智能標識卡在井礦人員定位系統中的應用
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：黃緒勇，李國義，鄭月坡，石紅艷 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月08日
近年來(lái)，我國煤礦行業(yè)事故頻發(fā)，給國家和人民帶來(lái)了沉重的災難。如何加強安全生產(chǎn)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(huì )關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文緊密結合煤炭工業(yè)的實(shí)際需要，設計出一種智能標識卡，將射頻識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和自動(dòng)傳感技術(shù)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(shù)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(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(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)[1]。標識卡與基站之間不存在機械運動(dòng)機構和電觸點(diǎn)，操作便利快捷、可靠性高、壽命長(cháng)、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(pán)操作模塊、無(wú)線(xiàn)發(fā)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(shí)現自動(dòng)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(wú)線(xiàn)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(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單片機和nRF905(nRF2401)的片上系統[2]，其功能和nRF905(nRF2401)一樣，但做實(shí)驗一般不用nRF9E5(nRF24E1)，因為它需要專(zhuān)門(mén)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(shí)好[3]。然而，傳輸性能好，其帶寬就會(huì )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(yǔ)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(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué))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(dòng)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，內建空閑模式與關(guān)機模式，易于實(shí)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(wú)增益的PCB天線(xiàn)，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(xiàn)，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(diǎn)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(shí)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(fā)送方的發(fā)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(fā)數據是否完成；nRF905的SPI端口接MCU的SPI0的對應端口，實(shí)現對nRF905的工作配置和數據傳輸；nRF905的uPCLK提供基準時(shí)鐘輸出，通過(guò)示波器觀(guān)察輸出頻率來(lái)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(shí)現井下坑道作業(yè)面工作人員進(jìn)出的有效識別，并對環(huán)境進(jìn)行有效的監控預警,使系統管理充分體現“人性化、信息化和高度自動(dòng)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(xún)。
(3)一旦發(fā)生安全事故，通過(guò)該系統立刻可以知道坑道作業(yè)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(fā)生后，通過(guò)本系統的移動(dòng)識別裝置，可在事故現場(chǎng)10 m范圍內探測到是否有人存在，便于救護工作的及時(shí)展開(kāi)。
(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(wǎng)橋）、傳輸接口等組成。無(wú)線(xiàn)通信采用nRF905芯片，井下有線(xiàn)通信采用CAN總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。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(shí)時(shí)數據采集、實(shí)時(shí)數據顯示、歷史數據查詢(xún)、人員監測查詢(xún)功能、超時(shí)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(shí)，智能卡會(huì )自動(dòng)預警，提醒井下人員緊急撤出。智能標識卡上還有鍵盤(pán)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(gè)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(chǎng)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(jìn)入監測基站檢測范圍時(shí)，標識卡將采集到的井下數據、個(gè)人身份和操作信息發(fā)送給基站，基站接收后通過(guò)CAN總線(xiàn)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(zhù)礦井下每個(gè)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(shí)，在數據采集過(guò)程中，就可確定是哪個(gè)基站發(fā)來(lái)的信息，這樣就可確定人員在哪兩個(gè)固定基站之間，然后通過(guò)數據庫調出這兩個(gè)固定基站的位置信息，就可知道人員處在哪一段，并通過(guò)計算機上的電子地圖實(shí)時(shí)顯示，使管理人員能及時(shí)查詢(xún)各種信息。
(3)災后救援功能
一旦發(fā)生各類(lèi)事故，監控主機立即能顯示緊急事故地點(diǎn)的人員數量、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，大大提高搶險效率和救援效果；對某些特殊區域進(jìn)行禁入設置，當有非法進(jìn)入時(shí)，監控軟件將立刻啟動(dòng)進(jìn)入者攜帶標識卡的報警系統；在緊急情況時(shí)，通過(guò)智能標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
系統能夠自動(dòng)準確統計礦工入井、升井時(shí)間，并生成相應考勤記錄、統計報表；實(shí)時(shí)反映井下人員的流動(dòng)路線(xiàn)、地點(diǎn)，對入井人員進(jìn)行有效監督，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(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現礦井目標定位安全管理信息的數據共享，為礦井各部門(mén)及上下級各層領(lǐng)導及時(shí)提供實(shí)時(shí)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(yè)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(huán)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(huán)境及距離的限制和無(wú)線(xiàn)信號傳輸頻帶單一的問(wèn)題；同時(shí)此卡內置瓦斯傳感器、自動(dòng)報警器、鍵盤(pán)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(shù)支撐。
