其实现编码和校验码的电路比较简单，故常用于串行数据的无线传输中。虽然CRC校验只能识别传输错误不能校正错误，但它的优点是识别错误可靠性高，只需要少量的冗余数据就可以识别，16位CRC对于RFID系统传输中数据校验非常适用。 4.1.2读写器安装位置

由于井下信号的衰减较大，要合理地设置基站的发射功率与基站间的距离，基站设置要重点考虑员工密集区和信号衰减严重区域(如十字路口处)。具体安装位置如下： 井下人员定位系统的读写器一般安装在副井口、副井通道、副井底、主井口、主井通道、主井底、联络巷、机修房，泵房、配电室、井下压风机房、掘进面、回采区等其它一些人员经常经过的重要区域。

副井口是矿井的重要组成部分，人员下井作业由此而入。除此外，井下所需的木材、电缆、设备等都有副井口进入，因此，副井口安装读写器意义重大，一方面可以明确的知道有多少员工下井作业，实时的对员工考勤，另一方面有效地提高了安全性。副井通道供井下人员行走、维护矿井设施，排查线路故障，运输除煤炭意外的其它东西，所以必须安装读写器，确定副井人员的位置情况。

主井口是煤炭生产的出口，主井通道是煤炭生产的运输巷道，这些地方必须实时的由人员对其维护、监管。一旦出现生产故障或人员事故可以及时的上报和应救员工。安装读写器就能很好的实现。

机修房是井下的维修重地，担负着井下设备的修护的责任，泵房的主要任务是及时、迅速地排除矿井涌水，以确保矿井安全。配电室是将井上低压变电站的二次侧直接或降低后向井下供电的场所。压风机房提供足够数量和压力的压缩空气，为风钻、风镐等风动机械提供压气动力，对煤矿安全生产起着重要作用这些地方都是井下人员经常走动的地方，因此，必须安装读写器，来确认人员位置。

掘进工作面：原煤生产地方，矿井最危险、最重要的部分，也是人员最密集的区域。通常它还包括一些运输巷道，采取等。故此处必须有读写器随时对一线人员的生产状况进行有效的定位、监控。

井下读写器的安装距离一般是每隔80到100米安装一个，其安装数量视井下情况而定，可识别距离为10米（0到10米）可调

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图4-3读写器的安装示意图

4.2电子标签的设计与安装

4.2.1电子标签的选型与设计

根据前面对井下无线通信最佳频率选择的分析，就确定了在本系统设计中要采用900MHz频率的射频标签。在满足系统设计的要求下，最终选用意法半导体(ST)公司推出的超高频RFID存储芯片XRA00作为系统中使用的射频标签。 1. XRA00的主要特点

XRA00是一个工作在超高频的用于射频识别的应答器或者称标签集成电路。XRA00为超长射频器件类芯片，从阅读器到芯片的操作距离长达10米。该芯片具有以下特点:

(1)完全符合EPCglobal1.0规范

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(2)采用868MHzISM频带和15MHzISM频带超高频载波频率

(3)接收信号是异步脉宽调制(PWM)脉冲编码的50%到100%幅度(ASK)调制信号，应答为双空间编码信号

(4)内含带锁存的128位EEPROM和96位ePC (5)具有库存、读取、编程和擦除功能 (6)提供删除命令

(7)采用标准30ms编程时l司 (8)可循环擦写10000次以上 (9)数据可保存40年以上 2. XRA00性能概述

XRA00的逻辑框图如图4-4所示，其中AC0和AC1为天线连接点。和天线连接之后，XRA00便可以从读卡器辐射的射频能量中获得工作所需要的电源。如果需要，用户可通过XRA00中的非易失性存储器为标签编程，XRA00只有在接收到读卡器有效的正确命令之后才会对阅读器做出应答。

图4-4 XRAOO的逻辑框图

此外，ARX00内部还有一个针对RFID应用的噪声应用环境的快速防冲突协议，该协议完全符合自动识别中心1类超高频规范。

3. XRAOO工作过程

当ePC信息写入之后，对EEPROM中的锁存位进行编程可保护芯片中的数据。此时XRA00即进入用户模型。在用户模式下，ERASED、PROGRAMMEID和VERIFYID等命令通常未被激活，XRA00只对防冲突命令做出响应。此时，XRA00芯片支持SCROLLID、SCROLLALLID、PINGID、QUIET、TALK、KILL、ERASEID、PROGRAMMEID和VERIFYID等命令，每个命令的含义如表4—1所列。 SCROLLID SCROLLALLID

