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基于RFID技術(shù)的井下人員實時管理系統(tǒng)
摘要:介紹了RFID技術(shù),并對井下使用RFID技術(shù)進行可行性分析。在分析了井下無線資源特點的基礎(chǔ)上,提出了采用915MHz的RFID技術(shù)進行礦井人員實時管理系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)可以實現(xiàn)對井下人員進行實時跟蹤監(jiān)測和定位,可為工作人員提供礦井巷道網(wǎng)絡(luò)、人員位置、危險區(qū)域及相應(yīng)提示的動態(tài)信息。如果發(fā)生災(zāi)變,還可立即從監(jiān)控計算機上查詢事故現(xiàn)場的人員位置分布情況、被困人員數(shù)量、遇險人員撤退線路等信息,為事故搶險提供科學依據(jù)。
關(guān)鍵詞:RFID;礦井安全;實時定位;總線網(wǎng)絡(luò)
0引言
目前我國大中型煤礦及廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦已大量裝備了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng),這些安全裝備的推廣應(yīng)用大大改善了我國煤礦安全生產(chǎn)狀況。礦難的不斷發(fā)生和搶險救災(zāi)的不力,暴露出目前監(jiān)控系統(tǒng)的弊端:監(jiān)控系統(tǒng)對入井人員管理困難,井上人員難以及時掌握井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況,一旦事故發(fā)生,對井下人員的搶救缺乏可靠信息,搶險救災(zāi)、安全救護的效率低,效果不理想。
本文提出的基于RFID的新型礦井人員定位跟蹤管理系統(tǒng),可對煤礦入井人員進行實時跟蹤監(jiān)測和定位,可為工作人員提供礦井巷道網(wǎng)絡(luò)、人員位置、危險區(qū)域及相應(yīng)提示的動態(tài)信息。如果發(fā)生災(zāi)變,還可立即從監(jiān)控計算機上查詢事故現(xiàn)場的人員位置分布情況、被困人員數(shù)量、遇險人員撤退線路等信息,為事故搶險提供科學依據(jù)。同時,也可利用系統(tǒng)的日常考勤管理功能,對礦井人員進行考勤管理。
1RFID簡介
RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),可工作于各種惡劣環(huán)境,識別高速運動物體并同時識別多個標簽,操作快捷方便。
RFID應(yīng)用系統(tǒng)由4部分組成:
(1)RFID電子標簽。RFID電子標簽?zāi)軌蛸A存有關(guān)物體的數(shù)據(jù)信息(約1kbits)。在自動識別管理系統(tǒng)中,每個RFID標簽中保存著一個物體的屬性、狀態(tài)、編號等信息。標簽通常安裝在物體表面,具有一定的無金屬遮擋的視角。
(2)讀寫器,用于識讀及寫入標簽數(shù)據(jù),其主要功能是:查閱RFID電子標簽中當前貯存的數(shù)據(jù)信息;向空白RFID電子標簽中寫入預貯存的數(shù)據(jù)信息;修改(重新寫入)RFID電子標簽中的數(shù)據(jù)信息;與后臺管理計算機進行信息交互。
(3)發(fā)送接收信號的天線。天線是標簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。在實際應(yīng)用中,除了系統(tǒng)功率,天線的形狀和相對位置也會影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收,需要專業(yè)人員對系統(tǒng)的天線進行
設(shè)計、安裝。
(4)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和其他信息系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負責處理讀寫器傳送過來的信息,并進行信息處理。將重要信息存儲在數(shù)據(jù)庫中。其他信息系統(tǒng)根據(jù)需要向讀寫器發(fā)送指令,對標簽進行相應(yīng)操作。
2可行性分析
