基于射頻識(shí)別技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用 *

曹永剛

(潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036700)

0 引 言

當(dāng)前階段煤炭資源在我國整個(gè)能源結(jié)構(gòu)體系中占據(jù)的比例大概在60%～70%，雖然是煤炭資源大國，但經(jīng)過多年的開采，一些容易開采的煤礦基本已經(jīng)開采完畢。當(dāng)前以及未來煤炭開采的難度會(huì)越來越大，給煤礦開采安全構(gòu)成了威脅[2]。我國近年來越來越重視煤礦安全問題，煤礦開采行業(yè)的高危險(xiǎn)性導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)煤礦安全事故，甚至出現(xiàn)人員傷亡情況[3]。在煤礦開采過程中，如果煤礦企業(yè)能夠精確掌握井下所有工作人員的行動(dòng)軌跡，在出現(xiàn)安全事故時(shí)，企業(yè)就可以根據(jù)工作人員的行動(dòng)軌跡對其進(jìn)行精確定位，進(jìn)而開展應(yīng)急救援工作[4-5]。因此，針對煤礦井下人員定位系統(tǒng)進(jìn)行深入分析和研究，提升人員定位的可靠性和精度，是保障礦井人員安全的基礎(chǔ)和前提[6]。筆者基于射頻識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)研究了煤礦井下人員定位系統(tǒng)，對于提升煤礦安全性具有重要的實(shí)踐意義。

1 煤礦井下人員定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

如圖1所示為煤礦井下人員定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖。

圖1 煤礦井下人員定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

從圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要可以劃分為兩大部分，即井上部分和井下部分，兩部分通過CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。井下部分主要包括標(biāo)簽和基站，標(biāo)簽由工作人員攜帶，定期向外發(fā)射位置信息?；景惭b在礦井的固定位置，其核心構(gòu)成部分主要是數(shù)據(jù)讀取器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，主要作用是讀取標(biāo)簽向外發(fā)射的數(shù)據(jù)信息。井上部分主要為集中監(jiān)控中心，基站讀取的數(shù)據(jù)信息需要通過CAN總線傳輸至位于地面的集中監(jiān)控中心。地面監(jiān)控中心一方面會(huì)將相關(guān)數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到服務(wù)器中，另一方面還要對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，基于設(shè)定的程序計(jì)算得到井下人員的具體位置坐標(biāo)。

1.2 基本原理

為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌控井下人員精確位置，需要在礦井內(nèi)部不同位置裝設(shè)基站，然后每位人員都配備具有唯一ID編號(hào)的標(biāo)簽，基站和標(biāo)簽是井下的主要構(gòu)成部分。標(biāo)簽定期向外發(fā)射數(shù)據(jù)信息，信息包含的內(nèi)容有位置、時(shí)間、ID編號(hào)等，當(dāng)攜帶標(biāo)簽的工作人員移動(dòng)至基站覆蓋范圍時(shí)，基站可以讀取標(biāo)簽向外發(fā)射的數(shù)據(jù)信息，然后將這些信息通過CAN總線傳輸至地面集中監(jiān)控中心進(jìn)行分析和處理，計(jì)算得到井下人員的位置信息。

2 煤礦井下人員定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

井下部分人員位置信息的采集與傳輸是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，因此重點(diǎn)主要對井下部分的基站和標(biāo)簽相關(guān)硬件進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)。

2.1 基站設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中基站起到橋梁的作用，采集標(biāo)簽向外發(fā)射的數(shù)據(jù)信息，并通過CAN總線傳輸至地面集中監(jiān)控中心進(jìn)行分析和處理。其中主控芯片和射頻芯片是基站的關(guān)鍵硬件，以下主要對這兩個(gè)芯片的選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，同時(shí)對電源模塊進(jìn)行簡要介紹。

