智能標識卡在井礦人員定位系統中的應用

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：黃緒勇，李國義，鄭月坡，石紅艷   人氣： 發表時間：2011年10月08日

    近年來，我國煤礦行業事故頻發，給國家和人民帶來了沉重的災難。如何加強安全生產和監督工作力度、事故后如何提高搜救工作效率已成為社會關心的熱點問題。本文緊密結合煤炭工業的實際需要，設計出一種智能標識卡，將射頻識別技術、網絡通信技術和自動傳感技術有機結合，解決了礦井下的設備安全運行、數據的遠距離傳輸、信號轉換和信息處理等方面的技術難題，為礦井人員監測、控制和跟蹤管理、搶險救災、安全救護的高效運作等方面提供了有效的科技支撐。 

    1 設備的配置 

    智能標識卡與基站之間的通信是借助射頻識別技術(如圖1)進行的。射頻識別技術是一種利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術[1]。標識卡與基站之間不存在機械運動機構和電觸點，操作便利快捷、可靠性高、壽命長、抗干擾性強。 

    1.1 智能標識卡的設計 

    在礦井人員定位系統中，對標識卡的設計分為：處理器模塊、液晶顯示模塊、鍵盤操作模塊、無線發射模塊和傳感器模塊。在這幾大模塊的基礎上還可以設計實現自動報警功能。智能標識卡總體設計如圖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，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單片機和nRF905(nRF2401)的片上系統[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、科學和醫學)頻道。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，不需外加聲表濾波器、自動處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗)，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，內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。nRF905提供了強大的跳頻機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200 m。如果需要傳輸更遠距離，可以采用帶增益的天線，傳輸距離即可擴大到1 km以上。 

    1.4 電路設計 

    根據MCU的特點和nRF905接口設計要求，MCU的P0.23、P0.22分別和nRF905的TRX_CE、TX_EN連接實現對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，由此判斷發送方的發送目的地址是否與本機地址相同；MCU的外部中斷0接nRF905的DR端，由此判斷收發數據是否完成；nRF905的SPI端口接MCU的SPI0的對應端口，實現對nRF905的工作配置和數據傳輸；nRF905的uPCLK提供基準時鐘輸出，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 井下人員定位系統的設計 

    2.1 定位系統的設計原則 

    (1)實現井下坑道作業面工作人員進出的有效識別，并對環境進行有效的監控預警,使系統管理充分體現“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、人員進出限制等多方面的信息查詢。
    (3)一旦發生安全事故，通過該系統立刻可以知道坑道作業面工作人員的數量，保證搶險救災和安全救護工作的高效運作。
    (4)安全事故發生后，通過本系統的移動識別裝置，可在事故現場10 m范圍內探測到是否有人存在，便于救護工作的及時展開。
    (5)系統設計具備安全性、可擴容性、易維護性和易操作性。 

    2.2 總體設計 
   系統總體設計如圖4。硬件系統主要由標識卡、識別基站、中繼站（網橋）、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總線和網絡技術。軟件系統的設計主要是上位機軟件和下位機軟件的設計。軟件的主要設計功能有：實時數據采集、實時數據顯示、歷史數據查詢、人員監測查詢功能、超時報警功能、統計考勤、數據歷史保存、系統維護等。 

    2.3 系統的功能設計 

    (1)數據采集與預警 

    智能標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濃度，當濃度達到設定的限度時，智能卡會自動預警，提醒井下人員緊急撤出。智能標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測基站。當攜帶有智能標識卡的人員進入監測基站檢測范圍時，標識卡將采集到的井下數據、個人身份和操作信息發送給基站，基站接收后通過CAN總線送至井上控制中心處理。控制中心也可以向井下人員發送指示，標識卡接收到指示后，在顯示屏上顯示。 

    (2)人員的定位跟蹤 

    在井上監控主機的數據庫中，保存著礦井下每個定位裝置的精確位置信息。當下井人員位于事先鋪設好井下定位裝置的巷道中時，在數據采集過程中，就可確定是哪個基站發來的信息，這樣就可確定人員在哪兩個固定基站之間，然后通過數據庫調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)災后救援功能 

    一旦發生各類事故，監控主機立即能顯示緊急事故地點的人員數量、人員狀態、人員位置等信息，為制定搶險救援計劃提供依據，大大提高搶險效率和救援效果；對某些特殊區域進行禁入設置，當有非法進入時，監控軟件將立刻啟動進入者攜帶標識卡的報警系統；在緊急情況時，通過智能標識卡的按鈕向控制中心發出緊急求救信息。 

    (4)綜合信息管理 

    系統能夠自動準確統計礦工入井、升井時間，并生成相應考勤記錄、統計報表；實時反映井下人員的流動路線、地點，對入井人員進行有效監督，有效提高安全生產防范能力[5]，促進安全生產。在系統維護中，分配給操作、管理人員不同的權限，保證系統的安全性。 

    通過計算機網絡可實現礦井目標定位安全管理信息的數據共享，為礦井各部門及上下級各層領導及時提供實時監測信息與歷史信息，為指揮決策提供重要依據。 

    本文提出的設計已成功應用于黑龍江某礦業集團。系統工作穩定、運行良好，被證明適用于礦井下復雜的環境中。人載智能標識卡采nRF905射頻芯片。由于nRF905芯片具有跳頻機制以及大量的頻道支持，從而解決了信號傳輸易受環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管理效率。本設計為煤礦井下人員監測、控制和跟蹤管理、搶險救災、安全救護的高效運作提供了有效的技術支撐。