(1)頻率的選擇。井下無線頻帶資源豐富,沒有頻帶利用的限制,Tag和Reade:的可供選擇的資源豐富。但是礦井巷道內(nèi)情況十分復雜,巷道中有鋼軌、支架、風門、照明線和動力電纜等,巷道壁凹凸不平,巷道縱橫交錯、拐彎抹角。對平直隧道中,頻率越高,越有利電磁波的傳輸,在彎曲隧道中,頻率越高,越不利電磁波的傳輸。因此對于巷道中的無線通信,最佳頻率在550~950MHz,對于不同的傳輸距離,不同的巷道情況,最佳工作頻率是不一樣的。在生產(chǎn)實踐中,要根據(jù)實際情況確定最佳工作頻率。
RFID從頻率上可分為低頻(125KHz)、高頻(13.56MHz)、超高頻(868-954MHz,北美915MHz)以及微波(2.45GHz)4種頻率。
低頻標簽比超高頻標簽便宜,節(jié)省能量,穿透廢金屬物體力強,工作頻率不受無線電頻率管制約束,最適合用于含水成分較高的物體,但是識別距離小于1m,雖然具有良好的個體定位功能,如果要做到整個礦井的良好定位,就需要在井下布置大量的基站,投資很大,同時標簽的防沖撞功能不好。
高頻標簽屬于中短距識別。2.45GHz微波,識別開闊場所達200m,井下為100m左右。但是距離太大就會失去定位的功能了,同時標簽的防沖撞功能不好。
所以本系統(tǒng)采用915MHz的頻段上RFID技術(shù),井下人員跟蹤定位基站有效接收范圍10m,允許被測目標最大移動速度6m/s,能夠很好的實現(xiàn)定位;同時識別目標個數(shù)20個,防沖撞功能好;通訊方式采用RS485,傳輸波特率為2400bps,能夠?qū)崿F(xiàn)礦井監(jiān)控的目標。
對于雙頻系統(tǒng),由于價格較高,考慮到成本問題,本系統(tǒng)沒有采用。
(2)安全性分析。煤礦井下具有甲烷等可燃性氣體和煤塵,無線通信設(shè)備必須是防爆型電氣設(shè)備,并宜采用安全性能好、體積小、質(zhì)量輕、成本低的本質(zhì)安全型防爆措施,礦井的輻射電磁場環(huán)境應(yīng)按2級中等電磁輻射環(huán)境考慮。并且礦井的瓦斯?jié)舛仍诓煌奈恢煤筒煌臅r間會發(fā)生的變化。
RFID采用射頻識別技術(shù),理論上不會對井下作業(yè)產(chǎn)生危險。在系統(tǒng)中Tag采用無緣芯片,Reader設(shè)計和封裝時采取本質(zhì)安全型防爆措施。
(3)設(shè)置可行性分析。礦井一般深度都在地下500m以下。煤礦開采是不斷進行的,如果采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能方便的增加節(jié)點,會給系統(tǒng)的使用帶來不便。因此Reade:與后臺操作可采用現(xiàn)場總線方式連接,同時信息可利用現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)的線路進行傳輸。總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),只需增加一段電纜和一個Reade:就可以增加一個節(jié)點,這使系統(tǒng)可以隨著煤礦的開采不斷的擴充。
(4)操作可行性分析。RFID的Tag攜帶方便、操作簡單,Reade:可在10m以內(nèi)的距離實現(xiàn)對卡片的自動識別,符合井下作業(yè)設(shè)備力求簡單、方便的要求。
3系統(tǒng)介紹
3.1系統(tǒng)總體設(shè)計思路
井下人員實時管理系統(tǒng)是利用現(xiàn)有煤礦監(jiān)控系統(tǒng)作為主傳輸平臺,開發(fā)相應(yīng)的井下人員跟蹤定位分站、射頻識別卡等設(shè)備與系統(tǒng)掛接。
系統(tǒng)主要用于井下人員和機車定位跟蹤,由安裝在安全帽上的Tag、礦井專用處理傳輸基站(包括天線和目標識別器)、數(shù)據(jù)傳輸接口、地面中心站軟件組成。當人員經(jīng)過井下巷道安裝的發(fā)射天線工作區(qū)時,基站獲取人員攜帶的標簽信息,系統(tǒng)自動采集該人員經(jīng)過的時間、地點信息,并傳送到地面的管理數(shù)據(jù)庫。地面中心站接收來自井下專用處理傳輸分站上的編碼信號,實現(xiàn)對井下人員和機車跟蹤定位信息的采集、分析處理、實時顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲報表、查詢打印等功能。使管理人員能及時準確的查詢各種信息,方便作業(yè)人員和設(shè)備的調(diào)度和管理提高和優(yōu)化煤礦的整體管理水平。
3.2系統(tǒng)設(shè)計方案
