《電子技術(shù)應(yīng)用》
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智能標(biāo)識卡在井礦人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用
黃緒勇,李國義,鄭月坡,石紅艷
遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 錦州121001
摘要: 針對目前礦井下通信系統(tǒng)功能不完善、技術(shù)與實現(xiàn)復(fù)雜的現(xiàn)狀,設(shè)計了一種基于多功能智能標(biāo)識卡的井下人員定位系統(tǒng)。給出了設(shè)計方案和設(shè)備選型;設(shè)計了系統(tǒng)功能,包括數(shù)據(jù)采集與預(yù)警、人員定位跟蹤、災(zāi)后救援功能、綜合信息管理等。
中圖分類號: TD822
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
Smart identification card application in mine personnel positioning system
HUANG Xu Yong,LI Guo Yi,ZHENG Yue Po,SHI Hong Yan
Institute of Electronic Information and Engineering,Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001,China
Abstract: With current imperfect communication systems in mine, such as technical difficulties and realization complexity, a mine personnel positioning system based on multi-function smart identification card is developed in this paper. Firstly, the overall system design and equipment selection are presented, and then the system functions, including data acquisition, danger warning, real-time personnel positioning and tracking, post-disaster relief and integrated information management, are described in detail.
Key words : smart indentification card;mine shaft personnel positioning system;data acquisition;disaster relief

    近年來,我國煤礦行業(yè)事故頻發(fā),給國家和人民帶來了沉重的災(zāi)難。如何加強(qiáng)安全生產(chǎn)和監(jiān)督工作力度、事故后如何提高搜救工作效率已成為社會關(guān)心的熱點(diǎn)問題。本文緊密結(jié)合煤炭工業(yè)的實際需要,設(shè)計出一種智能標(biāo)識卡,將射頻識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動傳感技術(shù)有機(jī)結(jié)合,解決了礦井下的設(shè)備安全運(yùn)行、數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸、信號轉(zhuǎn)換和信息處理等方面的技術(shù)難題,為礦井人員監(jiān)測、控制和跟蹤管理、搶險救災(zāi)、安全救護(hù)的高效運(yùn)作等方面提供了有效的科技支撐。
1 設(shè)備的配置
    智能標(biāo)識卡與基站之間的通信是借助射頻識別技術(shù)(如圖1)進(jìn)行的。射頻識別技術(shù)是一種利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)[1]。標(biāo)識卡與基站之間不存在機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)和電觸點(diǎn),操作便利快捷、可靠性高、壽命長、抗干擾性強(qiáng)。

1.1 智能標(biāo)識卡的設(shè)計
    在礦井人員定位系統(tǒng)中,對標(biāo)識卡的設(shè)計分為:處理器模塊、液晶顯示模塊、鍵盤操作模塊、無線發(fā)射模塊和傳感器模塊。在這幾大模塊的基礎(chǔ)上還可以設(shè)計實現(xiàn)自動報警功能。智能標(biāo)識卡總體設(shè)計如圖2。