表4—1 XRAOO支持的指令 XRA00匹配数据，返回整个ID代码作为应答 XRA00不进行辨别，返回整个ID代码作为应答 中国矿业大学2009届本科毕业生设计 第28页

PINGID QUIET TALK KILL ERASEID PROGRAMMEID VERIFYID 用于XRA00时防冲突的情况，XRA00匹配数据并在特定的时间段做出响应 XRA00匹配数据，进入休眠状态，不再响应读卡器的命令，直到接收到Talk命令或失去电源能量 XRA00匹配数据，进入工作状态，响应读卡器的命令 XRA00永久删除存储器内ID代码和所有数据 擦除XRA00内部存储器内容 在没有锁存的状态下对XRA00内部存储器编程（一次16位） 校验XRA00存储器中的所有数据位，确保正确编程 在进行射频识别时，读卡器和XRA00之间一般按照如下步骤进行对话:首先，阅读器辐射的超高频工作场使XRA00获得应答器所需的电源能量，并使其进入激活状态，准备接收阅读器的命令;然后，阅读器发射包含命令的信号并等待XRA00的应答;最后由XRA00根据接收到的命令发射应答信号。这种工作方式被称为RTF(Read Talk First)。 4. XRA00存储器映射

XRA00内部的128位存储器共分为8个块，每块16位。XRA00的内部存储器映射如图4—5所示。读取时每一位可以单独读取，写入则可按照每块16位的方式写入。其中第一个存储器块用来存储。PC规范定义的CRC(循环冗余校验码)，接下来六块全部都用来存储库存序列号中用到的96位代码，最后一块由8位删除代码和8个锁存位公用，其中8个锁存位用于保护存储器里的数据。

图4-5XRAOO存储器分配图

5. XRAOO信息写入

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通过应用软件将唯一的ID信息写入射频标签，当标签进入阅读器的工作范围内被激活时，标签将其本身携带的唯一的ID码传送给阅读器，完成携带此标签的井下人员信息的采集。 4.2.2 XRAOO的天线

射频标签天线主要用于接收到达射频标签的射频能量及指令，并转发射频标签的相关信息，它是射频标签和阅读器进行数据交换的桥梁。

如XRA00的逻辑框图4-4所示，AC0和AC1即为天线连接点。目前，频率较高的标签通常为印刷贴片天线形式。 4.2.3 基于XRA00的电子标签安装

由于射频标签体积小，重量极轻。在本系统设计中，将射频芯片安装在下井人员的安全帽内，如下图4-6射频电子标签的原理示：

图4-6电子标签的安装示意图

4.3基站介绍

基站的功能就是收集并暂存由读写器发来的人员信息数据，并通过CAN总线将数据发送到地面监控中心的主机服务器中。同时也就接受上位机发送来的命令信息。基站还有一个重要功能就是将阅读器发送来的数据打上时间戳，这个时间对整个系统而言是非常重要并且不可或缺的一部分。数据库系统以及上位机软件正是通过这个时间戳来判断井下人员的行走的路线以及人员队后到达的位置所以基站应包括RS-485接口、CAN总线接口、存储模块、以及时间模块。基站的基本框图如下4-7所示：

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RS485接口模块CAN总线接口模块51单片机存储模块时间模块 4.3.1时间模块设计

图4-7基站的模块组成

在井下基站的设计中，分站需要将工作人员经过基站时的时间与射频卡中的信息一起传送出去，所以这就用到时钟模块。经比较，最终选择了PCF8563日历时钟芯片。

PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。PCF8563的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路(1.0V)以及两线制IC总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。同时每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。

PCF8563是一款性价比极高的时钟芯片，它已被广泛用于电表、水表、气表、电话、传真机、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。

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图4-8 PCF8563管脚图

PCF8563管脚图及管脚描述见表4-2，它的应用范围比较广泛，其应用特性优越，特性如下:

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