系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)包括應(yīng)用軟件和嵌入式軟件兩部分組成,用于完成信息采集、識別、加工及其傳輸,由這兩部分軟件共同支撐著整個系統(tǒng)的運行;硬件系統(tǒng)由井下分站設(shè)備、天線、Tag、數(shù)據(jù)傳輸接口和地面設(shè)備組成,用于完成信息采集和識別,從而實現(xiàn)預設(shè)的系統(tǒng)功能和信息化管理目標。
(1)井下分站設(shè)備。井下分站設(shè)備由信息采集處理板、信息傳輸處理板、隔爆電源、備用電池、漢字液晶顯示模塊、嵌入式軟件,以及礦用阻燃電源電纜、礦用阻燃雙絞線通信電纜、接線盒等組成。信息處理采集主板是完成對分站區(qū)域內(nèi)的Tag信息的采集、處理;信息傳輸處理板是將RS232信號轉(zhuǎn)換為RS485信號和自動存儲監(jiān)測數(shù)據(jù),傳輸距離10km,同時將重碼的信息進行判定和過濾,接受上位機的輪循訪問并向上位機傳送所采集到的人員編碼信息;不間斷電源是停電后提供2h的供電電源;礦用阻燃電源電纜是為分站提供工作電源;礦用阻燃雙絞線通信電纜主要是完成井下網(wǎng)絡(luò)的連接,為現(xiàn)場RS485總線方式;漢字液晶顯示模塊主要顯示人員編碼和時鐘功能,可用遙控器查詢記錄。
(2)天線。實現(xiàn)與Tag之間的數(shù)據(jù)通信。
(3)Tag.Tag鑲嵌在安全帽上,安全帽是半球形。一般的,當RFIDTag天線結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲時,天線的方向系數(shù)與輸入阻抗都會改變,相應(yīng)地,RFID系統(tǒng)的工作距離必定產(chǎn)生變化。經(jīng)過仿真處理和實驗證明,鑲嵌在安全帽上的Tag天線發(fā)生的彎曲對系統(tǒng)的性能影響可以忽略不計。
Tag平時處于睡眠狀態(tài),當Tag進入系統(tǒng)工作區(qū)時,天線能接收到特定的電磁波,線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電流。再經(jīng)過整流電路,就會激活電路上的微型開關(guān),給Tag供電。從而Tag發(fā)送出的自身的信息被Reade:讀取并解碼后送至數(shù)據(jù)交換、管理系統(tǒng)處理。
(4)數(shù)傳接口。主要由電源板、信號轉(zhuǎn)換板及安全栓組成,完成通訊信號的轉(zhuǎn)換和本安與非本安運行環(huán)境的隔離。
(5)地面設(shè)備。地面人員監(jiān)測管理部分由數(shù)據(jù)通信接口、HUB、監(jiān)控計算機、管理計算機、服務(wù)器、UPS電源、打印機、網(wǎng)絡(luò)終端、防雷設(shè)備等組成。
監(jiān)控計算機(含人員監(jiān)測管理軟件)及數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)對信息的自動化管理目標,在計算機屏幕上直觀動態(tài)顯示井下人員的分布情況,使管理層一目了然;UPS電源主要為了在交流電源停電后繼續(xù)維持系統(tǒng)設(shè)備正常運行;打印機主要用來打印人員監(jiān)測管理報表;網(wǎng)絡(luò)終端主要是人員監(jiān)測信息的網(wǎng)上共享。
管理計算機主要是完成人員和機車信息資料的錄入,分類存入計算機以備隨時檢索使用;對原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并輸出各種文字和文字報表;通過對原始數(shù)據(jù)及圖像進行多條件復合查詢并匯總;進行標識卡的發(fā)行、回收、掛失、恢復操作;對系統(tǒng)進行各種初始設(shè)置等功能門
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器完成整個管理系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)的管理及作為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行原始數(shù)據(jù)及圖像的存儲、備份工作。