1.2 射頻芯片的選擇
    煤礦井下人員定位的無線通信頻率通常使用我國的免費(fèi)頻段433 MHz和2.4 GHz,可選用的芯片有CHIPCON公司的CC1100、CC2510,Nordic公司的nRF905(nRF9E5)、nRF2401(nRF24E1)。其中CC1100和nRF905一般選擇433 MHz頻段,而CC2510和nRF2401一般選擇2.4 GHz頻段。CHIPCON公司的芯片采用的是一般射頻技術(shù),不能跳頻,為了能夠盡可能地提高抗干擾能力,本文選擇了Nordic公司具有跳頻功能的芯片。nRF9E5(nRF24E1)是集成C51單片機(jī)和nRF905(nRF2401)的片上系統(tǒng)[2],其功能和nRF905(nRF2401)一樣,但做實驗一般不用nRF9E5(nRF24E1),因為它需要專門的程序下載器,使用不方便。433 MHz頻段的射頻在礦井中具有較強(qiáng)的穿透能力,其傳輸效果要比在2.4 GHz頻段時好[3]。然而,傳輸性能好,其帶寬就會相對降低。通常,nRF905的傳輸速率可達(dá)100 kb/s,如果不傳輸視頻和語音,nRF905是較理想的選擇,因此本文采用了nRF905芯片。
1.3 nRF905芯片
    nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器,工作電壓為1.9 V~3.6 V,32引腳QFN封裝(5 mm×5 mm),工作于433/868/915 MHz 3個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成,不需外加聲表濾波器、自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗),使用SPI接口與微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式,易于實現(xiàn)節(jié)能。nRF905提供了強(qiáng)大的跳頻機(jī)制以及大量的頻道支持,而且即使采用無增益的PCB天線,其傳輸距離也可達(dá)200 m。如果需要傳輸更遠(yuǎn)距離,可以采用帶增益的天線,傳輸距離即可擴(kuò)大到1 km以上。
1.4 電路設(shè)計
    根據(jù)MCU的特點(diǎn)和nRF905接口設(shè)計要求,MCU的P0.23、P0.22分別和nRF905的TRX_CE、TX_EN連接實現(xiàn)對nRF905的工作模式控制。P0.24接nRF905的CD,由此判斷nRF905是否檢測到載波;P0.25接nRF905的AM端,由此判斷發(fā)送方的發(fā)送目的地址是否與本機(jī)地址相同;MCU的外部中斷0接nRF905的DR端,由此判斷收發(fā)數(shù)據(jù)是否完成;nRF905的SPI端口接MCU的SPI0的對應(yīng)端口,實現(xiàn)對nRF905的工作配置和數(shù)據(jù)傳輸;nRF905的uPCLK提供基準(zhǔn)時鐘輸出,通過示波器觀察輸出頻率來判斷nRF905的配置是否正確。nRF905與MCU的接口電路如圖3。

2 井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計
2.1 定位系統(tǒng)的設(shè)計原則

    (1)實現(xiàn)井下坑道作業(yè)面工作人員進(jìn)出的有效識別,并對環(huán)境進(jìn)行有效的監(jiān)控預(yù)警,使系統(tǒng)管理充分體現(xiàn)“人性化、信息化和高度自動化”[4]。
    (2)為高級管理人員提供考勤作業(yè)、人員進(jìn)出限制等多方面的信息查詢。
    (3)一旦發(fā)生安全事故,通過該系統(tǒng)立刻可以知道坑道作業(yè)面工作人員的數(shù)量,保證搶險救災(zāi)和安全救護(hù)工作的高效運(yùn)作。
    (4)安全事故發(fā)生后,通過本系統(tǒng)的移動識別裝置,可在事故現(xiàn)場10 m范圍內(nèi)探測到是否有人存在,便于救護(hù)工作的及時展開。
    (5)系統(tǒng)設(shè)計具備安全性、可擴(kuò)容性、易維護(hù)性和易操作性。
2.2 總體設(shè)計
    系統(tǒng)總體設(shè)計如圖4。硬件系統(tǒng)主要由標(biāo)識卡、識別基站、中繼站(網(wǎng)橋)、傳輸接口等組成。無線通信采用nRF905芯片,井下有線通信采用CAN總線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要是上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件的設(shè)計。軟件的主要設(shè)計功能有:實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、人員監(jiān)測查詢功能、超時報警功能、統(tǒng)計考勤、數(shù)據(jù)歷史保存、系統(tǒng)維護(hù)等。