(1) 主控芯片。選用單片機(jī)作為主控芯片。目前單片機(jī)發(fā)展較為成熟，市場上有很多種類的單片機(jī)可供選擇，本系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際情況最終選用的單片機(jī)型號(hào)為MSP430系列芯片，具體型號(hào)為MSP430F149。該型號(hào)單片機(jī)芯片具有開發(fā)環(huán)境簡單、功耗低等顯著優(yōu)勢，且具有良好的拓展性。芯片主要由多個(gè)部分構(gòu)成，分別為微處理器CPU、外圍電路、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等。MSP430F149芯片的供電電壓可以在1.8～3.6 V范圍內(nèi)，正常工作時(shí)的電流為250 μA左右?？梢钥闯鲈撔吞?hào)芯片的供電電壓范圍相對較廣，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，且整體的功耗相對較低。芯片為16位單片機(jī)，具有良好的數(shù)據(jù)處理能力，完全能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。

(2) 射頻芯片。射頻芯片的作用是采集標(biāo)簽向外發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)，其性能優(yōu)越的重要性是不言而喻的，需要充分結(jié)合系統(tǒng)的技術(shù)要求選擇合適的射頻芯片類型。同樣的，目前市場上有多種類型的射頻芯片可以選用，本系統(tǒng)在充分考慮煤礦井下實(shí)際使用環(huán)境的基礎(chǔ)上最終選用的射頻芯片型號(hào)為CC1100。該型號(hào)射頻芯片在無線傳輸領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，可以利用多種頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，且不同頻段的應(yīng)用領(lǐng)域存在一定差異。此系統(tǒng)中設(shè)置的波段頻率為915 MHz。芯片內(nèi)部包含有CPU、flash存儲(chǔ)器以及RAM運(yùn)行內(nèi)存，數(shù)據(jù)傳輸速度最快可以達(dá)到500 kb/s。

射頻芯片在接收到標(biāo)簽信號(hào)后，可以對數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行去噪處理，并對信號(hào)進(jìn)行放大。CC1100芯片本身具有強(qiáng)大的功能，不需要復(fù)雜的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)換電路，可以實(shí)現(xiàn)不同類型端口之間的相互轉(zhuǎn)換，這在很大程度上拓展了射頻芯片的應(yīng)用范圍，使之適應(yīng)更多的應(yīng)用場景。穩(wěn)定的電壓供應(yīng)是確保芯片可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，在該芯片的電源輸入端設(shè)置有濾波電容，通過電容可以使芯片電源更加穩(wěn)定，為整個(gè)芯片的可靠穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(3) 電源模塊。作用是為整個(gè)基站中的不同硬件提供可靠穩(wěn)定的電源供應(yīng)，如圖2所示為電源模塊的示意圖。從圖中可以看出，電源模塊可以向外提供兩種電壓，分別為3.3 V和5 V，其中3.3 V主要是為主控芯片供電，5 V則是主要是為射頻芯片供電。

圖2 電源模塊原理示意圖

2.2 標(biāo)簽設(shè)計(jì)

標(biāo)簽攜帶在工作人員身上，此系統(tǒng)中將標(biāo)簽安裝在井下人員安全帽中。標(biāo)簽必須具有相對較小的體積，以免對工作人員的正常工作造成不利影響。標(biāo)簽主要由主控模塊和射頻模塊構(gòu)成，主控模塊選用的芯片型號(hào)為MSP430F2131，作用是對整個(gè)標(biāo)簽裝置進(jìn)行控制。該型號(hào)的控制芯片功能相對比較簡單，但可以滿足實(shí)際使用需要。射頻模塊中選用的芯片型號(hào)與基站中的射頻芯片型號(hào)完全相同，為CC1100型號(hào)芯片。目的是確保信號(hào)能夠在兩者之間順利傳輸，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。一旦攜帶有標(biāo)簽的工作人員進(jìn)入基站覆蓋范圍時(shí)，基站能夠及時(shí)識(shí)別標(biāo)簽信息。

3 煤礦井下人員定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)程序可以劃分成為兩大部分，分別為嵌入式軟件和應(yīng)用軟件。其中前者的作用主要是對井下人員的數(shù)據(jù)信息，包括時(shí)間、ID編號(hào)和位置信息等進(jìn)行采集，并且將這些數(shù)據(jù)信息打包發(fā)送至位于地面的集中監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。應(yīng)用軟件程序的作用是利用設(shè)計(jì)的算法對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而計(jì)算得到井下人員的具體位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)人員的精確定位。在開展應(yīng)急救援工作時(shí)，就能夠根據(jù)人員定位針對性的開展救援工作。