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、管理計算機、監(jiān)控計算機、巷道各分站通過星形及總線形的混合網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)連接而成,是一個具有實時數(shù)據(jù)監(jiān)視及采集、圖像監(jiān)視及采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、信息檢索等多項功能的計算機綜合管理系統(tǒng)。其中包括由采用星型結(jié)構(gòu)連接在一起的井下分站為主而構(gòu)成的井下管理系統(tǒng);由通過集線器連接的服務(wù)器、管理計算機、報表打印機組成的上端管理系統(tǒng);由通過數(shù)據(jù)通道與圖像信息通道與網(wǎng)絡(luò)連接在一起的以監(jiān)控計算機為主,視頻采集設(shè)備為輔的多媒體信息系統(tǒng)。
3.3系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
4人員定位管理軟件
人員定位管理軟件實現(xiàn)對井下人員的跟蹤定位信息的采集、分析處理、實時顯示、數(shù)據(jù)庫存儲、報表打印等功能。軟件是采用Microsoft的VisualC++6.0開發(fā)的集數(shù)據(jù)采集與信息處理的綜合管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)是以SQLServer2000數(shù)據(jù)庫為主的C/S模式開發(fā)而成的,共有操作員登錄、實時顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、個人編碼器管理、人員活動軌跡、系統(tǒng)維護7個模塊,如圖3所示。
(1)登錄模塊。登錄模塊主要完成開機后操作員的密碼及權(quán)限輸入,人員權(quán)限情況的校驗等功能,操作方法采用手工輸入。
(2)實時顯示模塊。礦井人員位置信息通過井下人員跟蹤定位基站發(fā)送到地面監(jiān)控主機后,由軟件進行實時分析處理在電子地圖上實時顯示當前井下各巷道人員分布情況和機車分布情況,并且對人員井下活動軌跡進行紀錄,實現(xiàn)對井下人員活動路線、滯留時間及目前所處位置的管理。
(3)數(shù)據(jù)查詢模塊。數(shù)據(jù)查詢模塊主要完成通過各種條件對原始數(shù)據(jù)進行檢索并匯總的功能。主要實現(xiàn):查詢井下人員的動態(tài)分布情況和數(shù)量;查詢?nèi)我痪氯藛T當前位置和指定時間所處的位置;查詢?nèi)我恢付ㄎ恢玫娜藛T情況,并進行實時跟蹤顯示;查詢?nèi)藛T考勤記錄查詢;全礦數(shù)據(jù)查詢。
(4)數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊。數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊主要是根據(jù)巷道各基站的交換信息進行統(tǒng)計匯總,并按照指定的格式進行報表的輸出。
(5)個人信息管理模塊。個人信息管理模塊主要是對職工個人信息進行統(tǒng)計匯總,并按照一定的規(guī)則進行編碼分配。包括:全體職工數(shù)據(jù)管理、職工資料管理、職工信息。
(6)系統(tǒng)維護模塊。系統(tǒng)維護模塊主要是完成對整個管理系統(tǒng)進行初始化操作和對各種與系統(tǒng)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)進行維護的功能。此模塊只能由本系統(tǒng)的超級用戶來完成,其他任何人員不能完成此模塊的各項功能。維護項目包括:①基本信息維護;②操作人員維護;③巷道各基站維護;④數(shù)據(jù)庫維護。
5結(jié)論
井下人員實時管理系統(tǒng)是集計算機軟硬件、信息采集處理、無線數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊、自動控制等技術(shù)多學科綜合應(yīng)用為一體的自動識別信息技術(shù)產(chǎn)品,該系統(tǒng)是通過對坑道遠距離移動目標進行非接觸式信息采集處理,實現(xiàn)對人在不同狀態(tài)(移動、靜止)下的自動識別,從而實現(xiàn)目標的自動化管理。
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