基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計

陳齊慧 劉佳 文雅 吳周念 范文超 常春

摘 要：井下人員定位系統(tǒng)是煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”之一。本文在概述射頻識別技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于RFID系統(tǒng)設(shè)計的井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計方法。系統(tǒng)的讀寫器和標(biāo)簽均采用低功耗射頻芯片nRF24LE1作為核心器件，采用VS2008+QT構(gòu)建井下人員定位軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有硬件、下位機軟件和上位機軟件三個部分組成。應(yīng)用于井下人員定位的RFID系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對井下人員的實時定位，在人員的管理調(diào)度和事故發(fā)生時的搜救工作上起到輔助作用，對井下安全生產(chǎn)管理有著重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：井下人員定位；射頻識別（RFID）；nRF24LE1

1 引言

煤礦井下安全問題一直是國家重視的問題[1]，我國大中型煤礦和廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦都在響應(yīng)國家號召，越來越重視煤礦安全問題，已經(jīng)開始裝備煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。井下人員定位跟蹤及安全管理系統(tǒng)可以對井下人員進行實時跟蹤，方便掌握每個人的活動軌跡[2]，在災(zāi)害發(fā)生時可以及時找到井下被困人員，為救援提供了寶貴的信息。由于煤礦井下無線傳輸衰減大，GPS信號不能完全覆蓋井下的每個巷道。本文設(shè)計了一種基于射頻識別（RFID）技術(shù)的井下人員安全定位跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計方案。

2 射頻識別系統(tǒng)

2.1 射頻識別技術(shù)

射頻識別（Radio Frequence Identification，RFID）技術(shù)起源于二戰(zhàn)時期，由最初只在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用慢慢發(fā)展到現(xiàn)在在民用各個領(lǐng)域的應(yīng)用，RFID迎來了一個嶄新的發(fā)展時期。目前，RFID得到了世界各國的廣泛關(guān)注，大量應(yīng)用于公路收費、停車場管理、身份識別等方面。

RFID技術(shù)是利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信，自動識別目標(biāo)對象獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。RFID系統(tǒng)一般包括終端機、RFID中間件、讀寫器和標(biāo)簽幾個部分。讀寫器利用射頻信號自動識別電子標(biāo)簽的信息，將信息打包通過中間件發(fā)送給上位機，識別過程無需人工干預(yù)，可以自動完成信息的傳輸與處理，可工作于各種惡劣環(huán)境，在識別高速運動的物體和同時識別多個標(biāo)簽上有很好的應(yīng)用。

基于RFID的人員定位系統(tǒng)從無源射頻近距離識別階段、有源微波遠(yuǎn)距離識別階段到現(xiàn)在的雙向識別通信階段一共經(jīng)歷了三個階段。本文設(shè)計采用有源微波遠(yuǎn)距離識別的方案，該方案具有通信距離遠(yuǎn)，可靠性好，識別速度快等的優(yōu)點[3]。

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

整個系統(tǒng)包括硬軟件的設(shè)計，其中硬件部分由井下人員攜帶的電子標(biāo)簽和各個監(jiān)測點的閱讀器組成；下位機軟件部分由采集信息、信息打包部分組成；上位機軟件包括串口通信和數(shù)據(jù)的加工處理組成。

3.1 硬件電路的設(shè)計

硬件電路分為標(biāo)簽電路、讀寫器電路、中間件的設(shè)計，如圖1所示。其中標(biāo)簽?zāi)K采用紐扣電池供電，讀寫器采用專門的供電模塊供電。nRF24LE1外圍電路簡單，在它的應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上加了一個功放芯片RFX2401C，相當(dāng)于進行了一個發(fā)射功率放大，接收靈敏度加強[7]。天線部分采用PCB天線。通訊接口采用傳輸距離遠(yuǎn)、抗噪能力強的485通信方式。

3.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計包括兩部分：下位機程序的設(shè)計和上位機程序的設(shè)計。