2.3 系統(tǒng)的功能設(shè)計
    (1)數(shù)據(jù)采集與預(yù)警
    智能標(biāo)識卡保存有井下人員的身份編碼,并且能檢測礦井中的瓦斯?jié)舛龋?dāng)濃度達(dá)到設(shè)定的限度時,智能卡會自動預(yù)警,提醒井下人員緊急撤出。智能標(biāo)識卡上還有鍵盤和顯示屏供井下人員使用。這種智能卡由工作人員攜帶下井。
    在礦井下,沿巷道走向,每隔一定距離布置一個檢測基站,另外可以在礦井巷道的進(jìn)出口、交叉道口、工作面、危險場合(如盲巷等)、地面主要出入口等位置也安裝監(jiān)測基站。當(dāng)攜帶有智能標(biāo)識卡的人員進(jìn)入監(jiān)測基站檢測范圍時,標(biāo)識卡將采集到的井下數(shù)據(jù)、個人身份和操作信息發(fā)送給基站,基站接收后通過CAN總線送至井上控制中心處理??刂浦行囊部梢韵蚓氯藛T發(fā)送指示,標(biāo)識卡接收到指示后,在顯示屏上顯示。
    (2)人員的定位跟蹤
    在井上監(jiān)控主機(jī)的數(shù)據(jù)庫中,保存著礦井下每個定位裝置的精確位置信息。當(dāng)下井人員位于事先鋪設(shè)好井下定位裝置的巷道中時,在數(shù)據(jù)采集過程中,就可確定是哪個基站發(fā)來的信息,這樣就可確定人員在哪兩個固定基站之間,然后通過數(shù)據(jù)庫調(diào)出這兩個固定基站的位置信息,就可知道人員處在哪一段,并通過計算機(jī)上的電子地圖實時顯示,使管理人員能及時查詢各種信息。
    (3)災(zāi)后救援功能
    一旦發(fā)生各類事故,監(jiān)控主機(jī)立即能顯示緊急事故地點(diǎn)的人員數(shù)量、人員狀態(tài)、人員位置等信息,為制定搶險救援計劃提供依據(jù),大大提高搶險效率和救援效果;對某些特殊區(qū)域進(jìn)行禁入設(shè)置,當(dāng)有非法進(jìn)入時,監(jiān)控軟件將立刻啟動進(jìn)入者攜帶標(biāo)識卡的報警系統(tǒng);在緊急情況時,通過智能標(biāo)識卡的按鈕向控制中心發(fā)出緊急求救信息。
    (4)綜合信息管理
    系統(tǒng)能夠自動準(zhǔn)確統(tǒng)計礦工入井、升井時間,并生成相應(yīng)考勤記錄、統(tǒng)計報表;實時反映井下人員的流動路線、地點(diǎn),對入井人員進(jìn)行有效監(jiān)督,有效提高安全生產(chǎn)防范能力[5],促進(jìn)安全生產(chǎn)。在系統(tǒng)維護(hù)中,分配給操作、管理人員不同的權(quán)限,保證系統(tǒng)的安全性。
    通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)礦井目標(biāo)定位安全管理信息的數(shù)據(jù)共享,為礦井各部門及上下級各層領(lǐng)導(dǎo)及時提供實時監(jiān)測信息與歷史信息,為指揮決策提供重要依據(jù)。
    本文提出的設(shè)計已成功應(yīng)用于黑龍江某礦業(yè)集團(tuán)。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、運(yùn)行良好,被證明適用于礦井下復(fù)雜的環(huán)境中。人載智能標(biāo)識卡采nRF905射頻芯片。由于nRF905芯片具有跳頻機(jī)制以及大量的頻道支持,從而解決了信號傳輸易受環(huán)境及距離的限制和無線信號傳輸頻帶單一的問題;同時此卡內(nèi)置瓦斯傳感器、自動報警器、鍵盤和液晶顯示屏,有利于礦井安全急救和提高生產(chǎn)管理效率。本設(shè)計為煤礦井下人員監(jiān)測、控制和跟蹤管理、搶險救災(zāi)、安全救護(hù)的高效運(yùn)作提供了有效的技術(shù)支撐。
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[4] ISO/IEC14443-3 InternationalStandard:Identification Card-Contact less integrated circuit[S].cards-Proximity car Dspart2.2001.
[5] ISO/IEC15693-1:IdentificationCard-Contactless integrated circuit[S].cards-Vicinity cards-part 1:physical characteristics.2000.

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