標(biāo)簽直接安裝在工人的安全帽中，絕大部分時(shí)間處于移動(dòng)狀態(tài)，所以必須通過電池對其進(jìn)行供電。當(dāng)攜帶有標(biāo)簽的井下工作人員移動(dòng)至基站覆蓋的范圍時(shí)，基站會(huì)立即識(shí)別標(biāo)簽信息，但正式讀取標(biāo)簽信息之前需要對標(biāo)簽進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證的措施和手段主要包括復(fù)位應(yīng)答和防沖突機(jī)制等。通過對標(biāo)簽進(jìn)行驗(yàn)證確保其合法之后，基站會(huì)對標(biāo)簽信息進(jìn)行讀取，并基于CAN總線將數(shù)據(jù)信息傳輸至地面集中監(jiān)控中心。如果在對標(biāo)簽信息進(jìn)行驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)其不合法，那么基站就不會(huì)讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息，而是轉(zhuǎn)入下一輪循環(huán)。如圖3所示為井下人員定位系統(tǒng)軟件程序工作流程圖。

圖3 系統(tǒng)軟件程序工作流程圖

4 人員定位系統(tǒng)的實(shí)踐測試分析

為驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，針對標(biāo)簽與基站閱讀機(jī)之間的通信情況進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

4.1 通信識(shí)別穩(wěn)定性

為了對標(biāo)簽與基站閱讀器之間通信的穩(wěn)定性進(jìn)行測試，在安裝好基站閱讀器后，將標(biāo)簽放置在距離基站閱讀器10 m的位置，然后測試兩者之間的通信情況?？偣彩褂昧藘蓚€(gè)標(biāo)簽參與測試，每個(gè)標(biāo)簽測試100次。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在所有的測試中兩個(gè)標(biāo)簽均未出現(xiàn)遺漏識(shí)別或錯(cuò)誤識(shí)別的情況。表明標(biāo)簽與基站閱讀器之間能實(shí)現(xiàn)良好的通信，具有很高的可靠性。

4.2 通信距離

同樣利用兩個(gè)標(biāo)簽參與通信距離測試，測試時(shí)標(biāo)簽的發(fā)射功率全部設(shè)置為-18 dBm。為了分析基站閱讀器不同發(fā)射功率條件下的穩(wěn)定通行距離，分別將基站閱讀器的發(fā)射功率設(shè)置為0 dBm、-6 dBm、-12 dBm和-18 dBm。針對上述不同的發(fā)射功率，通信距離全部從1 m開始測試，如果測試成功則將測試距離增加1 m。通過這種方式不斷的進(jìn)行測試，直到兩者之間無法建立穩(wěn)定的通信連接。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基站閱讀器的發(fā)射功率分別為0 dBm、-6 dBm、-12 dBm和-18 dBm時(shí)，對應(yīng)的最大通信距離分別為0 m、12 m、21 m和51 m?？梢钥闯霎?dāng)基站閱讀器的發(fā)射功率越大時(shí)，標(biāo)簽與閱讀器之間的穩(wěn)定通信距離也越大。因此在實(shí)踐中應(yīng)該充分考慮實(shí)際情況選擇合適的基站閱讀器發(fā)射頻率。

5 結(jié) 語

對定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及主要硬件和軟件程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。整個(gè)定位系統(tǒng)總體上可以劃分成為井上和井下兩大部分，井下部分作用是對相關(guān)人員信息進(jìn)行采集，井上部分則是對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，以確定人員的精確位置坐標(biāo)?；竞蜆?biāo)簽的主控芯片全部選用的是MSP430系列芯片，射頻芯片全部選用的是CC1100型號(hào)芯片。當(dāng)攜帶有標(biāo)簽的工作人員移動(dòng)至基站覆蓋范圍時(shí)，基站首先需要對標(biāo)簽進(jìn)行驗(yàn)證，一旦驗(yàn)證通過就會(huì)對標(biāo)簽相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行讀取，并將數(shù)據(jù)信息通過CAN總線傳輸至地面集中監(jiān)控中心，最終確定井下人員的精確位置坐標(biāo)。井下人員定位系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用對于保障人員安全，提升煤礦安全性具有重要的意義。