3.2.1 下位機程序設(shè)計

下位機程序的設(shè)計又包括標(biāo)簽程序的設(shè)計和讀寫器程序的設(shè)計。讀寫器通過對標(biāo)簽的射頻識別對標(biāo)簽的實時信息進行數(shù)據(jù)采集和處理然后將信息通過RFID中間件將數(shù)據(jù)上傳給上位機。下位機程序流程圖，其中標(biāo)簽的流程圖如圖2所示，讀寫器的流程圖如圖3所示。

讀寫器和標(biāo)簽卡在完成通信方面有幾個關(guān)鍵點：

（1）防碰撞算法的設(shè)計。在通信時信道中會有多個標(biāo)簽同時工作，為保證通信的可靠性，防碰撞必須考慮到其中。通過對信道功率的探測，進行載波監(jiān)聽，當(dāng)信道忙時，通過隨機退避一個時延，再反復(fù)監(jiān)聽信道直到信道空閑下來完成無線通信任務(wù)。

（2）低功耗的設(shè)計。由于標(biāo)簽是采用紐扣電池供電，所以必須考慮減小功耗。nRF24LE1本身是一款低功耗的芯片，在此基礎(chǔ)上，在軟件設(shè)計上加入對標(biāo)簽的定時喚醒和通過讀寫器對標(biāo)簽的工作狀態(tài)的切換，最大限度上節(jié)能。

（3）電源監(jiān)管的設(shè)計。當(dāng)標(biāo)簽電池電壓低于設(shè)置電壓時，發(fā)出報警，提醒更換電池。

（4）定位算法的設(shè)計采用RSSI測距和質(zhì)心算法，實現(xiàn)井下人員的定位。讀寫器完成采集標(biāo)簽信息進行強度排序后將運算結(jié)果上傳到上位機，上位機進行均方差和井下人員坐標(biāo)位置[5][6]。

3.2.2 上位機程序設(shè)計

上位機軟件設(shè)計方面，需要體現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果可視化的顯示出來，通過定位算法能將標(biāo)簽的區(qū)域位置給顯示出來。上位機軟件開發(fā)環(huán)境選擇的是VS2008+QT，在基本串口程序的基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)處理方面加入了定位算法和數(shù)據(jù)處理功能和modbus通訊協(xié)議，通過與下位機的配合實現(xiàn)485總線通信，保證了通信的可靠性。上位機的程序流程圖如圖4所示。

4 總結(jié)

RFID作為一門越來越熱的一門技術(shù)，隨著在智能識別上得到廣泛應(yīng)用，RFID設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)正在日趨完善中。在深入了解RFID技術(shù)原理與應(yīng)用，結(jié)合國內(nèi)外RFID技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了一種工作在2.4GHz有源RFID讀寫系統(tǒng)，在結(jié)合上位機軟件開發(fā)之后，形成了基于RFID技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)。是煤礦井下安全生產(chǎn)管理為前提，通過RFID技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的結(jié)合，突破了傳統(tǒng)井下人員管理模式，是一種可靠實施性強的一種煤礦井下人員監(jiān)控系統(tǒng)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蘇靜，吳桂義.煤礦井下人員定位系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2012，9.

[2]李成學(xué)，郭林霞.基于RFID技術(shù)的煤礦井下人員管理信息化的研究[J].中國礦業(yè)，2007，16.

[3]劉兆巖.基于RFID技術(shù)的人員定位系統(tǒng)[J].水力采煤與管道運輸，2013.6.

[4]超低功耗單片無線系統(tǒng)應(yīng)用與入門——基于2.4GHz無線SOC芯片NRF24LE1[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[5]林瑋，陳傳峰.基于RSSI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三角形質(zhì)心定位算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009.2.

[6]李蒙，李廣宏，刁文廣.無線傳感網(wǎng)絡(luò)煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦安全，2010，11.

[7]Rfaxis.RFX2401C Preliminary Data Sheet.2012.